C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -1- 1. Výpočetní chemie C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování I Petr Kulhánek kulhanek@chemi.muni.cz Národní centrum pro výzkum biomolekul, Přírodovědecká fakulta Masarykova univerzita, Kotlářská 2, CZ-61137 Brno C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -2Výpočetní chemie reálný problém (chování chemického systému na makroskopické úrovni) molekulární podstata (chování chemického systému na mikroskopické úrovni) experiment C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -3Výpočetní chemie reálný problém (chování chemického systému na makroskopické úrovni) molekulární podstata (chování chemického systému na mikroskopické úrovni) experiment )()(ˆ rr kkk EH   i i i r V m dt rd    )( 2 2 R    k Tk U b b k eTkA a další .... C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -4Výpočetní chemie reálný problém (chování chemického systému na makroskopické úrovni) molekulární podstata (chování chemického systému na mikroskopické úrovni) experiment výpočet    k Tk U b b k eTkA )()(ˆ rr kkk EH   i i i r V m dt rd    )( 2 2 R C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -5Výpočetní chemie výpočetní chemie experiment teorie Počítačová chemie (výpočetní chemie, Computational Chemistry) je odvětví chemie, které využívá počítačů při řešení chemických problémů. Používá výsledků teoretické chemie implementované do výkonných počítačových programů určených k výpočtům struktury, vlastností a reaktivity molekul a pevných látek. http://www.wikipedia.org C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -6Multidisciplinární obor algoritmy, CPU/GPU, cluster/grid, symbolické výpočty analytické řešení, numerická řešení, aproximace teorie, aproximace (bio)chemické problémy, experimenty, ověřování Výpočetní chemie C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -7Realita vs Simulace Je možné přesně simulovat realitu kolem nás? C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -8Realita vs Simulace Je možné přesně simulovat realitu kolem nás? Úkol I: Určete velikost počítačové paměti v GB potřebné k uložení aktuální polohy a rychlosti všech atomů, které obsahuje 180 ml kapalné vody při standardních podmínkách. Počítačová reprezentace reálného čísla (jednoduchá přesnost): 4 B C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -9Realita vs Simulace Je možné přesně simulovat realitu kolem nás? Úkol I: Určete velikost počítačové paměti v GB potřebné k uložení aktuální polohy a rychlosti všech atomů, které obsahuje 180 ml kapalné vody při standardních podmínkách. Počítačová reprezentace reálného čísla (jednoduchá přesnost): 4 B Úkol II: Kolik strojového času zabere simulace 1 s vývoje molekulárního systému? Nejrychlejším molekulárním pohybem je vibrace O-H vazeb s přibližnou periodou 10 fs, která se bude vzorkovat 10 snímky. Výpočet jednoho snímku trvá přibližně 1 ms strojového času. C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -10Realita vs Simulace Realita Výsledek experiment Proč?  neúplná teorie  nedostatečný výkon současných i budoucích(?) počítačů Řešení ...  použití aproximací umožňujících řešení problému za použití dostupné výpočetní kapacity Je možné přesně simulovat realitu kolem nás? Bohužel NE :-( C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -11Realita vs Simulace Realita Model Výsledek výpočet aproximace Výsledek Výsledek experiment validace !!!! aproximace předpověď Proč?  neúplná teorie  nedostatečný výkon současných i budoucích(?) počítačů Řešení ...  použití aproximací umožňujících řešení problému za použití dostupné výpočetní kapacity Je možné přesně simulovat realitu kolem nás? Bohužel NE :-( C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -12Validace výsledků výpočtů Srovnání předpovězené struktury se strukturou experimentální  3D struktura (X-ray, docking)  tvar (kryogenní elektronová mikroskopie)  geometrické parametry  vzdálenosti (NMR)  radiální distribuční funkce (X-ray rozptyl, rozptyl neutronů) Vlastnosti molekul  elektronové spektra (UV/VIS spektroskopie)  vibrační spektra (IR spektroskopie)  dipolový moment  difuzní koeficient  chemické posuny, spin-spinové interakční konstanty (NMR) Srovnání vypočtených a experimentálních termodynamických a kinetických dat  enthalpie (isothermální titrační kalorimetrie - ITC)  entropie (ITC)  volná energie (Gibbsova, Helmholtozva) (ITC, kinetické měření) C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -13Přínos výpočetní chemie výpočetní chemie experiment teorie “rozlišen픓přesnost” C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -14Přínos výpočetní chemie výpočetní chemie experiment teorie “rozlišen픓přesnost” Výpočetní chemie je schopna pracovat s jednoatomovým rozlišením. C7790 Počítačová chemie a molekulové modelování -15- Shrnutí Počítačová chemie: • je interdisciplinární vědní disciplína kombinující současné poznatky z fyziky, chemie, matematiky a informatiky k počítačovému studiu struktury, vlastností a reaktivity molekulárních systémů • používá aproximativních modelů a výpočetních postupů • vyžaduje ověření (validace/kalibraci) použitých modelů a výpočetních postupů vůči experimentálním datům • dosahuje kvalitativních až kvantitativních výsledků (podle použitých modelů) • typicky pracuje s atomovým rozlišením Během přednášky se seznámíme s metodami umožňující studium systémů obsahujících až 100 000 atomů v časové škále několika nanosekund.