Teoretická výpočetní chemie

1. Teoretická výpočetní chemie Daniel Svozil svozild@vscht.cz http://ich.vscht.cz/~svozil/teaching.html

2. Zkouška • písemná • 15 otázek, na každou jedna či více odpovědí • ukázkový test na http://ich.vscht.cz/~svozil/teaching.html

3. 1. přednáška Úvod do teoretické chemie

4. Molekuly • sestávají z atomů, ty sestávají z elektronů a jader • dva atomy vázané kovalentní vazbou sdílejí dvojici elektronů • nekovalentní vazba není zprostředkována sdílením, ale elektromagnetickými interakcemi • iontová vazba, vodíková vazba, van der Waalsovy interakce, hydrofobní interakce

5. Teoretická chemie • používá zákonů fyziky pro popis chemických vlastností • geometrie, relativní (interakční) energie, distribuce náboje, dipólmomenty, vibrační frekvence, reaktivita, spektroskopické vlastnosti • cíle: • Modelování vlastností a chování chemických systémů • Na základě shody mezi experimentálními a vypočtenými výsledky můžemeinterpretovat experimentální pozorování na atomární úrovni • Předpověď vlastností a chování nových chemických systémů

6. hrubší přiblížení: atomy se chovají dle zákonů klasické (Newtonovské) mechaniky • pro popis systémů atomových či menších rozměrů je nutno použít aparátu kvantové mechaniky • kvantová teorie zevšeobecňuje klasické teorie (Newtonovská mechanika, elektromagnetismus) a vysvětluje mnohé dříve nepochopitelné jevy

7. Oblasti aplikací • chemie, biofyzika • biomakromolekuly • interakce mezi částicemi je popsána force fieldem (klasická MM, MD), kvantově-chemicky (QM), či kombinací (QM/MM) • fyzika • fyzika pevných látek • jiný žargon, interakce popsány jménem teorie

8. Nukleové kyseliny

9. Proteiny

10. Interakce biopolymerů s ligandy

11. Co nás zajímá? • Porozumění rovnovážné struktury • Energetické poměry v biopolymerech, vodíkové vazby a kontaky • Kinetika biologických procesů • Vztah mezi sekvencí-strukturou a funkcí • Komplexní porozumění fungování složitého molekulárního agregátu.

12. Experimentální metody • struktura • X-ray krystalografie, neutronová difrakce • NMR, cirkulární dichroismus, fluorescence • single-molecule experiments • scanning tunneling microscopy • atomic force microscopy • termodynamika • kalorimetrie • kinetické metody • enzymatická kinetika • biochemické metody

13. Teoretické nástroje • Zahrnují fyzikální hledisko zkoumaného problému. • Z komplexnosti zkoumaných systémů a vazeb mezi nimi plyne nutnost zavádění aproximací. • Růst velikosti systému jde ruku v ruce s hrubšími a hrubšími aproximacemi a tedy s roustoucí chybou. • Produktem jsou informace o systémech.

14. Hierarchie teoretických metod • Kvantová chemie • Ab initio • Popis systému na úrovni elektronů • Minimální aproximace • ~ 100 atomů

15. Hierarchie teoretických metod • Molekulová mechanika a dynamika • Popis systému na úrovni atomů, pohyb elektronů zahrnut v „globálnější“ podobě. • Nepopisují vznik vazeb • ~10 000 atomů

16. Hierarchie teoretických metod • Bioinformatika • Analýza biologických databází a statistika nad takto získanými daty • Strukturní bioinformatika • Sekvenční bioinformatika

17. Hierarchie teoretických metod • Vztah mezi biologickou aktivitou a strukturou látky (QSAR) • Nad daty získanými s některou z výše uvedených metod provedu statistickou analýzu, výsledek koreluji s experimentem.

18. Hierarchie teoretických metod • Systémová biologie • studuje interakce mezi komponentami biologických systémů • např. metabolické cesty, mapy interakcí proteinů v organismu apod. • posun paradigmatu: protiklad redukcionistickému vidění