Metody obliczeniowe i krystalografia polskim oraz angielskim) Theoretical calculation methods and crystalography Jednostka oferująca przedmiot

Transkrypt

1 Nazwa pola Komentarz Nazwa (w języku Metody obliczeniowe i krystalografia polskim oraz angielskim) Theoretical calculation methods and crystalography Jednostka oferująca przedmiot CBMiM PAN Liczba punktów ECTS 3 Sposób zaliczenia Egzamin Język wykładowy Polski Skrócony opis W ramach wykładu przedstawione zostaną podstawy praktycznej krystalografii z przeznaczeniem dla chemików oraz zastosowań metod modelowania molekularnego w chemii i znaczenia tej techniki instrumentalnej dla chemika eksperymentatora. W ramach wprowadzenia, przypomniane będą podstawowe pojęcia i terminologia w jakiej porusza się krystalograf. Następnie omówione zostaną elementy praktycznej krystalografii, ze szczególnym uwzględnieniem metod stosowanych we współczesnej rentgenografii strukturalnej białek i kwasów nukleinowych i rentgenografii strukturalnej małych i średnich cząsteczek. Pozwoli to chemikowi - szczególnie temu, który nie zajmuje się na codzień krystalografią - poznać poszczególne etapy badań struktury i zrozumieć na czym polega określenie budowy przestrzennej cząsteczki badanego związku chemicznego. W części podsumowującej, przedstawione zostaną korzyści praktyczne płynące z zastosowania krystalografii w poznawaniu trójwymiarowej budowy molekuł - w aspekcie zastosowań rentgenografii strukturalnej do badania i poznawania mechanizmów reakcji oraz w szeroko pojętym procesie projektowania nowych leków. Zreferowane zostaną zasady i możliwości metod mechaniki molekularnej i mechaniki kwantowej (półempirycznych, dft i ab initio) w zastosowaniach dla chemii organicznej (przewidywanie struktur, energii, własności spektroskopowych, badanie dróg reakcji). Omówione zostaną metody stosowane do modelowania dużych układów (polimery, układy bioorganiczne) takie jak mechanika molekularna, "coarse-grain", metody hybrydowe (QM/MM), i dynamika molekularna. Zostaną przedstawione podstawowe informacje o najpopularniejszych programach do modelowania molekularnego (Gaussian, Hyperchem i Spartan) Pełny opis Wykład w części wstępnej obejmie przypomnienie podstawowych pojęć i terminologii stosowanej w krystalografii, ze szczególnym uwzględnieniem następujących zagadnień: - symetria punktowa i translacyjna - podstawowe operacje symetrii - układy krystalograficzne, typy sieci i grupy przestrzenne - rozkład natężeń refleksów i wygaszenia systematyczne - komórka elementarna i część asymetryczna. Z uwagi na specyfikę badań prowadzonych w CBMiM, zostanie szczególnie podkreślony problem centrosymetryczności i niecentrosymetryczności układu krystalograficznego w aspekcie możliwości określenia absolutnej konfiguracji metodą rentgenograficzną. Następnie omówione zostaną metody badań strukturalnych z podziałem na poszczególne etapy: 1

2 Literatura - krystalizacja związków o niskiej i średniej masie cząsteczkowej - wybór kryształu do badań rentgenograficznych: wpływ czystości związku na jakość otrzymanego kryształu - pomiary dyfraktometryczne i synchrotronowe monokryształów białek i małych cząsteczek - rozwiązanie struktury: problem fazowy, metody bezpośrednie - analiza map gęstości elektronowej i budowanie modelu struktury - udokładnianie struktury - ocena jakości i kompletności udokładnionej struktury i sposoby przedstawienia wyników. W części podsumowującej zostaną omówione następujące zagadnienia: - rola rentgenowskiej analizy strukturalnej w projektowaniu nowych leków i wyjaśnieniu mechanizmów reakcji - sposoby komunikowania wyników badań strukturalnych w świecie nauki: rola baz danych PDB i CSD w pozyskiwaniu wiedzy z danych strukturalnych (eksploracja danych, ang.: data mining). Wykład w części poświęconej zastosowaniu metod obliczeniowych w chemii obejmuje podstawy metod modelowania molekularnego: mechaniki molekularnej i mechaniki kwantowej (metody półempiryczne, dft i ab initio). Przedstawione zostaną podstawowe założenia mechaniki kwantowej (równanie Schrodingera i stosowane przybliżenia, bez odwołania się wzorów zaawansowanej matematyki). Zreferowane zostaną zastosowania metod MM do rozwiązywania praktycznych problemów w chemii: - obliczanie geometrii i energii stanu podstawowego - przewidywanie własności spektroskopowych: widm IR, NMR, widm elektronowych - wyznaczanie funkcji termodynamicznych, termochemia reakcji chemicznych - badanie dróg reakcji, wyznaczanie geometrii stanów przejściowych, przewidywanie barier energetycznych reakcji - badanie efektów rozpuszczalnika - metody do modelowania reakcji z udziałem metali przejściowych - metody stosowane do modelowania dużych układów (polimery, układy bioorganiczne, kryształy) takie jak mechanika molekularna, "coarse-grain", metody hybrydowe (QM/MM), PBC oraz dynamika molekularna. Zostaną przedstawione podstawowe informacje o najpopularniejszych programach do modelowania molekularnego (Gaussian, Hyperchem i Spartan) oraz przykłady ich wykorzystania. Literatura podstawowa: [1]. Maurice van Meerssche, Janine Feneau-Dupont: "Krystalografia i chemia strukturalna" (tłum. z ang. Jerzy Kuryłowicz). PWN Warszawa (1984). [2]. Gale Rhodes: "Crystallography Made Crystal Clear. A Guide for Users of Macromolecular Models. Third Edition." Academic Press, Elsevier (2006). [3]. Duncan E. McRee: "Practical Protein Crystallography. Second Edition". Academic Press, Elsevier (1999). [4]. Zygmunt Trzaska-Durski, Hanna Trzaska-Durska: "Podstawy krystalografii strukturalnej i rentgenowskiej". PWN Warszawa (1994). [5]. (crystallography bible) "International Tables for Crystallography, Volume A: Space-group symmetry". Literatura uzupełniająca: [6]. Christopher Hammond: "The Basics of Crystallography and Diffraction. Third Edition". IUCr Texts in Crystallography-12, 2

3 Efekty uczenia się Metody i kryteria oceniania Praktyki zawodowe w ramach Oxford University Press. [7]. Peter Luger: Rentgenografia strukturalna monokryształów. (tłum. z ang. Janina Karolak-Wojciechowska). PWN Warszawa (1989). [8]. "International Tables for Crystallography, Volume F: Crystallography of biological macromolecules". [9]. Zbigniew Dauter: "Protein Structures at Atomic Resolution", in Methods in Enzymology (2003), 368, [10]. Jan Mozrzymas: "Wstęp do współczesnej teorii grup krystalograficznych i ich reprezentacji". Polska Akademia Nauk. Instytut Niskich Temperatur i Badań Strukturalnych (skrypt). PWN Warszawa-Wrocław (1987). [11]. Norman A. Dyson: "Promieniowanie rentgenowskie w fizyce atomowej i jądrowej" (tłum. z ang. Jerzy Pielaszek). PWN Warszawa (1978). [12]. L. Piela - Idee chemii kwantowej PWN Warszawa 2008 [13]. W. Kołos - Chemia kwantowa [14]. W. Hehre, L. Radom, J. Pople, P.v.R. Schleyer - Ab Initio Molecular Orbital Theory Wiley, New York 1986 [15]. J. B. Foresman, AE. Frisch - Exploring chemistry with ESS methods, Gaussian, Inc., Pittsburgh 1996 [16]. W. J. Hehre - A Guide to Molecular Mechanics and Quantum Chemical Calculations Wavefunction, Inc Uczestnik studium doktoranckiego przypomina sobie i uzupełnia zasób podstawowych pojęć w zakresie krystalografii. 2. Poznaje współcześnie stosowane metody krystalizacji białek, małych cząsteczek i ich kompleksów. 3. Poznaje współczesne metody pomiarowe w rentgenografii strukturalnej: dyfraktometr, synchrotron. 4. Zapoznaje się z metodami obliczeniowymi i graficzną wizualizacją wyników. 5. Poznaje obszary zastosowań wyników (chemia: mechanizmy reakcji, medycyna: projektowanie leków, informatyka: bazy danych i strategie eksploracji danych "data mining"). 6. Student (doktorant) zapoznaje się z podstawowymi pojęciami w zakresie współczesnych metod modelowania molekularnego; 7. Poznaje możliwości ich zastosowania do rozwiązywania problemów praktycznych; 8. Zapoznaje się z powszechnie stosowanymi programami modelowania molekularnego w wersjach na komputer osobisty. Uczestnicy studium doktoranckiego otrzymują pełny zakres pytań dotyczących wymaganej wiedzy. Wykład kończy się egzaminem. Nie dotyczy 3

4 Nazwa pola Cykl dydaktyczny, w którym przedmiot jest realizowany Sposób zaliczenia w cyklu Forma(y) i liczba godzin zajęć oraz sposoby ich zaliczenia Imię i nazwisko koordynatora/ów cyklu Imię i nazwisko osób prowadzących grupy zajęciowe Atrybut (charakter) Efekty uczenia się, zdefiniowane dla danej formy zajęć w ramach Metody i kryteria oceniania danej formy zajęć w ramach Zakres tematów Semestr III Egzamin Prof. Marek Cypryk 4 Komentarz 16 Prof. Marek Cypryk, Dr hab. Jarosław Błaszczyk Do wyboru 1. Uczestnik studium doktoranckiego przypomina sobie i uzupełnia zasób podstawowych pojęć w zakresie krystalografii. 2. Poznaje współcześnie stosowane metody krystalizacji białek, małych cząsteczek i ich kompleksów. 3. Poznaje współczesne metody pomiarowe w rentgenografii strukturalnej: dyfraktometr, synchrotron. 4. Zapoznaje się z metodami obliczeniowymi i graficzną wizualizacją wyników. 5. Poznaje obszary zastosowań wyników (chemia: mechanizmy reakcji, medycyna: projektowanie leków, informatyka: bazy danych i strategie eksploracji danych "data mining"). 6. Uczestnik studium zapoznaje się z podstawowymi pojęciami w zakresie współczesnych metod modelowania molekularnego; 7. Poznaje możliwości ich zastosowania do rozwiązywania problemów praktycznych: badanie mechanizmów reakcji chemicznych, identyfikacja i analiza produktów, ; 8. Zapoznaje się z powszechnie stosowanymi programami modelowania molekularnego w wersjach na komputer osobisty. Uczestnicy studium doktoranckiego otrzymują pełny zakres pytań dotyczących wymaganej wiedzy. Wykład kończy się egzaminem. Wykład obejmuje następujące zagadnienia: - podstawowe pojęcia i język stosowany w krystalografii - symetria punktowa i translacyjna - podstawowe operacje symetrii - układy krystalograficzne, typy sieci i grupy przestrzenne - rozkład natężeń refleksów i wygaszenia systematyczne - komórka elementarna i część asymetryczna - centrosymetryczne i niecentrosymetryczne grupy przestrzenne - określanie absolutnej konfiguracji metodą rentgenograficzną - krystalizacja związków o niskiej i średniej masie cząsteczkowej - wybór kryształu do badań rentgenograficznych: wpływ czystości związku na jakość otrzymanego kryształu - pomiary dyfraktometryczne i synchrotronowe monokryształów białek i małych cząsteczek - rozwiązanie struktury: problem fazowy, metody bezpośrednie - analiza map gęstości elektronowej i budowanie modelu struktury udokładnianie struktury - ocena jakości i kompletności udokładnionej struktury i sposoby przedstawienia wyników - rola rentgenowskiej analizy strukturalnej w projektowaniu nowych leków i wyjaśnieniu mechanizmów reakcji - sposoby komunikowania wyników badań strukturalnych w świecie nauki

5 Metody dydaktyczne Literatura - rola baz danych PDB i CSD w pozyskiwaniu wiedzy z danych strukturalnych (eksploracja danych, ang.: data mining). Wykład interaktywny Literatura podstawowa: [1]. Maurice van Meerssche, Janine Feneau-Dupont: "Krystalografia i chemia strukturalna" (tłum. z ang. Jerzy Kuryłowicz). PWN Warszawa (1984). [2]. Gale Rhodes: "Crystallography Made Crystal Clear. A Guide for Users of Macromolecular Models. Third Edition." Academic Press, Elsevier (2006). [3]. Duncan E. McRee: "Practical Protein Crystallography. Second Edition". Academic Press, Elsevier (1999). [4]. Zygmunt Trzaska-Durski, Hanna Trzaska-Durska: "Podstawy krystalografii strukturalnej i rentgenowskiej". PWN Warszawa (1994). [5]. (crystallography bible) "International Tables for Crystallography, Volume A: Space-group symmetry". Literatura uzupełniająca: [6]. Christopher Hammond: "The Basics of Crystallography and Diffraction. Third Edition". IUCr Texts in Crystallography- 12. Oxford University Press. [7]. Peter Luger: Rentgenografia strukturalna monokryształów. (tłum. z ang. Janina Karolak-Wojciechowska). PWN Warszawa (1989). [8]. "International Tables for Crystallography, Volume F: Crystallography of biological macromolecules". [9]. Zbigniew Dauter: "Protein Structures at Atomic Resolution", in Methods in Enzymology (2003), 368, [10]. Jan Mozrzymas: "Wstęp do współczesnej teorii grup krystalograficznych i ich reprezentacji". Polska Akademia Nauk. Instytut Niskich Temperatur i Badań Strukturalnych (skrypt). PWN Warszawa-Wrocław (1987). [11]. Norman A. Dyson: "Promieniowanie rentgenowskie w fizyce atomowej i jądrowej" (tłum. z ang. Jerzy Pielaszek). PWN Warszawa (1978). [12]. L. Piela - Idee chemii kwantowej PWN Warszawa 2008 [13]. W. Kołos - Chemia kwantowa [14]. W. Hehre, L. Radom, J. Pople, P.v.R. Schleyer - Ab Initio Molecular Orbital Theory Wiley, New York 1986 [15]. J. B. Foresman, AE. Frisch - Exploring chemistry with ESS methods, Gaussian, Inc., Pittsburgh 1996 [16]. W. J. Hehre - A Guide to Molecular Mechanics and Quantum Chemical Calculations Wavefunction, Inc