Semestr zimowy Blok specjalnościowy I Wprowadzenie do systemu Linux Wykładowca: dr Piotr Durlak Wykład: 15 h Laboratorium: 30 h Cele przedmiotu Zapoznanie studentów z organizacją, zasadami i sposobem bezpiecznego korzystania z systemu operacyjnego Linux. Nabycie umiejętności stosowania złożonych poleceń systemowych powłoki. Nabycie umiejętności tworzenia i uruchamiania skryptów użytkowych w powłoce BASH. Nabycie umiejętności praktycznych w posługiwaniu się wydajnymi środowiskami edycyjnymi, typu VI i EMACS. Nauka programowania w języku AWK oraz graficznego przedstawiania danych numerycznych w programie GNUPLOT. Filozofia systemu Linux. Kluczowe polecenia systemowe powłoki. Praca w trybie tekstowym (konsola, menadżer plików). Podstawowe operacje na plikach i katalogach. Tworzenie i edytowanie plików. Opracowywanie danych liczbowych w formie wykresów. Wstęp do programowania w języku AWK. Użytkownicy, grupy i ich środowisko. Dyski i systemy plików. Połączenia sieciowe i transfer plików. Instalowanie oprogramowania. Programowanie skryptów powłoki. Dystrybucje Linuxa i dopasowanie systemu do potrzeb użytkownika.
1. Łukasz Sosna, Linux. Komendy i polecenia. Wydanie III, Helion,2010. 2. Christopher Negus, Linux. Biblia. Edycja 2007, Helion, 2008. 3. Tim Parker, Linux. Księga eksperta, Helion, 1999. 4. Christopher Negus, Linux Biblia Ubuntu, Fedora, Debian i 15 innych dystrybucji, Helion, 2011-12. 5. Daniel J. Barrett, Linux Leksykon kieszonkowy, Helion, 2004. 6. Philipp K. Janert, Gnuplot in Action. Understanding Data with Graphs, Manning, 2009. 7. Dale Dougherty, Arnold Robbins, sed i awk, Helion, 2002. 8. Wszystkie skrypty i materiały dostępne w sieci, opublikowane na licencji GNU. Elementy zaawansowanej chemii kwantowej Wykładowca: dr Andrzej Bil Wykład: 30 h Cele przedmiotu Zaznajomienie studentów z zaawansowanymi metodami chemii kwantowej na poziomie metod ab initio. Umiejętność rozwiązywania problemów związanych z zagadnieniami prezentowanymi na wykładzie. 1. Wyznacznik Slatera i symetria elektronowej funkcji falowej; 2. Idea metod pola średniego; 3. Operatory przybliżenia 1-elektronowego i ich elementy macierzowe; 4. Wyprowadzenie równań Hartree-Focka i interpretacja rozwiązań; 5. Przybliżenie bazy funkcyjnej równania Hartree-Focka-Roothana; 6. Specyfika układów otwaropowłokowych; 7. Analizy populacyjne, wartości średnie obserwabli, lokalizacja orbitali; 8. Pojęcie statycznej i dynamicznej korelacji elektronowej; 9. Rachunek zaburzeń Rayleigha-Schrodingera; 10. Metody korelacyjne Mollera-Plesseta;
11. Rozwiniecie klasterowe funkcji falowej; 12. Nowe techniki numeryczne metod korelacyjnych przybliżenia lokalne, rozkład jedności; 13. Problemy specjalne chemii kwantowej konsystencja rozmiarowa, samoodziaływanie elektronu, klasy Fukutome, kontaminacja spinowa, degeneracja, stany mieszane, macierz gęstości. A. Szabó, N.S. Ostlund, Modern Quantum Chemistry L. Piela, Idee chemii kwantowej Metody hybrydowe chemii kwantowej - badania układów polipeptydowych Wykładowca: dr hab. Robert Wieczorek Wykład: 15 h Laboratorium: 30 h Cele przedmiotu: Zaznajomienie z podstawami chemii obliczeniowej, umiejętność rozwiązywania zagadnień konformacyjnych dla prostych układów polipeptydowych przy pomocy metod chemii kwantowej, poznanie wpływu budowy peptydów na ich właściwości. Wiązanie peptydowe, struktura I, II i III-rzędowa peptydów, konformacje regularne peptydów, metody hybrydowa chemii kwantowej, rola wiązania wodorowego w ustalaniu konformacji, efekty nieaddytywne i ich wpływ na właściwości peptydów, funkcje i rola rozpuszczalnika, oddziaływania peptyd-peptyd, wpływ ph na strukturę peptydu, weryfikacja poprawności wyników obliczeń. Zalecana literatura (podręczniki) Peptides: Chemistry and Biology (Norbert Sewald, Hans-Dieter Jakubke) Peptides from A to Z (Hans-Dieter Jakubke, Norbert Sewald) Idee chemii kwantowej (Lucjan Piela)
Zaawansowane metody fizykochemiczne Wykładowcy: prof. dr hab. Bogusława Czarnik-Matusewicz dr hab. Marek Ilczyszyn dr Adriana Olbert-Majkut Wykład: 15 h Laboratorium: 30 h Cele przedmiotu Rozszerzenie wiedzy z wybranych technik spektroskopowych: optycznych (IR, Ramana, UV-Vis) i rezonansowych (NMR, EPR) oraz opanowanie umiejętności ich w stosowania w badaniach różnego typu układów molekularnych. Spektroskopia NMR i EPR : Wykład: Wektorowy opis rezonansu magnetycznego jąder i elektronów. Interpretacja zjawiska ekranowania jądrowego, sprzężeń spin-spin, czynnika rozszczepienia spektroskopowego g oraz oddziaływań subtelnych, nadsubtelnych i supernadsubtelnych. Zasady interpretacji widm NMR: widma o różnej rzędowości, widma układów w równowadze chemicznej, widma rejestrowane metodami odsprzęgania protonowego, widma dwuwymiarowe. Rezonans magnetyczny różnych jąder. Zjawiska dynamiczne w spektroskopii NMR. Zastosowania metod NMR i EPR w badaniach prostych i złożonych układów. Laboratorium: Budowa spektrometru NMR. Przygotowanie próbek do badań metodą NMR. Praktyczna analiza widm NMR układów prostych oraz układów z wiązaniem wodorowym. Badanie metodą EPR trwałych rodników tlenowych i azotowych oraz kompleksów metali paramagnetycznych. Analiza energii oddziaływań nadsubtelnych wyznaczonych z widm EPR w oparciu o obliczenia DFT. Spektroskopia absorpcyjna i emisyjna w zakresie UV-Vis: Wykład: Przejścia elektronowe w układach organicznych prostych i ze sprzężonymi wiązaniami nienasyconymi. Badania układów porfirytowych oraz układów z metalami d-
elektronowymi. Prezentacja podstawowych zjawisk i technik fluorescencji molekularnej w aspekcie ich praktycznego zastosowania do wyjaśniania zjawisk chemicznych i fotochemicznych. Laboratorium: Analiza jakościowa i ilościowa układów organicznych oraz kompleksów z pierwiastkami d-elektronowymi przy pomocy widm absorpcyjnych UV-Vis oraz technik emisyjnych (fosforescencja i fluorescencja). Zastosowanie metod emisyjnych do badania oddziaływań lek-aminokwas metodą fluorescencji. Widma wzbudzenia i emisji. Badanie czasów życia stanów wzbudzonych. Wyjaśnianie procesów relaksacji w badanych układach. Spektroskopia oscylacyjna: Wykład: Spektroskopia w podczerwieni w badaniach prostych i złożonych układów chemicznych i biochemicznych oraz ich identyfikacji. Metody przygotowania próbek do badań. Przykłady widm IR i ich analiza. Spektroskopia Ramana w badaniach układów chemicznych oraz porównanie ze spektroskopią IR. Laboratorium: Analiza jakościowa przy zastosowaniu różnych technik pomiarowych spektroskopii IR. Identyfikacja i określenie struktury złożonych związków chemicznych w tym układów z wiązaniem wodorowym (np. aminokwasy, peptydy i składniki leków). Zastosowanie spektroskopii IR do badania modelowej błony biologicznej Wykład: Metody spektroskopowe w monitorowaniu właściwości modelowej błony biologicznej. Laboratorium: Temperaturowe pomiary IR-ATR zawiesiny liposomowej w celu przeanalizowania termotropowych właściwości fosfolipidów. Ilościowa analiza pasm pochodzących od polarnego i niepolarnego fragmentu cząsteczki DPPC (dipalmitoilofosfatydylocholiny). 1. R.M. Silverstein, F.X. Webster, D.J. Kiemle, "Spektroskopowe metody identyfikacji związków organicznych". PWN, Warszawa 2007. 2. J. Sadlej, Spektroskopia molekularna, WNT, Warszawa 2002. 3. B.Valeur, Molecular fluorescence, Principles and Applications, VILEY-VCH. 4. A. Kozubek, Wstęp do technologii liposomowej, Wydawnictwo Uniwersytetu Wrocławskiego, Wrocław 2004 5. J. Twardowski, Biospektroskopia, vol. 4, PWN, 1990. 6. K. H. Hausser, H. R. Kalbitzer, NMR w biologii i medycynie, Wydawnictwo Naukowe UAM, Poznań 1993.
7. A. E. Derome, Modern NMR techniques for chemistry research, Pergamon Press, Oxford 1987. 8. H. Günther, Spektroskopia magnetycznego rezonansu jądrowego, PWN, Warszawa 1983. 9. M. Symons, Spektroskopia EPR w chemii i biochemii, PWN, Warszawa 1987. Teoria oddziaływań międzycząsteczkowych Przedmiot do wyboru Wykładowca: prof. dr hab. Zdzisław Latajka Wykład: 30 h Seminarium: 15 h Cele przedmiotu Zaznajomienie studentów z teorią oddziaływań międzycząsteczkowych. Rodzaje oddziaływań międzycząsteczkowych. Analiza oddziaływań międzycząsteczkowych za pomocą rachunku zaburzeń: dalekozasięgowy rachunek zaburzeń, rozwinięcie multipolowe, zbieżność rozwinięcia multipolowego, uwzględnienie wymiany elektronów rachunek zaburzeń o adaptowanej symetrii (SAPT). Obliczanie I-go i II-go rzędu energii oddziaływania. Nieaddytywność oddziaływania interpretacja wkładów energii oddziaływania. Metody supermolekularne. Rola metod chemii kwantowej w opisie oddziaływań międzycząsteczkowych. Błąd superpozycji bazy funkcyjnej. Metody dekompozycji energii oddziaływania w ujęciu supermolekularnym. I.G. Kaplan, Intermolecular interactions. Physical picture, computaional methods and model potentials, Wiley, 2006 D.J. Wales (ed.), Intermolecular forces and clusters. I, Springer, 2005 H. Margenau, N.R. Kestner, Theory of intermolecular forces, Oxford, 1969 P. Arrighini, Intermolecular forces and their evaluation by perturbation theory, Springer, 1981 L. Piela, Idee chemii kwantowej, PWN, 2011
Semestr letni Blok specjalnościowy II Teoretyczne modelowanie układów biologicznych Wykład: 30 h Laboratorium: 22,5 h Wykładowcy: dr Katarzyna Cieślik-Boczula dr Aneta Jezierska-Mazarello dr Jarosław Panek Cel przedmiotu Zaznajomienie studentów z metodami chemii obliczeniowej służącymi do badania dużych układów o znaczeniu biologicznym. Definicja i perspektywy modelowania molekularnego bioukładów. Struktura przestrzenna biocząsteczek i oddziaływania międzyatomowe. Struktura lipidów, dwuwarstw lipidowych, białek i kwasów nukleinowych. Bazy danych strukturalnych i sekwencyjnych dla biocząsteczek. Podstawy mechaniki i dynamiki molekularnej. Dobór pola siłowego (funkcja potencjału, parametry oddziaływań) oraz parametrów symulacji w modelowaniu lipidów, białek i kwasów nukleinowych. Modele rozpuszczalnika (np. wody) wykorzystywane w symulacji bioukładów. Minima lokalne, globalne oraz stany przejściowe dużych i złożonych układów biocząsteczek. Analiza trajektorii. Zależność między strukturą kowalencyjną, przestrzenną oraz dynamiką i funkcjonowaniem biocząsteczek. Przegląd popularnych platform obliczeniowych do teoretycznych badań biocząsteczek. Bazy danych QSAR i narzędzia on-line do pracy z deskryptorami. Identyfikacja grup farmakoforowych i budowa modelu receptora na podstawie danych doświadczalnych.strategie QSAR: projektowanie de novo, dopasowanie do znanego receptora. Klasyczny QSAR 2D: równanie Hanscha. Statystyczna obróbka deskryptorów i weryfikacja modeli QSAR (PCA, PCR, MLR). Sieci neuronowe i algorytmy genetyczne jako
środki do redukcji przestrzeni deskryptorowej i konstrukcji modeli QSAR. Analizy 3D QSAR (CoMFA, CoMSIA). Od sekwencji do struktury 3D i modelu receptora: modeling homologiczny, threading, docking, metody Monte Carlo, folding. Dynamika molekularna układów białkowych: nieklasyczne pola siłowe i parametryzacja nowych ligandów; analiza trajektorii MD. Śledzenie ścieżek sygnałowych w białkach. Spektroskopia obliczeniowa układów bioaktywnych. Wyjście poza modele atomowe: coarsegrained MD. Obliczeniowa termodynamika procesów biologicznych: metody alchemiczne, dynamika z więzami, umbrella sampling, metadynamika. L. Piela, Idee chemii kwantowej, PWN, 2011 S.E. Feller, Computational modeling of membrane bilayers, Academic Press, 2008 K. B. Lipkowitz, D. B. Boyd, Reviews in Computational Chemistry, VCH Publishers, 1990 A. R. Leach, Molecular Modelling: Principles and Applications, Longman, 1996 Y. C. Martin, P. Willett (red.), Designing bioactive molecules: three-dimensional techniques and applications, American Chemical Society, 1997 J. Zupan, J. Gasteiger, Neural networks in chemistry and drug design, Wiley-VCH, 1999 S. E. Harding, B. Z. Chowdhry, Protein-ligand interactions: structure and spectroscopy, Oxford University Press, 2001 A. Leach, Molecular modelling: principles and applications, Longman, 2001 K. M. Merz, D. Ringe, C. H. Reynolds, Drug design structure- and ligand-based approaches, Cambridge University Press, 2010 L.-H. Zhang, Z. Xi, J. Chattopadhyaya, Medicinal chemistry of nucleic acids, Wiley- VCH, 2011 Niekonwencjonalne metody chemii obliczeniowej Wykład: 30 h Laboratorium: 22,5 h Wykładowca: dr hab. Sławomir Berski
Cele przedmiotu Zaznajomienie studentów z metodami chemii obliczeniowej opartymi na metodzie Monte Carlo, teorii automatów komórkowych i metodach topologicznych służącymi do badania właściwości układów molekularnych. Wprowadzenie do metod Monte Carlo. Funkcje rozkładu prawdopodobieństwa. Średnia i wariancja. Szacowanie błędu. Metody redukcji wariancji. Zastosowanie metod Monte Carlo do układów chemicznych. Definicja automatu komórkowego. Maszyna Turinga. Podstawowe definicje w teorii automatów komórkowych. Klasyfikacja automatów komórkowych. Model odwzorowań przypadkowych. Samoorganizowany stan krytyczny. Zastosowania metod automatów komórkowych w biofizyce, fizyce powierzchni, fizyce magnetyzmu i w procesach chemicznych. Analiza topologiczna pola gęstości elektronowej matematyczne podstawy topologicznej analizy pól skalarnych, elementarne pojęcia topologii i teorii układów dynamicznych. Topologia gęstości elektronowej metoda AIM. Klasyfikacja punktów krytycznych, definicja wiązań chemicznych w AIM. Laplasjan gęstości elektronowej. Analiza topologiczna funkcji lokalizacji elektronów (ELF) i wskaźnika lokalizacji elektronów (ELI). Chemiczna Topologia Kwantowa. Wprowadzenie do Ewolucyjnej Teorii Wiązania (BET). Analiza topologiczna potencjału elektrostatycznego. I. Sobol, Primer for the Monte Carlo method, CRC Press, 1994 A. Patrykiejew, Wprowadzenie do metody Monte Carlo, Wydawnictwo UMCS, Lublin, 1993 L.B. Kier, P.G. Seybold, C.-K. Cheng, Modeling chemical systems using cellular automata, Springer, 2005 P.L. Popelier, Atoms in Molecules: An introduction Prentice Hall R.F.W. Bader, Atoms in Molecules: A quantum theory, Oxford University Press, London, 1994 L. Piela, Idee chemii kwantowej, PWN, 2011
Metody DFT modelowanie klasterów i nanoklasterów metali Wykład: 15 h Seminarium: 15 h Wykładowca: dr hab. Jerzy Moc Zaznajomienie studentów z metodami chemii kwantowej opartymi na teorii funkcjonałów gęstości (DFT). Umiejętność zastosowania tych metod do badania układów ważnych w nanotechnologiach. Współczesne metody DFT (LSDA, GGA, hybrydowe GGA, meta-gga, hybrydowe meta- GGA), praktyczny sposób rozwiązywania równań KS (bazy funkcyjne, skalowanie, problem gridu ), pseudopotencjaly, algorytmy genetyczne, modelowanie DFT klasterów i nanoklasterów metali grup głównych i przejściowych oraz mieszanych : struktury, własności elektronowe i magnetyczne, stabilności, energie kohezji i dysocjacji, interpretacja energii HOMO-LUMO, polaryzacja spinowa, klastery magiczne, fizysorpcja oraz chemisorpcja na powierzchni klasterów. R.M. Martin, Electronic structure. Basic theory and practical methods, Cambridge University Press, 2005 W. Koch, M.C. Holhausen, A chemist s guide to density functional theory, Wiley-VCH, 2002 F. Jensen, Introduction to computational chemistry, John Wiley&Sons, 2002 R. F. Nalewajski, Podstawy i metody chemii kwantowej, PWN, 2001 L. Piela, Idee chemii kwantowej, PWN, 2011 Metody dynamiki molekularnej ab initio Przedmiot do wyboru Wykład: 15 h Laboratorium: 30 h Wykładowca: dr Przemysław Dopieralski
Cele przedmiotu Zaznajomienie studentów ze współczesnymi metodami dynamiki molekularnej. Wyprowadzenie równań dynamiki molekularnej: dynamika molekularna Borna- Oppenheimera i dynamika molekularna Carra-Parrinello. Fale płaskie. Metadynamika. Dynamika z więzami. Uwzględnienie efektów kwantowych metoda Path Integral Molecular Dynamics. Zastosowanie metod dynamiki molekularnej w mechanochemii, badaniu roztworów, katalizie homogenicznej i do symulacji właściwości spektroskopowych. D. Marx and J. Hutter, Ab Initio Molecular Dynamics: Theory and Implementation, Cambridge University Press, 2009 D.A. McQuarrie, Statistical Mechanics,University Science Books, 2000 M.E. Tuckerman, Statistical Mechanics: Theory and Molecular Simulation, Oxford University Press, 2010 Artykuły z czasopism specjalistycznych. L. Piela, Idee chemii kwantowej, PWN, 2011