Uniwersytet Warszawski - Centralny System Uwierzytelniania
Strona główna

Wstęp do modelowania molekularnego i obliczeniowej biologii molekularnej

Informacje ogólne

Kod przedmiotu: 1100-2BP23
Kod Erasmus / ISCED: (brak danych) / (brak danych)
Nazwa przedmiotu: Wstęp do modelowania molekularnego i obliczeniowej biologii molekularnej
Jednostka: Wydział Fizyki
Grupy: Przedmioty obieralne dla II-III roku bioinformatyki (dla programu studiów od roku 2021/22)
ZFBM - Projektowanie molek. i bioinformatyka; przedmioty dla II roku
Punkty ECTS i inne: 4.00 Podstawowe informacje o zasadach przyporządkowania punktów ECTS:
  • roczny wymiar godzinowy nakładu pracy studenta konieczny do osiągnięcia zakładanych efektów uczenia się dla danego etapu studiów wynosi 1500-1800 h, co odpowiada 60 ECTS;
  • tygodniowy wymiar godzinowy nakładu pracy studenta wynosi 45 h;
  • 1 punkt ECTS odpowiada 25-30 godzinom pracy studenta potrzebnej do osiągnięcia zakładanych efektów uczenia się;
  • tygodniowy nakład pracy studenta konieczny do osiągnięcia zakładanych efektów uczenia się pozwala uzyskać 1,5 ECTS;
  • nakład pracy potrzebny do zaliczenia przedmiotu, któremu przypisano 3 ECTS, stanowi 10% semestralnego obciążenia studenta.
Język prowadzenia: polski
Kierunek podstawowy MISMaP:

biologia
biotechnologia
chemia
fizyka
informatyka

Założenia (opisowo):

• Przygotowanie studentów do rozumienia struktury i funkcji prostych układów biomolekularnych w oparciu o podstawowe prawa nierelatywistycznej fizyki klasycznej i kwantowej,

• Nauczenie studentów posługiwania się w sposób logicznie spójny językiem fizyki, chemii i biologii,

• Nauczenie studentów samodzielnego konstruowania prostych teoretycznych strukturalnych i funkcjonalnych modeli wybranych układów biomolekularnych, zaprogramowania tych modeli z wykorzystaniem dowolnego środowiska programistycznego (Python, Mathematica lub innego), wykonania symulacji funkcjonowania bardziej złożonych układów przy użyciu MOE lub innego systemu molekularnego modelowania i porównania wyników symulacji z dostępnymi danymi doświadczalnymi.

Tryb prowadzenia:

mieszany: w sali i zdalnie

Skrócony opis:

Przypomnienie podstaw klasycznej mechaniki i dynamiki układu wielu cząstek z centralnymi siłami i prezentacja ich zastosowań.

Przypomnienie podstaw atomowej i molekularnej mechaniki kwantowej, w tym opisu ich stanów stacjonarnych i prezentacja ich zastosowań.

Opis przybliżonych modeli potencjałów międzycząsteczkowego oddziaływania na bazie formalizmu molekularnej mechaniki kwantowej,

Przypomnienie podstaw fizyki statystycznej układu wielu klasycznych cząstek oddziałujących wszakże kwantowymi potencjałami.

Analiza dynamiki prostych modeli układów (bio)molekularnych zachodzącej w potencjale bistabilnym oraz przejście od dynamiki do biochemicznej kinetyki.

Zastosowanie wiedzy teoretycznej do opisu struktury i funkcji wybranych układów (bio)molekularnych, w tym wybranych białek i kwasów nukleinowych .

Zintegrowana analiza różnych biologicznych procesów wynikających wszakże z takich samych lub zbliżonych fizycznych modeli.

Związki fizyki oraz procesów ewolucyjnych w biologii.

Pełny opis:

Przypomnienie podstaw klasycznej mechaniki i dynamiki układu wielu cząstek z centralnymi siłami i prezentacja zastosowań tych praw. Algorytmiczne metody optymalizacji struktury (mechanika molekularna, MM) i symulacji ruchów atomów (dynamika molekularna, MD) z wykorzystaniem MOE.

Przypomnienie podstaw atomowej i molekularnej mechaniki kwantowej, w tym opisu ich stanów stacjonarnych i prezentacja ich zastosowań. Przybliżenie Borna-Oppenheimera. Powierzchnie potencjalne w stanie podstawowym i w stanach wzbudzonych. Siły molekularne wynikające z twierdzenia Hellmanna-Feynmana i w konsekwencji wynikające z twierdzenia elektrostatycznego. Właściwości elektronowe molekuł w ich stanach podstawowych i wzbudzonych, które można uzyskać stosując metody molekularnej mechaniki kwantowej (QM).

Opis przybliżonych modeli potencjałów międzycząsteczkowego oddziaływania na bazie formalizmu molekularnej mechaniki kwantowej. Oddziaływania elektrostatyczne, indukcyjne, dyspersyjne i odpychania walencyjnego. Czym różni się kwantowa dynamika molekularna od dynamiki klasycznej z kwantowymi potencjałami na ustalonej stacjonarnej powierzchni potencjalnej.

Przypomnienie podstaw fizyki statystycznej układu wielu klasycznych cząstek oddziałujących wszakże kwantowymi potencjałami. Potencjały termodynamiczne: energia wewnętrzna, energia swobodna, entalpia, entalpia swobodna.

Efektywne siły międzycząsteczkowe na poziomie mezoskopowym - gradienty energii swobodnej. Efektywne oddziaływania elektrostatyczne i oddziaływania hydrofobowe.

Analiza dynamiki prostych modeli układów (bio)molekularnych zachodzącej w potencjale bistabilnym oraz przejście od dynamiki do biochemicznej kinetyki.

Biomolekularne przełączniki takie jak pierścień furanozowy w kwasach nukleinowych lub prolina w białkach.

Zastosowanie wiedzy teoretycznej do opisu struktury i funkcji wybranych układów (bio)molekularnych, w tym wybranych białek i kwasów nukleinowych .

Zintegrowana analiza różnych biologicznych procesów wynikających wszakże z takich samych lub zbliżonych fizycznych modeli - przykład, przemiany konformacyjne w kwasach nukleinowych i przemiany konformacyjne w białkach prionowych z wykorzystaniem MOE.

Procesy dyfuzyjne w układach biologicznych.

Związki fizyki oraz procesów ewolucyjnych w biologii - czyli czego fizycy mogą nauczyć się od biologów ?

Literatura:

• A. Hinchliffe, Molecular Modeling for Beginers, Wiley, West Sussex, 2008.

• L. Susskind, Teoretyczne minimum, Co musisz wiedzieć, żeby zajmować się fizyką, Pruszyński i S-ka, 2015.

• L. Susskind, Mechanika kwantowa. Teoretyczne minimum, Pruszyński i S-ka, 2016.

• R. Kosiński, Wprowadzenie do mechaniki kwantowej i fizyki statystycznej, Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2006.

• K. A. Dill, Molecular Driving Forces, Statistical Thermodynamics in Chemistry and Biology, Gerland Science, 2003 (ISBN 0-8153-2051-5)

• M Gruziel, P. Kmieć, J. Trylska, B. Lesyng, Selected Microscopic and Mezoscopic Modelling Tools and Models–an Overview, in: "Molecular Materials with Specific Interactions–Modeling and Design", pp. 203-223, Springer, Dordrecht, 2007

• Środowisko modelowania molekularnego MOE, Chemical Computing Group, https://www.chemcomp.com/.

• Kurs komputerowy, Molecular Conceptor, http://www.drugdesign.com/web/

• B. Lesyng, Notatki do wykładów, przesyłane przez USOSa.

Efekty uczenia się:

• Studenci rozumieją i potrafią interpretować strukturę i funkcję prostych układów biomolekularnych w oparciu o podstawowe prawa nierelatywistycznej fizyki klasycznej i kwantowej.

• Posługują się w sposób logicznie spójny językiem fizyki, chemii i biologii.

• Potrafią samodzielnego konstruować proste teoretyczne strukturalne i funkcjonalne modele wybranych układów biomolekularnych, programować te modele z wykorzystaniem dowolnego środowiska programistycznego (Python, Mathematica lub innego) oraz wykonać symulacje bardziej złożonych systemów z wykorzystaniem MOE lub innego środowiska modelowania, jak również porównywać wyniki symulacji z dostępnymi danymi doświadczalnymi.

Metody i kryteria oceniania:

Przed egzaminem studenci otrzymują testowe zagadnienia.

Warunkiem dopuszczenia do egzaminu jest zaliczenie ćwiczeń na ocenę co najmniej dostateczną. Studenci którzy uzyskają z ćwiczeń ocenę 4.5 - 5.0 mogą liczyć na podniesienie oceny z egzaminu pisemnego (patrz niżej) o 0.5.

Podstawą zaliczenia jest egzamin pisemny na który składają się 4 zagadnienia z listy testowych zagadnień. Czas na rozwiazanie do 1.5 godziny. Za rozwiązania zagadnień można w sumie uzyskać 20 punktów.

Tabela ocen:

Liczba punktów Ocena

10-11 3.0

12-13 3.5

14-15 4.0

16-17 4.5

18-19 5.0

20 Celujący

Praktyki zawodowe:

Nie wymagane.

Zajęcia w cyklu "Semestr letni 2021/22" (zakończony)

Okres: 2022-02-21 - 2022-06-15
Wybrany podział planu:


powiększ
zobacz plan zajęć
Typ zajęć:
Ćwiczenia, 30 godzin więcej informacji
Wykład, 30 godzin więcej informacji
Koordynatorzy: Bogdan Lesyng
Prowadzący grup: Bartosz Greń, Bogdan Lesyng
Lista studentów: (nie masz dostępu)
Zaliczenie: Egzamin
Opisy przedmiotów w USOS i USOSweb są chronione prawem autorskim.
Właścicielem praw autorskich jest Uniwersytet Warszawski.
Krakowskie Przedmieście 26/28
00-927 Warszawa
tel: +48 22 55 20 000 https://uw.edu.pl/
kontakt deklaracja dostępności USOSweb 6.8.0.0-4 (2022-09-15)