Teoretická výpočetní chemie
description
Transcript of Teoretická výpočetní chemie
Teoretická výpočetní chemie
Daniel Svozil
http://ich.vscht.cz/~svozil/teaching.html
Zkouška
• písemná• 15 otázek, na každou jedna či více
odpovědí• ukázkový test na
http://ich.vscht.cz/~svozil/teaching.html
1. přednáška
Úvod do teoretické chemie
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
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 můžeme interpretovat experimentální pozorování na atomární úrovni
– Předpověď vlastností a chování nových chemických systémů
• 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
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
Nukleové kyseliny
Proteiny
Interakce biopolymerů s ligandy
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.
• 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
Experimentální metody
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.
Hierarchie teoretických metod
• Kvantová chemie• Ab initio• Popis systému na úrovni elektronů• Minimální aproximace• ~ 100 atomů
Hierarchie teoretických metod
• Molekulová mechanika a dynamika– Popis systému na úrovni atomů, pohyb
elektronů zahrnut v „globálnější“ podobě.– Nepopisují vznik vazeb– ~10 000 atomů
Hierarchie teoretických metod
• Bioinformatika– Analýza biologických databází a statistika nad
takto získanými daty– Strukturní bioinformatika– Sekvenční bioinformatika
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.
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