Teoretická výpočetní chemie

Daniel Svozil

svozild@vscht.cz

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