Kod kolegija: MK102 Naziv kolegija: FIZIKALNO-ORGANSKA I RAČUNSKA KEMIJA Opći podaci: Studijski program Diplomski studij Medicinska Kemija Godina I Nositelj kolegija Doc. dr. sc. Željko Svedružić Bodovna vrijednost i način izvođenja nastave: Nositelj kolegija Broj sati Predavanja Seminari Vježbe Ukupno Doc. dr. sc. Željko Svedružić 30 0 20 50 Suradnici Predavanja Seminari Vježbe Ukupno ukupno 30 0 20 50 Status kolegija Obvezatan Izborni ECTS koeficijent opterećenja studenta: 6 Obrazloženje: Ciljevi kolegija: - primjena računalnih metoda u istraživanju utjecaja strukturnih i elektronskih faktora na interakcije između molekula. Studenti će raditi na stolnim računalima i na superračunalu. - primjena računalnih metoda u istraživanju mehanizama organskih i biokemijskih reakcija - upoznavanje s mogućnostima i načinom rada današnjih programa za analizu strukture i funkcije biomolekula - osposobljavanje za rad na analizama strukture i funkcije biološki aktivnih molekula na osobnom računalu - osposobljavanje za kritičko vrednovanje rezultata računalnih metoda za ispitivanje strukture i funkcije biomolekula - osposobljavanje za razumijevanje odgovarajuće literature Razvijanje općih i specifičnih kompetencija (znanja i vještina): Prva cjelina: analiza molekularnih interakcija uporabom molekularne dinamike i kvantne kemije. Druga cjelina: analiza reaktivnosti molekula uporabom molekularne dinamike i kvantne kemije. Treća cjelina: Kinetički i ravnotežni pristupi u analizi enzimske katalize i protein-ligand interakcija. Okvirni sadržaj kolegija: Na prvom predavanju studenti će dobiti sve programe i popratnu literaturu. Tijekom kolegija studenti će paralelno s predavačem na svom računalu raditi vježbe. Studenti će raditi na stolnim računalima i na superračunalu. Različite vježbe i pripadne teoretske postavke biti će predstavljene paralelno kako bi se maksimalno povezao praktični rad s popratnom teorijom. Vježbe će predstaviti simulacije koje su po svojoj složenosti prilagođene dužini trajanja predavanja, te rezultate složenijih analiza iz znanstvenog rada nositelja kolegija. Način izvođenja nastave i usvajanje znanja: Predavanja Obrazovanje na daljinu Seminari i radionice Vježbe 1 Samostalni zadaci Multimedija i Internet Konzultacije Laboratorij Mentorski rad Terenska nastava Obveze studenata: Studenti imaju obavezu tijekom predavanja tražiti od predavača da im se razjasne pojmovi koje ne razumiju. Svaki student mora nositi na kolegij USB spremnik od najmanje 4 GB memorije. Bilo bi poželjno kada bi studenti nosili na kolegij svoja prijenosna računala. Ovaj kolegiji je sinteza cjelokupnog gradiva koje su studenti stekli u posljednje četiri godine studija. Da bi uspješno pratili kolegij od studenta se očekuje da su tijekom studija uspješno savladali prijašnje kolegije, poimenice: opću i organsku kemiju, biokemiju, fizikalnu i analitičku kemiju, bioorgansku kemiju, matematiku i statistiku, informatiku i program Excel, te osnove sveučilišne fizike. U prikazivanju slika različitih molekularnih analiza studenti mogu koristiti i svoje umjetničke sposobnosti. Prisustvo na predavanjima je važno ali ne nužno. Internet i različite publikacije sadrže golemu količinu informacija u kojima se neiskusan student može lako izgubiti. Stoga će studentima biti teško dobiti zadovoljavajuću ocjenu ako nisu bili prisutni na predavanjima.
Praćenje i ocjenjivanje studenata, način polaganja ispita: Pohađanje nastave Aktivnost u nastavi Seminarski rad Eksperimentalni rad Pismeni ispit Usmeni ispit Esej Istraživanje Projekt Kontinuirana provjera znanja Referat Praktični rad Praćenje i ocjenjivanje studenata, način polaganja ispita biti će odrađeno po pravilniku: http://www.uniri.hr/files/staticki_dio/propisi_i_dokumenti/pravilnik_o_studijima-procisceni_tekst.pdf Domaće zadaće iz vježbi: Tijekom svakog predavanja studenti moraju raditi predstavljene vježbe. Nakon predavanja studenti moraju rezultate svake vježbe napisati kao domaću zadaću iz vježbi. Domaće zadaće iz vježbi pomažu studentima savladati gradivo, te trebaju poslužiti kao materijal za učenje i kao zapis s kolegija za buduća istraživanja. Sve domaće zadaće iz vježbi treba poslati voditelju kolegija KAO JEDAN PDF dokument na adresu insilico_ri@yahoo.com, najkasnije jedan dan nakon drugog pismenog ispita. Domaće zadaće iz vježbi predstavljaju materijali dokaz da su studenti fizički i mentalno prisustvovali na nastavi. Stoga, studenti neće moći dobiti prolaznu ocjenu ako su napravili manje od 70% vježbi. Ako se pokaže da dva studenta imaju isti tekst, ili iste slike u domaćim zadaćama, oba studenta dobiti će neprolaznu ocjenu iz tih zadaća. Domaće zadaće po željama studenata. Paralelno s domaćim zadaćama iz vježbi, studenti trebaju napraviti po svom izboru 10 domaćih zadaća po želji. Domaće zadaće po želji su zamišljene kao izraz kreativnih sloboda studenata. Studenti mogu analizirati svoje omiljene molekule koristeći znanja koja su stekli na predavanjima i tijekom studija. Domaće zadaće po želji pomažu studentima savladati gradivo te kao zapis s kolegija za buduća istraživanja. Domaće zadaće po želji predstavljanju materijalni dokaz da studenti znaju razmišljati i da su nakon predavanja samoinicijativno izučavali vježbe koje su predstavljene na predavanjima. Domaće zadaće po želji ocjenjivat će se po principu prolazno:ne-prolazno, te ulaze u konačnu ocjenu prema sljedećoj skali: Broj prolaznih zadaća 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 Dodatak konačnoj ocjeni u 20 18 16 14 12 10 8 6 4 2 % % % % % % % % % % % Sve napravljene domaće zadaće po želji treba poslati voditelju kolegija kao JEDAN PDF dokument na adresu insilico_ri@yahoo.com, najkasnije jedan dan nakon drugog pismenog ispita. Ako se pokaže da dva studenta imaju isti tekst, ili iste slike u domaćim zadaćama, oba studenta će dobiti neprolaznu ocjenu iz tih zadaća. Također, studenti će dobiti neprolaznu ocjenu ako u zadaćama direktno plagiraju slike ili tekstove sa interneta. Pismeni ispiti: Studenti će imati dva pismena ispita u skladu s predstavljenim izvedbenim planom. Pitanja na pismenim ispitima pokriti će potrebna predznanja te gradivo predstavljeno na predavanjima. Studenti će tijekom predavanja biti upozoreni koji dijelovi predavanja predstavljaju minimalno znanje za koju ocjenu. Direktno nakon svakog pismenog ispita nositelj kolegija predstavit će studentima odgovore na ispitna pitanja. Studenti imaju pravo nakon svakog pismenog ispita javno diskutirati pitanja i odgovore, te kriterije ocjenjivanja sa svojim kolegama i nositeljem kolegija. Studenti imaju pravo dobiti na uvid svoje ispravljene ispite. Na žalost zbog praktičnih razloga nositelj kolegija ne može studentima dati riješene pismene ispite u trajno vlasništvo. Konačna ocjena: Studentima će biti predložena konačna ocjena na osnovu rezultata, vježbi, domaćih zadaća, te pismenih ispita. Domaće zadaće nose 20% ocjene, drugih 80% ocjene dolazi u obliku skupne ocjene s pismenih ispita. Različite mogućnosti sažete su u tablici: 2
Na primjer ako student ima skupno 90% iz pismenih ispita, i 80% uspješnih domaćih zadaća, konačna ocjena će biti 88% (i.e. 90%*0.8+80%*0.2 = 72%+16% = 88 %). U skladu s pravilnikom konačna ocjena će biti određena prema tablici: postotak: 90%-100% 80-89% 70-79% 60-69% 50-59% ocjena: 5 (A) 4 (B) 3 (C) 2 (D) 2 (D-) Usmeni ispit: Studenti koji nisu zadovoljni s predloženom konačnom ocjenom mogu zatražiti usmeni ispit. Na usmenom ispitu studenti mogu dobiti bolju (ili lošiju) ocjenu od predložene konačne ocjene. Usmeni ispiti će se održavati isključivo na računalima slično kao i vježbe na predavanjima. Na usmenom ispitu mora biti minimalno dva a najviše četiri studenta. Ishodi učenja: Po završetku kolegija studenti će biti osposobljeni za samostalne analize strukture i funkcije biomolekula računalnim metodama. Studenti bi trebali razumjeti prednosti i ograničenja računalne biokemije, te sposobni kritički pratiti stručnu literaturu. Studenti bi trebali biti efikasniji u sintezi novih lijekova u laboratoriju te u razumijevanju rezultata različitih instrumentalnih metoda. Studenti bi trebali samostalno kvantitativno planirati, analizirati i optimizirati rezultate mjerenja enzimatske aktivnosti, i protein-ligand interakcija. Obvezna literatura: Sve potrebne programe, i svu potrebnu literaturu (PDF) studenti će dobiti na prvom predavanju. Excel ili Libre Office programe studenti moraju sami osigurati na svom prijenosnom računalu. Izborna literatura: Internet. Način praćenja kvalitete i uspješnosti izvedbe: Studenti mogu na internetu naći video predavanja i tekstualne opise sličnih kolegija sa vrhunskih svjetskih sveučilišta. Studenti mogu tijekom predavanja ili na kraju predavanja postavljati pitanja, te na kraju kolegija u anketama ocijeniti organizaciju kolegija i predavača. Nakon pismenog ispita studenti mogu javno diskutirati pitanja postavljena na ispitu te kriterije ocjenjivanja. Studenti mogu kontaktirati voditelja kolegija izvan predavanja putem e-pošte:: insilico_ri@yahoo.com. Ako su nezadovoljni s predavačem studenti imaju pravo tražiti ispit pred komisijom i-ili tražiti savijet od predstavnika sveučilišta. 3
Želimo svima uspješno i ugodno modeliranje: http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2013/ http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/1998/ 4
Broj: Datum: Predavanje: Vrijeme 1. 03.16 2. 03.17 Uvod u kolegij. Biokemijski procesi u različitim vremenskim okvirima (fsec, psec, nsec, μsec, msec, sec, min). Klasični i kvantnomehanički pristupi u rješavanju dva osnovna problema u biokemiji: molekularne interakcije i promjene u kemijskim vezama. Računanje različitih tipova sila među molekulama te pripadnih polja silnica, i energija. Usporedba stolnog računala i superračunala. Usporedba UFF, MMFF94, i QM pristupa u analizi konformacija i energije malih i velikih molekula. Primjeri analiza strukture molekula molekularnom mehanikom, molekularno dinamikom, i MonteCarlo simulacijama. Programi: WinGamess, Avogadro, MacMolPlt, Abalone, Wavefunction Spartan. Primjeri osnovnih QM izračuna: optimizacija molekularnih konformacija, izračun energije veza u molekuli, izračun i mapiranje energetskih polja na odabranim vrijednostima elektronske gustoće. Programi: WinGamess, Avogadro, wxmacmolplt, Abalone, Wavefunction Spartan. 3. 03.20 Simulacije molekularne dinamike s molekulama proteina. PDB i PSF dokumenti. Programi NAMD-VMD, Gromacs-VMD, UCSF Chimera. Pripadne analize RMSD, RMSF, g(r) vrijednosti i promjena energije. Molekularna dinamika malih molekula. Parametrizacija i topologija liganda. 4. 03.21 Programi NAMD-VMD, Gromacs-VMD, UCSF Chimera. Pripadne analize RMSD, RMSF, g(r) vrijednosti i promjena energije. Molekularna dinamika protein-ligand interakcija. Sile interakcija, entalpija, 5. entropija, i slobodna energija vezanja. Programi NAMD-VMD, Gromacs- 03.22 VMD, UCSF-Chimera. Pripadne analize RMSD, RMSF, g(r) vrijednosti i promjena energije. Simulacije navođenom molekularnom dinamikom (stirred MD). Gruba molekularna dinamika (coarse-grained MD). Maxwell-Boltzmann 6. 03.23 distribucija. Spajanje slijeda Maxwell-Boltzmann distribucija metodom kišobrana (umbrella sampling). Programi NAMD-VMD, Gromacs-VMD. Pripadne analize RMSD, RMSF, g(r) vrijednosti i promjena energije. 7. 03.24 Vježbe po želji studenata i utvrđivanje gradiva 8. 03.27 Uvod u QM/MM analize koristeći primjer analize enzimatskog mehanizma DNA metiltransferaze. Effective Field Potential protokoli. 9. 03.28 Različiti QM modeli i odabir QM pristupa. Ab-initio vs. semi empirijske metode. Hartree-Fock metode, post Hartree-Fock metode (RHF, URF, ROHF), DFT, MP2, korelacijske metode. IR spektri, Raman spektri, Hessova matrica. Kinetički izotopni efekti. 10. 03.29 Simulacije reakcijske koordinate za različite mehanizme reakcije. Imaginarne frekvenicje vibracija, traženje točke sedla, računanje energije prijelaznog stanja (TS, IRC, DRC, MEP protokoli). Pretraživanje slijeda koraka u mehanizmu reakcije (string metode i nudged elastic band metode). 11. 03.30 Praktični primjeri QM analiza u kemiji malih molekula. Simulacije UV-VIS spektra, CD spektra, fluorescencije, fosforescencija. Fluorescencija u biokemiji: polarizacija, anizotropija i FRET. Intrinzička fluorescencija biomolekula i fluorescentno označavanje biomolekula. 12. 03.31 Ponavljanje i specifična razmatranja po želji studenata 13. 04.03 Prvi ispit 14. 04.04 Primjeri QM/MM analiza iz literature: katalitički mehanizam odabranih enzima. Primjeri QM/MM iz literature: analize oštećenja DNA. Kemijski procesi nastanka života na zemlji. 15. 04.05 Analize enzim-supstrat i protein-ligand interakcija. Različiti mehanizmi inhibicije i aktivacije enzimatske aktivnosti. Mehanizmi agonističkog i antagonističkog djelovanja na receptore. Analize IC50, EC50, Kd, Ki, 5
16 04.06 17 04.07 brzine vezanja i odvezivanja (kon i koff). Programi Kintek, Tenua, SciDavis, Excel, Maxima. Kinetika stabilnog stanja, kinetika prestabilnog stanja, ph profili u enzimatskoj aktivnosti. Izotopni efekti otapala. Programi Kintek, Tenua, SciDavis, Excel, Maxima. Enzimske reakcije s višestrukim supstratima. Procesivnost enzima na DNA molekulama. Programi Kintek, Tenua, SciDavis, Excel, Maxima. 18 04.10 Metabolički putevi. Programi Copasi, Kintek, SciDavis, Excel, Maxima,. 19 04.11 Ponavljanje i specifična razmatranja po želji studenata 20 04.14 Drugi ispit Sva predavanja će se održati u računalnoj učionici O-364 ili po potrebi u učionici O-359. Svaki student slijediti će predavanja radeći vježbe na jednom od računala u učionici. Studenti koji imaju osobno prijenosno računalo mogu donijeti svoja računala na predavanja kako bi pripremili osobna računala za pisanje domaćih zadaća. Studneti koji ne mogu pisati domaće zadaće kod kuće, moći će pisati domaće zadaće u računalnoj učionici svaki dan prije predavanja od 09 do 10 sati i nakon predavanja od 12 do 13 sati. 6
7