Молекулярное моделирование - Саратовский государственный

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Саратовский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Институт химии
УТВЕРЖДАЮ
Проректор по учебно-методической работе
профессор
Елина Е.Г.
"__" __________________20__ г.
Рабочая программа дисциплины (модуля)
Молекулярное моделирование
Направление подготовки
04.04.01.68 «Химия»
Магистерская программа
«Химия синтетических и пиродных веществ»
Квалификация (степень) выпускника
Магистр
Форма обучения
очная
Саратов,
2014 Год
2
1. Цели освоения дисциплины
Целями освоения дисциплины «Молекулярное моделирование» является
освоение теоретических основ компьютерного моделирования как средства
исследования структурных и динамических свойств молекулярных систем и
ознакомление с современными достижениями в области моделирования
конформаций и динамического поведения молекулярных объектов и систем,
системами хранения химической информации.
2. Место дисциплины в структуре ООП магистратуры
Дисциплина «Молекулярное моделирование» входит в вариативную часть
общенаучного цикла ООП магистратуры (М1.Р.2).
Для усвоения дисциплины «Молекулярное моделирование» студент
должен иметь знания по основным дисциплинам («Неорганическая химия»,
«Органическая химия», «Физическая химия», «Квантовая химия»,
«Химические основы биологических процессов» «Физика», «Математика» и
«Информатика» и др.) в объеме программы бакалавриата химия. Студент
должен владеть основами работы на компьютере в операционных системах
семейства Windows, в программах Microsoft Word, Microsoft Excel (для
составления графиков и диаграмм), Adobe Photoshop (для создания
рисунков), HyperChem, ISIS/Draw, ChemOffice (для создания 3D
молекулярных структур и расчетов их свойств).
В ходе изучения данной дисциплины магистрант должен проявлять
способность к творчеству, системному мышлению, самостоятельно
приобретать и использовать новые знания и умения, самостоятельно
анализировать имеющуюся информацию, профессионально оформлять и
представлять
результаты
научно-исследовательских
работ.
Курс
«Молекулярное моделирование» создает теоретическую базу для изучения
других смежных дисциплин «Нанохимия», «Хроматомасс-спектрометрия» и
др. Понятия и методы, используемые в курсе «Молекулярное
моделирование» будут применены при выполнении магистерских
диссертаций (квалификационных работ) по направлению 020101 Химия.
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения
дисциплины «Молекулярное моделирование».
Формулировка компетенции
Код
Умение принимать нестандартные решения
ОК-2
Владение современными компьютерными технологиями, применяемыми ОК-5
при обработке результатов научных экспериментов и сборе, обработке,
хранении и передачи информации при проведении самостоятельных
научных исследований
Наличие представлений о наиболее актуальных направлениях ПК-1
исследований в современной теоретической и экспериментальной химии
3
(синтез и применение веществ в наноструктурных технологиях,
исследования в экстремальных условиях, химия жизненных процессов,
химия и экология и другие)
Знание основных этапов и закономерностей развития химической науки, ПК-2
пониманием объективной необходимости возникновения новых
направлений, наличием представлений о системе фундаментальных
химических понятий и методологических аспектов химии, форм и
методов научного познания, их роли в общеобразовательной
профессиональной подготовке химиков
Способность анализировать полученные результаты, делать необходимые ПК-5
выводы и формулировать предложения
Cпособность определять и анализировать проблемы, планировать ПК-10
стратегию их решения
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
• Знать:
- место и роль молекулярного моделирования в современном естествознании,
- возможности компьютерной реализации задач молекулярного
моделирования;
- представления, лежащие в основе моделирования методом молекулярной
механики;
- функциональный вид и природу потенциалов молекулярного
взаимодействия;
- вид уравнений движения, учитывающих влияние внешней среды и наличие
различных граничных условий;
- базовые алгоритмы для описания межмолекулярных взаимодействий и
численного интегрирования уравнений движения молекулярной системы;
- примеры постановок и использованных технологий при проведения
вычислительных экспериментов с молекулярными структурами.
• Уметь:
- формулировать модельное представление молекулярного объекта и
возможности организации вычислительных молекулярно-динамических
экспериментов с ним;
- проводить расчеты для модельных молекулярных систем с использованием
доступных программных средств;
- проводить обработку результатов молекулярно-динамических расчетов,
- в ходе самостоятельной работы анализировать научную литературу с целью
получения новых знаний,
- представлять совокупность полученных знаний и собственных результатов
исследований в виде устных отчетов и рефератов.
• Владеть:
- методами и основными программными средствами для моделирования
молекулярных структур,
- навыками использования вычислительных методов и умением использовать
эти методы в планировании и осуществлении вычислительных
экспериментов.
4
4. Структура и содержание дисциплины Молекулярное моделирование .
Общая трудоемкость дисциплины составляет 6 зачетных единиц (216 час.)
Табл.1. Структура и содержание дисциплины
№
п/п
Раздел
дисциплины
Семес Неделя
тр
семестр
а
Виды учебной работы,
включая самостоятельную
работу студентов и
трудоемкость (в часах)
лекции
Формы
текущего
контроля
успеваемос
ти (по
неделям
семестра)
Формы
промежуто
чной
аттестации
(по
семестрам)
1
Введение.
2
1
2
Лаб.
раб.
2
2
Средства
визуализации
молекулярных
структур.
Прогнозирован
ие физикохимических
свойств
соединений
эксперименталь
ностатистическим
и методами
Системы
управления
базами данных
химической
информации
Вычислительны
е методы
оптимизации
геометрии.
2
2
2
2
3
2
2
2
4
2
2
6
10
2
5
2
2
6
10
Письменный
отчет
в
лабораторно
м журнале.
2
6
2
2
12
10
7
2
2
8
2
2
Письменный
отчет
в
лабораторно
м журнале.
Письменный
отчет
в
лабораторно
м журнале.
Письменный
отчет
в
лабораторно
м журнале.
3
4
5
6
Основы
моделирования
методом
молекулярной
2
СРС Всего
6
10
12
10
10
10
6
10
Устный
опрос
Письменный
отчет
в
лабораторно
м журнале.
Устный
опрос.
Письменный
отчет
в
лабораторно
м журнале.
5
механики.
7
8
Конформацион
ный анализ.
Классическая
молекулярная
динамика
2
2
9
2
2
18
10
2
2
10
11
2
2
10
12
2
2
13
2
2
10
14
2
2
10
18
10
10
9
Потенциалы
2
молекулярных
взаимодействий
15
2
2
6
10
10
Компьютерное
моделирование
межмолекулярн
ые
взаимодействия
Практические
примеры
моделирования
молекулярных
систем.
2
16
2
2
6
10
2
17
2
2
18
2
2
11
12
Промежуточная
аттестация.
Итого:
часов
(зачетных
единиц
трудоемкости)
Письменный
отчет
в
лабораторно
м журнале.
Защита
лабораторно
й работы.
Защита
рефератов
Письменный
отчет в
лабораторно
м журнале.
Защита
лабораторно
й работы.
Учебная
НИР
Письменный
отчет в
лабораторно
м журнале.
Письменный
отчет в
лабораторно
м журнале.
10
Устный
отчет.
10
Защита
рефератов
36
Экзамен
36
36
144
216
Введение.
Историческая
справка.
Современное
молекулярное
моделирование,
важнейшие
тенденции
развития:
структурноориентированный дизайн и функционально-ориентированный дизайн.
Четыре
уровня
моделей
молекулярного
моделирования.
Общая
6
характеристика вычислительных методов и задач компьютерной химии.
Молекулярное моделирование в инженерных науках, физике, химии,
биологии и нанотехнологиях.
Средства визуализации молекулярных структур. Компьютерное
оборудование и программное обеспечение, ресурсы Интернета.
Компьютерное представление молекул, химические базы данных и поиск
молекулярных структур и их свойств. Малые молекулы. Генерация
трехмерных координат. Рентгеноструктурные данные.
Библиотеки
фрагментов. Преобразование двумерных структур в трехмерные.
Особенности технологии постановки и проведения вычислительных
экспериментов с различными биомолекулярными системами. Программное
обеспечение молекулярного моделирования нано- и био- структур.
Прогнозирование
физико-химических
свойств
соединений
экспериментально-статистическими методами. Поиск количественных
соотношений структура-свойство (цели и задачи). Методы инкрементов и
структурных дескрипторов. Топологические индексы и молекулярные
дескрипторы. Методы построения моделей структура-свойство.
Системы управления базами данных химической информации. Модели
структурирования и управления базами данных, пути структурирования
информацией. Ресурсы интернет в задачах построения моделей структурасвойство. Базы данных программного пакета ChemOffice.
Вычислительные методы оптимизации геометрии. Поверхность
потенциальной энергии двухатомных и многоатомных молекул. Внутренние
координаты. Стационарные точки, матрица Гесса. Средства вычисления
потенциальной энергии систем. Оптимизация равновесной геометрии
молекулы. Алгоритмы оптимизации геометрии (метод наискорейшего
спуска,
метод сопряженных градиентов Флетчера-Ривса и ПолакаРибери, метод следования собственному вектору, методы с использованием
второй производной на основе алгоритма Нютона-Рафсона). Критерии
окончания поиска и сходимости минимизации. Исследование геометрии
пареходных состояний. Учет влияния зарядов и растворителя.
Периодические граничные условия.
Метод молекулярной механики. Молекулярная система как совокупность
взаимодействующих материальных частиц. Основные понятия молекулярной
механики: силовое поле, стерическая энергия системы и ее составляющие.
Функциональный вид и физическая природа потенциалов молекулярного
взаимодействия. Вклад валентных связей, валентных и торсионных углов,
плоских групп, ван-дер-ваальсовых и кулоновских взаимодействий. Силовые
поля в расчете свойств малых молекул и высокомолекулярных систем.
Реализация метода молекулярной механики в программных комплексах.
Конформационный анализ. Основные понятия. Примеры молекулярных
конформаций.
Экспериментальные
и
теоретические
методы
конформационного анализа. Процедуры конформационного анализа: методов
систематического поиска, метод Монте-Карло, конформационный анализ
7
методами молекулярной динамики. Роль методов классической механики при
исследовании конформаций больших и подвижных молекул.
Классическая молекулярная динамика. История развития, область
применения, преимущества и недостатки, точность и надежность. Основные
этапы МД моделирования: задание начальной конфигурации (положение
атомов, выбор среды окружения, термодинамические параметры), выбор
силового поля и его расчет, расчет электростатических полей, генерация
МД-траектории, анализ результатов (обработка массивов данных, графика и
т.п.). Численное интегрирование уравнений движения: алгоритм Верле как
простейшая разностная аппроксимация, алгоритмы с перескоками (leap-frog,
скоростной алгоритм Верле).
Учет термодинамических характеристик среды. Учет влияния внешней
среды. Термостаты. Температура. Мгновенная температура. Уравнения
движения молекулярной системы, учитывающие наличие термостата.
Изотермическая молекулярная динамика (метод масштабирования),
термостаты Берендсена и Нозе-Гувера. Стохастическое воздействие
окружающей среды. Броуновская динамика. Столкновительная молекулярная
динамика. Определение давления в малой молекулярной системе. Баростат
Берендсена.
Обработка результатов. Протокол МД. Типы статистик. Анализ
автокорреляционных и кросскорреляционных функций. Сравнительный
анализ результатов. Суперкомпьютеры для МД.
Потенциалы
молекулярных
взаимодействий.
Молекулярный
электростатический потенциал, методы расчета частичных атомных зарядов
(топологические методы, методы квантовой химии) и МЭП. Поля
молекулярного взаимодействия, гидрофобные взаимодействия. Методы
отображения полей, отображение свойств на молекулярную поверхность.
GRID в представлении молекулярных полей.
Компьютерное моделирование межмолекулярные взаимодействия. Виды
взаимодействий и методы их оценки различными методами. Оценка ММВ на
основании вкладов в термодинамические функции. Примеры анализа ММВ
простейших молекул.
Практические примеры моделирования молекулярных систем.
Методы 3D-QSAR, CoMFA. 3D-QSAR, основные этапы моделирования.
Интерпретация результатов, количественные соотношения структура–
активность. Надежность моделей. Метод CoMFA в анализе биологической
активности соединений.
Моделирование макромолекул и кристаллических структур. Моделирование
белков и молекулярное узнавание. Дизайн новых лекарственных средств.
Методы молекулярного докинга и виртуального скрининга, принятые
подходы при выборе биомишени. Роль и место вычислительного
эксперимента в нано- и биотехнологии.
Темы самостоятельной работы и лабораторных работ
8
№ Неделя
п/п семестра
1.
1
1-3
2.
4
3.
5
4.
6-7
5.
8
6
9-11
4
12-14
5
15
Темы самостоятельной
Вид
работы студентов и
контроля
лабораторного занятия
2
3
Средства визуализации Оформление
данных.
лабораторных
работ.
Устный
отчет.
Прогнозирование
Оформление
физико-химических
лабораторных
свойств
соединений работ.
Устный
экспериментальноотчет.
статисти-ческими
методами
Системы
управления Оформление
базами
данных лабораторных
химической
работ.
информации
Лабораторные работы
4
Построение молекулярных
структур из атомов и
фрагментов. Программы
HyperChem, ChemOffice.
Расчет
инкрементов
углеводородных
фрагментов
и
функциональных
групп
молекулярных структур.
Методика
поиска
молекулярных структур и
создание баз данных с
использованием
пакета
программ ChemOffice.
Вычислительные
Оформление
Средства
вычисления
методы оптимизации лабораторных
потенциальной
энергии
геометрии.
работ.
системы в программных
комплексах ChemOffice и
HyperChem.
Основы моделирования Оформление
Исследование
методом молекулярной лабораторных
молекулярных
систем
механики.
работ.
Устный методами молекулярной
отчет.
механики в программном
Собеседование по комплексе ChemOffice.
рефератам.
Конформационный
Оформление
Конформационный анализ
анализ
лабораторных
молекулярных систем в
работ,
защита программном комплексе
лабораторных
HyperChem.
работ.
Собеседование по
рефератам.
Классическая
Оформление
Исследование
молекулярная
лабораторных
молекулярных
систем
динамика
работ.
методом
молекулярной
Оформление
динамики в программных
учебной НИР.
комплексах ChemOffice и
HyperChem.
Потенциалы
Оформление
Оптимизация геометрии
молекулярных
лабораторных
высокомолекулярных
взаимодействий
работ.
структур
с
использованием
программы HyperChem.
9
6
16
7
17-18
Компьютерное
моделирование
межмолекулярных
взаимодействий
Оформление
лабораторных
работ.
Практические примеры
моделирования
молекулярных систем.
Собеседование по
рефератам.
Оптимизация геометрии
простейших
молекулярных комплексов
с
использованием
программы HyperChem.
5. Образовательные технологии
При
освоении
дисциплины
”Молекулярное
моделирование”
предусматривается широкое использование активных и интерактивных форм
приобретения новых знаний. Образовательный процесс ориентирован как на
теоретическую подготовку магистрантов, так и на приобретение ими
практических навыков.
При освоении дисциплины используются следующие образовательные
технологии:
- интерактивные лекции с элементами междисциплинарного обучения,
- практические занятия c использованием инновационных методов обучениянеимитационные методы: групповые дискуссии, поисковые лабораторные
работы, учебная научно-исследовательская работа; имитационные методы:
проведение опережающей самостоятельной работы.
При проведении лабораторных занятий запланирована активная работа
в компьютерном классе, в обязательном порядке должен быть обеспечен
доступ студентов в Интернет.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы студентов.
Оценочные
средства
для
текущего
контроля
успеваемости,
промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.
Самостоятельная работа студентов включает:
1) Составление опорных конспектов по теме, подготовку рефератов, поиск
информации в сети Интернет, работу с базами данных.
2) Изучение дополнительной литературы.
3) Подготовка к лабораторным работам, оформление лабораторных работ,
выполнение домашних заданий, подготовку к текущему и итоговому
контролю.
4) Подготовку рефератов (Приложение 1).
Самостоятельная работа студентов подкреплена учебно-методическим
и информационным обеспечением, включающим учебники, учебнометодические пособия, конспекты лекций, руководства и инструкции по
работе с программным обеспечением.
Система текущего контроля самостоятельной работы студентов включает:
- отчет о выполнении лабораторных работ;
10
- устный групповой и индивидуальный отчеты;
- групповые обсуждения по отдельным разделам дисциплины;
- защиту рефератов.
Форма итоговой аттестации - экзамен.
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины __
«Молекулярное моделирование»
а) основная литература:
1. Хёльтье Х.Д., Зиппль В., Роньян Д., Фолькерс Г. Молекулярное
моделирование (теория и практика). Под ред. В.А.Палюлина, Е.В.Радченко.
М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010, 318 с.
2. Цирельсон В.Г. Квантовая химия. Молекулы, молекулярные системы и
твердые тела: Уч. пособие. М: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010, 495 с.
б) дополнительная литература:
1. Немухин А.В., Григоренко Б.Л., Грановский А.А. «Молекулярное
моделирование с программой PC GAMESS: от двухатомных молекул до
ферментов». Вестн. МГУ Сер. 2. 2004. Т. 45. № 2. С. 75-102. Вестник
Московского Университета: электронное издание. 01.04.2007.
2. Методическое пособие по компьютерным методам в молекулярной
биологии и химии: учеб.-метод. пособ. для студентов биол. и хим. фак. Саратов : Изд-во Сарат. ун-та, 2002
в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы
программы Microsoft Office 2007, программа СhemDraw, HyperChem, ChemOffice
Сайты http://www.moldyn.org, http://www.nehudlit.ru/books/subcat281.html
8.
Материально-техническое
обеспечение
дисциплины
Молекулярное моделирование
- Лекционные аудитории;
- Компьютерный класс, оснащенный программным обеспечением: интернет –
браузер, Microsoft Office, ChemOffice; HyperChem и с выходом в Интернет;
- Проектор мультимедия.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВПО с учетом
рекомендаций и Примерной ООП ВПО по направлению подготовки 020100Химия
Автор______________ ___к.х.н. доц. Бурмистрова Н.А
Программа одобрена на заседании _кафедры общей и неорганической химии
от ___________2014 года, протокол № _________________.
11
Подписи:
Зав. кафедрой
проф. д.х.н.
Муштакова С.П.
Директор Института химии
проф. д.х.н.
Федотова О.В.
12
Приложение 1.
Темы рефератов:
1. Моделирование белков и рецепторов.
2. Методы компьютерного поиска новых структур потенциальных
биологически активных веществ («lead-generation»).
3. Молекулярный дизайн лекарственных средств.
4. Основные направления компьютерного поиска новых лекарственных
соединений: QSAR, молекулярное моделирование, виртуальный скрининг,
направленное конструирование.
5. Молекулярный докинг.
6. Молекулярные дескрипторы
7. Молекулярная динамика пептидов.
8. . Структурно-ориентированный молекулярный дизайн.
9. Методы молекулярной динамики в исследовании полимеров.
10.Методы молекулярной динамики в исследовании наноструктур.
11.Молекулярное моделирование, параллельные вычисления и Gridтехнологии.
Примерный перечень вопросов проведения текущего контроля и
промежуточной аттестации по итогам освоения дисциплины
Экзаменационные вопросы (промежуточная аттестация):
1. Современное молекулярное моделирование, задачи и возможности.
2. Современное молекулярное моделирование, общая характеристика
вычислительных методов и задач компьютерной химии.
3.
Модели
представления
молекул,
возможности
визуализации
пространственной структуры.
4. Химические базы данных и поиск молекулярных структур.
5. Генерация трехмерных координат. Рентгеноструктурные данные.
6. Генерация трехмерных координат, библиотеки фрагментов.
7. Генерация трехмерных координат, преобразование двумерных структур в
трехмерные.
8. Поиск количественных соотношений структура-свойство (QSPR): задачи,
принципы, методы.
9. Поиск количественных соотношений структура-свойство: молекулярные
дескрипторы.
10. Исследование молекулярных систем методами классической механики:
теоретические основы, задачи.
11. Метод молекулярной механики: основы метода и его возможности.
12. Стерическая энергия, ее составляющие.
13. Понятие силового поля в молекулярной механике.
14. Поверхность потенциальной энергии молекулярных систем.
15. Внутренние координаты. Составление Z-матриц малых молекул.
16. Стационарные точки поверхности потенциальной энергии молекулярных
систем. Гессиан.
13
17. Средства вычисления потенциальной энергии.
18. Оптимизация равновесной геометрии молекулы. Критерии окончания
поиска.
19. Оптимизация равновесной геометрии молекулы. Алгоритмы оптимизации
геометрии: метод скорейшего спуска, метод сопряженных градиентов, метод
Ньютона—Рафсона.
20. Оптимизация равновесной геометрии молекулы. Выбор метода
оптимизации.
21. Роль влияния растворителя на геометрию молекул.
22. Конформационный анализ.
23. Методы систематического поиска в конформационном анализе.
24. Методы Монте-Карло в конформационном анализе.
25. Методы молекулярной динамики: основы и возможности.
26. Функциональный вид и физическая природа потенциалов молекулярных
взаимодействий.
27. Уравнения движения молекулярной системы. Их разностная
аппроксимация (алгоритмы: Верле, leap-frog Верле, скоростной Верле).
28. Моделирование динамики конденсированных систем. Периодические
граничные условия.
29. Алгоритм Верле (составление списка соседей) для вычисления
невалентных взаимодействий. Оценка быстродействия.
30. Алгоритм сканирования для нахождения ван-дер-ваальсовых
взаимодействий. Оценка быстродействия.
31. Общая схема молекулярно-динамического вычислительного
эксперимента.
32. Методы молекулярной динамики: варьируемые параметры (методы,
термостаты и температура, длина траектории), протокол.
33. Методы молекулярной динамики: анализ результатов. Обработка
траекторий молекулярной динамики. Временные автокорреляционные
функции.
34. Молекулярная динамика белков. Примеры постановка вычислительных
экспериментов.
35. Потенциалы молекулярных взаимодействий. Молекулярный
электростатический потенциал, методы расчета (частичные атомные заряды,
МЭП).
36. Поля молекулярного взаимодействия, гидрофобные взаимодействия.
Отображение свойств на молекулярную поверхность.