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

Úvod do teoretické chemie 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 vysvetlit pojmy iontova vazba, vodikova, vdW, hydrofobni odpuzovaní vody, hydrofobni molekuly jsou vetsinou nepolarni a tudiz preferuji nepolarni rozpustedla (coz voda neni), priklad: oleje, tuky since hydrophobes are not electrically polarized, and because they are unable to form hydrogen bonds, water repels hydrophobes, in favour of bonding with itself. It is this effect that causes the hydrophobic interaction

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 fyzika 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.

Experimentální metody 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

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