Kolegij upoznaje studente s različitim metodama i tehnikama simulacija, analize i vizualizacije koje se koriste u suvremenom modeliranju bioloških interakcija. Uz modeliranje biomakromolekula i njihovih kompleksa, obradit će se i metode koje se koriste u modeliranju enzimski kataliziranih kemijskih reakcija. Studenti će dobiti detaljan uvid u najnovija kombinirana računalna i eksperimentalna istraživanja kako bi razumjeli računalni doprinos u dizajnu, interpretaciji te rješavanju konkretnih problema u biokemiji. Studenti će steći praktične vještine i znanja iz oblasti računalne biokemije.
Studenti će upoznati različite metode i tehnike simulacije, analize i vizualizacije simuliranih kompleksa biomakromolekula te enzimski kataliziranih kemijskih reakcija. Ovladat će prakičnim znanjem u korištenju dostupnih programa za razumijevanje ponašanja biomakromolekula (proteina, lipida, ugljikohidrata te DNA i RNA). Stjecanja praktičnog znanja u oblasti računalne biokemije pružit će studentima novi aspekt u razumijevanju biokemijskih i bioloških sustava čija svojstva obrađuju i drugi kolegiji u grani biokemije diplomskog studija kemije (Viši praktikum biokemije, Biofizika stanice, Mehanizmi katalize u biološkim sustavima, Genomika i bioinformatika, Enzimska kataliza u organskoj sintezi, Stanična biokemija).
Ishodi učenja:
-objasniti i primijeniti suvremene teorijske metode za opis strukture i svojstava tvari
-povezati strukture tvari i kemijske reaktivnosti
-opisati i objasniti mehanizme kemijskih reakcija, strukturne, energijske i kinetičke promjene tijekom specifičnih kemijskih reakcija, te bioloških i fizikalnih procesa
-koristiti kemijsku terminologiju
-odabrati i kreativno koristiti postojeće modele za interpretaciju eksperimentalnih rezultata
-samostalno koristiti znanstvenu i stručnu literaturu te ostale relevantne izvore informacija
-samostalno pratiti razvoj novih spoznaja u polju kemije te formirati stručno mišljenje o njihovom dosegu i mogućim primjenama
-primijeniti stečeno znanje i vještine u svom daljnjem stručnom ili akademskom usavršavanju
-odgovorno pristupiti u provođenju i izvršavanju zadataka
1. Opisati strukturne baze podataka koje se koriste u modeliranju biomakromolekula i njihovih kompleksa s malim spojevima. Dizajnirati mutirane inačice proteina, izgraditi komplekse proteina i malih spojeva (inhibitora, supstrata, oligosaharida i sl.), zatim komplekse proteina i nukleinskih kiselina, transmembranskih proteina u modelu membrane.
2. Opisati pristupe u de novo modeliranju proteina (najčešće korišteni pristupi/programi/serveri)
3. Objasniti modeliranje protein-protein interakcija
4. Primijeniti polja sila koja se koriste u modeliranju biomakromolekula i njihovih kompleksa; Primijeniti parametrizaciju i optimizaciju izgrađenih kompleksa te modeliranje posttranslacijskih dorada.
5. Primijeniti produktivne simulacije molekulske dinamike.
6. Primijeniti modeliranje enzimski kataliziranih reakcija: QM, QM/MM, EVB. Izračunati energije aktivacije
7. Primijeniti analizu trajektorija dobivenih simulacijama biomakromolekulskih kompleksa i enzimski kataliziranih reakcija
8. Koristiti programe za vizualizaciju te prikazati različite načine vizualiziranja proteina
Teme predavanja:
Koncepti u molekulskom modeliranju. Strukturne baze podataka. Izgradnja biomakromolekulskih kompleksa. Računalne metode utemeljene na polju sila. Molekulska mehanika. Molekulska dinamika. Polja sila koja se koriste u modeliranju različitih bioloških makormolekula. Parametrizacija izgrađenih sustava. Osnovni pojmovi iz statističke fizike i termodinamike. Osnovni algoritmi koji se koriste za optimizaciju izgrađenih kompleksa. Tipovi ansambla. Rubni uvjeti. Modeliranje membrana, lipida te membranskih proteina i peptida. Modeliranje glikoproteina i ugljikohidrata. Modeliranje nukleinskih kiselina DNA/RNA u kompleksima s malim spojevima i/ili proteinima. Produktivne molekulsko-dinamičke (MD) simulacije. MD simulacije krupnog zrna (engl. coarse grained MD) za praćenje konformacijskih promjena proteina. Izračun Gibbsove energije vezanja liganda. Modeliranje enzimski kataliziranih reakcija: kvantno-mehanički, kvantno-mehaničkih/molekulsko-mehanički pristup te simulacije EVB (engl. empirical valence bond). Izračun energije aktivacije. Analiza trajektorija dobivenih u simulacijama. Programi koji se koriste za vizualizaciju te različiti načini vizualiziranja proteina. Programi za simuliranje enzimski kataliziranih reakcija. Programi za obradu podataka.
Na seminarima će se obrađivati problemski zadaci vezani uz modeliranje biomakromolekulskih kompleksa.
Sadržaj seminara podrazumijeva sljedeće praktične aktivnosti u računalnoj učionici:
1. Izgradnja kompleksa, pri čemu će se moći birati hoće li se modelirati protein u kompleksu s malim ligandom, protein u kompleksu s fragmentom nukleinske kiseline, protein u kompleksu s oligosaharidom, fragment nukleinske kiseline s interkalatorom, transmembranski protein u modelu membrane. Pri tome protein može biti i postranslacijiski dorađen (npr. glikoziliran) te može sadržavati nestandarnu aminokiselinu ili kofaktor. Mogu se koristiti inačice proteina sa zamijenjenim aminokiselinama.
2. Parametrizacija i izgradnja topologije, postupak dobivanja parametara za prethodno izgrađen kompleks što je neophodno za izvođenje računalnih simulacija. Korištenje određenog tipa polja sila u ovisnosti o prethodno izgrađenom kompleksu. Solvatacija kompleksa.
3. Optimizacija geometrije, relaksacija i zagrijavanje sustava na radnu temepraturu te izvođenje klasičnih molekulsko-dinamičkih simulacija. Korištenje periodičnih rubnih uvjeta (PBC), tretiranje elektrostatskih interakcija, algoritan SHAKE. Kanonski (NVT) i izotermno-izobarni ansambl (NPT).
4. Analiza molekulsko-dinamičkih trajektorija. Analiza specifičnih interakcija ostvarenih u okviru modeliranog kompleksa. Analiza prosječnih udaljenosti i kuteva. Analiza vodikovih veza. Različiti načini vizualiziranja.
5. Izračun Gibbsove energije vezanja. Za procjenu Gibbsove energije vezanja koristit će se MM-PBSA (engl. Molecular Mechanics Poisson-Boltzmann Surface Area) metoda koja je implementirana u programski paket AMBER.
6. Na jednom odabranom primjeru enzima proći će se kroz simulacije enzimski katalizirane reakcije primjenom EVB metode u programskom paketu Q. Priprema podrazumijeva parametrizaciju i izgradnju topologije, definiranje reaktivne regije, optimizacija geometrije, relaksacija i zagrijavanje sustava na radnu temepraturu te izvođenje kratkih klasičnih molekulsko-dinamičkih simulacija za dobivanje početnih struktura za izvođenje FEP simulacija (engl. free enrgy perturbation). Izračun energije aktivacije i promjene Gibbsove reakcijske energije. Prikaz strukture prijelaznog stanja (prijelazna struktura). Primjena dekompozicijske metode LRA (engl. linear response approximation) za procjenu doprinosa aminokiselina aktivnog mjesta kataitičkom efektu.
Literatura:
1. Molecular modelling: Principles and Applications A.R. Leach Prentice Hall 2001
2. Molecular Modeling Basics J.H. Jensen CRC Press, Taylor & Francis 2010
3. Molecular Modeling of Proteins (Methods in Molecular Biology) A. Kukol Springer Nature 2015
4. Computer Modeling of Chemical Reactions in Enzymes and Solutions A. Warshel Wiley 1997
|
Pristupačnost
