Место дисциплины в структуре образовательной программы
Настоящая дисциплина относится к дисциплинам по выбору (2 из 6) по данному направлению обучения.
Для освоения учебной дисциплины, студенты должны владеть следующими знаниями и компетенциями:
1. Знать:
- фундаментальные понятия, законы, теории классической и современной физики;
- порядки численных величин, характерные для различных разделов физики и физической химии;
- современные проблемы физики, химии, математики, биологии, информатики;
2. Уметь:
- абстрагироваться от несущественного при моделировании реальных физических ситуаций;
- пользоваться своими знаниями для решения фундаментальных и прикладных;
- делать правильные выводы из сопоставления результатов теории и эксперимента;
- производить численные оценки по порядку величины;
- делать качественные выводы при переходе к предельным условиям в изучаемых проблемах;
- видеть в биологических задачах физическое содержание;
- осваивать новые предметные области, теоретические подходы, математические и физические модели, биологические особенности изучаемых объектов и экспериментальные методики, доступные для изучения последних;
- эффективно использовать информационные технологии и компьютерную технику для достижения необходимых теоретических и прикладных результатов.
3. Владеть:
- навыками освоения большого объема информации, в том числе – научно-технической литературы на английском языке;
- навыками самостоятельной работы;
- культурой постановки и моделирования физических задач;
- навыками грамотной обработки результатов моделирования и сопоставления их с имеющимися экспериментальными и литературными данными;
- практикой исследования и решения теоретических и прикладных задач;
- навыками теоретического анализа реальных задач, связанных с исследованием на атомном уровне свойств биомолекулярных систем и механизмов их функционирования;
Основные положения дисциплины должны быть использованы в дальнейшем при изучении следующих дисциплин:
- Рациональное компьютерное конструирование лекарств;
- Молекулярное моделирование и компьютерный дизайн новых наноматериалов;
5 Тематический план учебной дисциплины
| № | Название раздела | Всего часов | Аудиторные часы | Самостоятельная работа | ||
| Лекции | Семинары | Практические занятия | ||||
| Вводная часть: «Методы моделирования in silico в решении современных задач физико-химической биологии и биоинженерии (биоинформатика, молекулярный докинг, моделирование структуры белков по гомологии)» | ||||||
| Метод эмпирического силового поля в моделировании биомолекулярных систем | ||||||
| Метод молекулярной динамики белков, биомембран и белок-мембранных систем | ||||||
| Метод Монте-Карло в моделировании биомолекул | ||||||
| Методы расчета свободной энергии молекулярных систем | ||||||
| Учет эффектов сольватации в расчетах биомолекул | ||||||
| Молекулярное моделирование биомембран и мембранных белков | ||||||
| Новейшие методы количественной оценки гидрофобных свойств биомолекулярных систем | ||||||
| Численный эксперимент в молекулярной биофизике: современные возможности и перспективы | ||||||
| Всего |
Формы контроля знаний студентов
| Тип контроля | Форма контроля | 1 год | Параметры ** | |
| Текущий (неделя) | Контрольная работа | 11 неделя | Классная контрольная работа по темам: «Методы моделирования in silico в решении современных задач физико-химической биологии и биоинженерии (биоинформатика, молекулярный докинг, моделирование структуры белков по гомологии)», «Метод эмпирического силового поля в моделировании биомолекулярных систем», «Метод молекулярной динамики белков, биомембран и белок-мембранных систем» и «Учет эффектов сольватации в расчетах биомолекул». Контрольная работа проводится в виде теста из 60 вопросов с 3-4 вариантами ответов по каждому вопросу. Задание выполняется на 11-ой неделе курса. Выполненное задание в письменном виде сдается студентами на семинаре. Результаты оглашаются на 12-й неделе курса. | |
| Домашнее задание | 10-15 неделя | Письменное домашнее задание: анализ научной статьи на английском языке по темам курса. Задание выдается на 10-ой неделе курса. Устная защита в виде беседы по теме исследования, затронутой в статье, проходит на 15-й неделе курса. | ||
| Итоговый | Экзамен | 16 неделя | Устный экзамен по всем темам курса. Экзаменационный билет включает 2 теоретических вопроса. |
Критерии оценки знаний, навыков
Оценки по всем формам текущего контроля выставляются по 10-ти балльной шкале. Оценка за контрольную работу, домашнее задание и экзамен рассчитывается как доля успешно решенных студентом задач от общего числа задач, умноженная на 10.
Содержание дисциплины
Содержание дисциплины разбито на разделы 1-9 (см. п. 4 выше), по каждому разделу проводятся лекции и семинары (кроме семинаров по разделам 5 и 9).
1. Раздел 1. Введение: «Методы моделирования in silico в решении современных задач физико-химической биологии и биоинженерии (краткий обзор)».
Тема 1. Понятие in silico в современной биологии.
Общая характеристика методов компьютерного моделирования. Основные направления. Тип решаемых задач. Реальный и вычислительный эксперимент.
Тема 2. Биоинформатика.
Базы данных биологической информации: базы данных нуклеотидных и аминокислотных последовательностей; базы данных функциональных мотивов и паттернов; базы данных пространственных структур биомолекул.
Поиск в базах данных и выравнивание гомологичных последовательностей. Распознавание мотивов и паттернов. Методы предсказания вторичной структуры белка. Примеры применения к решению конкретных задач.
Тема 3. Молекулярный докинг.
Суть метода. Ограничения. Оценочные функции и проблема выбора корректных решений докинга. Лиганд- и мишень-специфичные оценочные функции. Характер решаемых задач. Примеры использования для разработки новых лекарств.
Тема 4. Моделирование структуры белков на основании гомологии.
Суть метода. Этапы построения модели. Выбор структурного шаблона. Оценка качества полученных моделей (PROCHECK, Метод Айзенберга (D. Eisenberg) и пр.). Применение полученных моделей. Методы распознавания типа пространственной укладки полипептидной цепи (при отсутствии гомологии аминокислотных последовательностей).
Литература по разделу:
1. Schlick T. Molecular Modeling and Simulation. An Interdisciplinary Guide. – N.Y.: Springer, 2006. – 635 p.
2. Финкельштейн А.В., Птицын О.Б. Физика белка. – М.: КДУ, 2005. – 456 с.
3. Тиноко И., Зауэр К., Вэнг Дж., Паглиси Дж. Физическая химия. Принципы и применение в биологических науках.: Пер. с англ.: М.: Техносфера, 2005. – 744 с.
4. Tramontano A. Protein Structure Prediction. Concepts and Applications. – Weinheim.: Wiley-VCH, 2006. – 205 p.
5. Ефремов Р.Г., Шайтан К.В. Молекулярное моделирование нано- и биоструктур. Учебно-методический комплекс для магистров. - М., 2011. НОУДПО "Институт АйТи". - 129 с.
2. Раздел 2. Метод эмпирического силового поля в моделировании биомолекул.
Тема 1. Современное состояние проблемы.
Тема 2. Возникновение и развитие эмпирических силовых полей.
Приближенные методы решения уравнения Шредингера для многоатомных систем. Волновые уравнения для электронов и ядер.
Тема 3. Методы квантовой химии.
Формулировка задачи и используемые приближения. Информация, получаемая в квантовохимических расчетах. Полуэмпирические и ab initio методы. Примеры использования.
Тема 4. Понятие силового поля.
Аналитические выражения для расчета потенциальной энергии молекулярных систем. Физическая подоплека. Вид отдельных термов в выражении для потенциальной энергии.
Тема 5. Параметризация силовых полей.
Экспериментальные данные или квантовохимические расчеты? Типы атомов при задании силового поля. Проблемы отнесения атомов к разным типам.
Приближения, используемые в методах эмпирических силовых полей (периодические граничные условия, функции обрезания потенциала, зарядовые группы, наложенные ограничения и т.д.)
Алгоритмы минимизации энергии молекулярных систем.
Примеры использования молекулярной механики в расчетах биомолекул, программы.
Современные силовые поля, перспективы развития.
Литература по разделу:
1. Волькенштейн М.В. Молекулярная биофизика. - М.: Наука, 1975. - 616 с.
2. Дашевский В.Г. Конформационный анализ органических молекул. - М.: Химия, 1982. - 509 с.
3. Кантор Ч., Шиммел П. Биофизическая химия.: В 3-х т. Пер. с англ. - М.: Мир, 1984. - Т. 1 – 336 с.
4. Рубин А.Б. Биофизика.: Уч. пос. Т. 1. - М.: Изд-во МГУ; изд-во «Наука», 2004. – 448 с.
5. Полозов Р.В. Метод полуэмпирического силового поля в конформационном анализе биополимеров. М., Наука, 1981. – 215 с.
6. Попов Е.М. Структурная организация белков. М.: Наука, 1989. – 352 с.
7. Schlick T. Molecular Modeling and Simulation. An Interdisciplinary Guide. – N.Y.: Springer, 2006. – 635 p.
8. Буркерт У., Эллинджер Н. Молекулярная механика.: Пер. с англ.: М.: Мир, 1986. – 364 с.
3. Раздел 3. Метод молекулярной динамики белков, биомембран и белок-мембранных систем.
Тема 1. Основные сведения.
Формулировка задачи, алгоритмы интегрирования уравнений движения, задание начальных условий. Выбор шага интегрирования по времени. Интегратор Верле. Требования к интеграторам.
Тема 2. Вычислительные протоколы.
Концепции температуры и давления в задачах молекулярной динамики. Необходимость уравновешивания систем в задачах МД. Понятие термостата и баростата. Статистические ансамбли. Алгоритмы реализации.
Тема 3. Примеры использования молекулярной динамики в расчетах биомолекул, программы.
Литература по разделу:
1. Рапапорт Д.К. Искусство молекулярной динамики. – Пер. с англ.: Ижевск: Изд-во «Регулярная и хаотическая динамика - Институт компьютерных исследований», 2012. – 630 с.
2. Allen M.P., Tildesley D.J. Computer Simulation of Liquids. – Oxford: Clarendon Press. – 1987. – 385 p.
3. Schlick T. Molecular Modeling and Simulation. An Interdisciplinary Guide. – N.Y.: Springer, 2006. – 635 p.
4. Рубин А.Б. Биофизика.: Уч. пос. в 2-х т. - М.: Изд-во МГУ; изд-во «Наука», 2004. – Т. 1 - 448 с.
5. Хеерман Д.В. Методы компьютерного эксперимента в теоретической физике.: Пер. с англ.: М., Наука, 1990. – 176 с.
6. Метод молекулярной динамики в физической химии. Сб. статей. М., Наука, 1996. – 354 с.
7. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. - М.: Наука, 1976. - 584 с.
4. Раздел 4. Метод Монте-Карло в моделировании биомолекул.
Тема 1. Принцип метода, критерий Метрополиса.
Тема 2. Типичные алгоритмы реализации метода Монте-Карло
Моделирование равновесных состояний, конформационный поиск, взаимодействия белок-лиганд.
Тема 3. Сравнительные характеристики методов Монте-Карло и молекулярной динамики.
Тема 4. Примеры использования методов Монте-Карло в расчетах биомолекул, программы.
Литература по разделу:
1. Замалин В.М., Норман Г.Э., Филинов В.С. Методы Монте-Карло в статистической термодинамике. М., Наука, 1977. – 228 с.
2. Хеерман Д.В. Методы компьютерного эксперимента в теоретической физике.: Пер. с англ.: М., Наука, 1990. – 176 с.
3. Биндер К., Хеерман Д.В. Моделирование методом Монте-Карло в статистической физике.: Пер. с англ.: М., Наука, 1995. – 144 с.
4. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. - М.: Наука, 1976. - 584 с.
5. Allen M.P., Tildesley D.J. Computer Simulation of Liquids. – Oxford: Clarendon Press. – 1987. – 385 p.
6. Schlick T. Molecular Modeling and Simulation. An Interdisciplinary Guide. – N.Y.: Springer, 2006. – 635 p.
5. Раздел 5. Методы расчета свободной энергии молекулярных систем.
Тема 1. Относительная свободная энергия.
Общие принципы, формулировка задачи. Метод термодинамического интегрирования с использованием разностных методов.
Тема 2. Абсолютная свободная энергия.
Общие принципы, формулировка задачи. Примеры применения и программы.
Литература по разделу:
1. Хеерман Д.В. Методы компьютерного эксперимента в теоретической физике.: Пер. с англ.: М., Наука, 1990. – 176 с.
2. Allen M.P., Tildesley D.J. Computer Simulation of Liquids. – Oxford: Clarendon Press. – 1987. – 385 p.
3. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Статистическая физика. - М.: Наука, 1976. - 584 с.
6. Раздел 6. Учет эффектов сольватации в расчетах биомолекул.
Тема 1. Роль эффектов среды в формировании пространственной структуры и функционировании биомолекул.
Тема 2. Модели неявно заданного растворителя.
Простейшие диэлектрические модели, решение уравнения Пуассона-Больцмана, диполи Ланжевена, атомные параметры сольватации.
Тема 3. Модели явно заданного растворителя.
Периодические граничные условия, граничный потенциал, создание моделей чистых растворителей.
Тема 4. Достоинства и недостатки различных моделей среды, примеры использования и программы.
Литература по разделу:
1. Кантор Ч., Шиммел П. Биофизическая химия.: В 3-х т. Пер. с англ. - М.: Мир, 1984. - Т. 3 – 536 с.
2. Финкельштейн А.В., Птицын О.Б. Физика белка. – М.: КДУ, 2005. – 456 с.
3. Allen M.P., Tildesley D.J. Computer Simulation of Liquids. – Oxford: Clarendon Press. – 1987. – 385 p.
4. Schlick T. Molecular Modeling and Simulation. An Interdisciplinary Guide. – N.Y.: Springer, 2006. – 635 p.
7. Раздел 7. Молекулярное моделирование биомембран и мембранных белков.
Тема 1. Строение и физико-химические свойства биомембран. Теоретические модели биомембран.
Тема 2. Структура и динамика гидратированных липидных бислоев.
Макроскопические параметры; латеральные неоднородности и нано-кластеры, их биологическая роль.
Тема 3. Типы мембранных белков, установленные пространственные структуры.
Тема 4. Особенности мембранных белков, идентификация мембранных участков, расчеты взаимной ориентации мембранных сегментов.
Характеризация гидрофильных/липофильных свойств мембранных белков.
Тема 5. Моделирование мембранных белков на основании гомологии и ab initio.
Тема 6. Используемые программы, примеры приложений.
Литература по разделу:
1. Генис Р. Биомембраны. Молекулярная структура и функции. – М.: «Мир», 1997. – 623 с.
2. Ефремов Р.Г. Молекулярное моделирование мембрано-связанных участков белков и пептидов: Автореф. дис. докт. физ.-мат. наук / МГУ им. М.В. Ломоносова. – М., 1999. - 51 с.
3. Рубин А.Б. Биофизика.: Уч. пос. В 2-х т. - М.: Изд-во МГУ; изд-во «Наука», 2004. - Т. 1 – 448 с.
8. Раздел 8. Новейшие методы количественной оценки гидрофобных свойств биомолекулярных систем.
Тема 1. Гидрофобный эффект. Методы учета гидрофобных/гидрофильных свойств биомолекулярных систем.
Тема 2. Метод молекулярного гидрофобного потенциала и его применение к моделированию белков и рациональному конструированию лекарств.
Картирование и визуализация гидрофобных/гидрофильных свойств белков («белковая топография») и мембран.
Литература по разделу:
1. Efremov R.G., Chugunov A.O., Pyrkov T.V., Priestle J.P., Arseniev A.S., Jacoby E. Molecular lipophilicity in protein modeling and drug design. (2007). Curr. Med. Chem. v. 14, N 4, 393-415.
9. Раздел 9. Численный эксперимент в молекулярной биофизике: современные возможности и перспективы.
Тема 1. «Прорывные» результаты вычислительных экспериментов последних лет.
Тема 2. Молекулярное компьютерное моделирование биологических систем: уроки 30-летнего опыта.
Применение высокопроизводительных вычислений в молекулярной биофизике белков и биомембран.
Наиболее перспективные направления дальнейших исследований в области молекулярного моделирования.
Литература по разделу:
1. Schlick T. Molecular Modeling and Simulation. An Interdisciplinary Guide. – N.Y.: Springer, 2006. – 635 p.