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Oggetto:
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Simulazione molecolare al calcolatore

Oggetto:

Molecular simulation by computers

Oggetto:

Anno accademico 2021/2022

Codice attività didattica
MFN0247B
Docente
Prof. Piero Ugliengo (Titolare del corso)
Corso di studio
LM in Biotecnologie Industriali
Anno
1° anno
Periodo
Da definire
Tipologia
Di base
Crediti/Valenza
3
SSD attività didattica
CHIM/02 - chimica fisica
Erogazione
Mista
Lingua
Italiano
Frequenza
Facoltativa
Tipologia esame
Scritto
Tipologia unità didattica
modulo
Corso integrato
Modellistica Molecolare - DM 270 (MFN0247)
Prerequisiti

Chimica generale, Chimica Fisica, Matematica e Fisica. Queste conoscenze sono fornite dai corsi di base delle rispettive discipline in ogni laurea scientifica di primo livello.

General chemistry, Physical Chemistry, Mathematics and Physics. The needed background is provided by general courses in Chemistry, Physical Chemistry, Mathematics and Physics of any scientific first level degree.
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Sommario del corso

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Obiettivi formativi

In accordo con gli obiettivi generali del corso di laurea magistrale in Biotecnologie Industriali, che prevedono, per il primo anno  di corso, una serie di insegnamenti riferiti per alle discipline di base proprie del contesto caratteristico delle biotecnologie industriali, sia per gli aspetti scientifici che  per quelli applicativi il modulo di "Simulazione Molecolare al Calcolatore" fornisce le basi dei metodi che consentono di studiare le proprietà conformazionali e dinamiche di strutture molecolari complesse come le proteine e gli acidi nucleici mediante l'utilizzo di algoritmi e programmi di calcolo.  Lo studente apprenderà concetti di base come la meccanica e la dinamica molecolare, i metodi matematici per l'individuazione di strutture di minima energia meccanica, le tecniche Metropolis Monte Carlo per la caratterizzazione della superficie di potenziale e la dinamica molecolare per lo studio della mobilità molecolare. Lo studente sarà in grado di comprendere la letteratura moderna che utilizza la simulazione molecolare per lo studio di meccanismi biochimici e per la mobilita' proteica.

In agreement with the general objectives of the second cycle degree course in Industrial Biotechnology, which foresees, for the first year of the course, a series of lessons related to the basic disciplines of the specific context of industrial biotechnology, both for scientific aspects and for those applications the module entitled "Molecular simulation by computers"  gives the background of methods apt to study the conformation and dynamic behaviour of biological macromolecules like proteins and nucleic acids by means of suitable algorithms and computer codes. The student will learn basic concepts like molecular mechanics and molecular dynamics,  mathematical methods to locate structures which are minima on the mechanical energy,  techniques based on the Metropolis Monte Carlo method to explore the potential energy surface and molecular dynamics to study  the molecular mobility. The student should be able to understand modern literature based on molecular simulation to study biochemical mechanism and protein structure mobility.

Oggetto:

Risultati dell'apprendimento attesi

Per raggiungere la finalità di fornire le conoscenze e competenze  che definiscono il profilo professionale caratteristico di un biotecnologo industriale, lo studente dovrà essere in grado di:

CONOSCENZA E CAPACITA' DI COMPRENSIONE: Conoscenza dei metodi standard della modellistica molecolare. Capacità di comprendere la letteratura specifica relativa alla modellistica di proteine e sistemi biologici.

CAPACITA'  APPLICATIVE: Applicare le conoscenze acquisite per lo studio delle conformazioni di molecole organiche semlici e macromolecole biologiche.

AUTONOMIA DI GIUDIZIO: Essere in grado di  comprendere il grado di affidabilita' dei risultati della modellistica molecolare nella letteratura biologica.

To achieve the purpose of providing the knowledge and skills that define the professional profile characteristic of an industrial biotechnologist, the student must be able to:

KNOWLEDGE AND UNDERSTANDING: To be aware of the standard methods of molecular modeling. To be able to undertsand specific literature on modeling proteins and biological systems.

ABILITY ON APPLICATION: to be able to apply the acquired knowledge to study conformations of simple organic molecules and biopolymers.

JUDGMENT AUTONOMY: to be able to understand the quality and reliability of published molecular modeling studies in biological literature.

Oggetto:

Programma

Definizione di simulazione molecolare al calcolatore. Confronto con l'approccio sperimentale. Equazione di Schroedinger e sue approssimazioni. La definizione dell'energia meccanica molecolare. Relazione tra energia meccanica, energia interna e energia libera di Gibbs. I campi di forza (AMBER, CHARMM, UFF, ...). Minimizzazione dell'energia meccanica. Metodo Newton-Raphson. Metodi basati sul gradiente dell'energia meccanica. Esplorazione dell'energia potenziale mediante metodi Metropolis Monte Carlo e simulating annealing. La dinamica molecolare. 

Definition of molecular simulation by computers. Comparison with the experimental approach. Schroedinger equation and its approximations. Definition of  molecular mechanical energy. Relationship between mechanical Energy, internal Energy and Gibbs free Energy. Definition of force fields (AMBER, CHARMM, UFF, …). Minimization of the mechanical energy. Newton-Raphson method. Methods based on the mechanical energy gradient. Exploring the potential energy surface by Metropolis Monte Carlo and simulating annealing methods. Molecular dynamics. 

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Modalità di insegnamento

Le lezioni si svolgeranno in presenza e  seguiranno il modello:

SCENARIO 1- LEZIONE SINCRONA CON REGISTRAZIONE (in aula e/o onlinenel rispetto dell'orario delle lezioni alla stanza web del docente a questo link

L'insegnamento viene svolto tramite lezioni frontali illustrando i concetti tramite un file Powerpoint commentato dal docente.  Questa modalità consente agli studenti collegati in remoto di seguire i vari ragionamenti. A 16 ore di lezioni frontali seguiranno 8 ore di pratica di laboratorio informatico dove lo studente potra' apprendere i rudimenti della simulazione molecolre. Verra' utilizzato il programma ArgusLab  per costruire semplici molecole organiche e studiarne la conformazione. Verra' utilizzato il programma HyperChem per simulazioni Monte Carlo e di dinamica molecolare di semplici molecole.

Lessons will take place face to face and will follow the model:

SCENARIO 1- SYNCHRONOUS LESSON WITH REGISTRATION (in the classroom and / or online)

in accordance with the timetable of the lessons in the teacher's web room at this link; The teaching is carried out through lectures illustrating the concepts by means of a Powerpoint file commented by the teacher. This mode allows students connected remotely to follow various reasoning. After 16 hours of lectures, 8 hours of computer lab practice will follow where the student can learn the rudiments of molecular simulation. The ArgusLab program will be used to build simple organic molecules and study their conformation. The HyperChem program will be used for Monte Carlo and molecular dynamics simulations of simple molecules.

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Modalità di verifica dell'apprendimento

L'esame (che sia in presenza o online) si svolge in forma scritta e consiste in 15 domande a risposta aperta che corrispondono ad elaborazione formale e concettuale dei temi del corso insieme ad esercizi numerici. L'esame avrà durata di 180 minuti

La modalità scritta in presenza è sempre associata ad un appello online concomitante (o il giorno successivo come indicato nella piattaforma ESSE3) per studenti che abbiano autodichiarato di essere in una delle categorie: a) fragilità; b) residenza o domicilio fuori regione; c) assenza temporanea dal territorio regionale per esigenze documentabili. L'Ateneo si riserva di effettuare controlli sulla veridicità delle tre condizioni dichiarate.

L’esame online è svolto su carta dallo studente a video aperto durante una sessione Webex. Gli studenti troveranno il testo dell'esame sulla piattaforma Moodle e dovranno fare l'upload dell'elaborato sulla stessa piattaforma entro il tempo consentito. Si raccomanda l'utilizzo di app  che permettono di creare un unico file pdf o jpeg fotografando più pagine (es. Cam Scanner e Adobe Scan, entrambe gratuite). Si raccomanda di verificare la qualità del testo fotografato prima dell'upload.

Ogni domanda vale da 0 a 2 punti. Il voto finale e' la media dei vari punteggi a cui viene aggiunto un punteggio fino ad un massimo di 3 punti globali relativo alla capacita' espressiva e di chiarezza espositiva.

The exam (whether face-to-face or online) takes place in written form and consists of 15 open-ended questions that correspond to a formal and conceptual elaboration of the course themes together with numerical exercises. The exam will last 180 minutes. The face-to-face written procedure is always associated with a concomitant online session (or the next day as indicated in the ESSE3 platform) for students who have self-declared to be in one of the categories: a) frailty; b) residence or domicile outside the region; c) temporary absence from the regional territory for documentable needs. The University reserves the right to carry out checks on the truthfulness of the three stated conditions.

The online exam is done on paper by the student with open video during a Webex session. Students will find the text of the exam on the Moodle platform and will have to upload the paper on the same platform within the time allowed. We recommend the use of apps that allow you to create a single pdf or jpeg file by photographing multiple pages (eg Cam Scanner and Adobe Scan, both free). It is recommended to check the quality of the photographed text before uploading. Each question is worth 0 to 2 points. The final grade is the average of the various scores to which a score of up to a maximum of 3 global points is added relating to the expressive capacity and clarity of presentation.

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Attività di supporto

Il docente e' sempre disponibile via email a ulteriori chiarimenti sui concetti del corso.

The teacher can be contacted by email for further explanation on the basic concepts.

Testi consigliati e bibliografia

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Il docente dell'insegnamento fornisce delle dispense in formato pdf. Il loro contenuto non è originale ma il risultato di contributi tratti da molte fonti al fine di ritagliare il livello necessario per gli scopi formativi di questo insegnamento. Queste dispense NON sono sostitutive delle fonti originali e di libri di testo e articoli che sono riportati di seguito e al fondo delle dispense.

J. McCammon, S.C. Harvey Dynamics of Proteins and Nucleic Acids, Cambridge Univ. Press,   1987.

M. Karplus and J.A. McCammon The Dynamics of Proteins Scientific  American, April 1986.

J. M. Goodman, Chemical Applications of Molecular Modelling, Royal Society of Chemistry, 1998.

G. H. Grant and W. G. Richards, Computational Chemistry, Oxford Chemistry Primers, Oxford University Press, 1995.

A. R. Leach, Molecular Modelling. Principles and Applications, 2nd Edition, Prentice Hall, 2001.

A. K. Rappè and C. J. Casewit, Molecular Mechanics across Chemistry, University Science Books, 1997.

Jan H. Jensen, Molecular Modeling Basics, CRC Press, 2010.

T. Heine, J-O. Joswig, A. Gelessus, Computational Chemistry Workbook, Wiley-VCH, 2009.

T. Schlick, Molecular Modeling and Simulation: an interdisciplinary guide, 2° Eds., Springer, 2010.

M. Bortoluzzi, Approccio Qualitativo alla Chimica Computazionale, Aracne, 2009.

http://www-jmg.ch.cam.ac.uk/

 

The  teacher provides handouts in pdf format. Their content is not original but the result of contributions drawn from many sources in order to cut out the level necessary for the educational purposes of this teaching. These handouts are NOT substitutes for the original sources and textbooks and articles that are listed below and at the bottom of the handouts.

J. McCammon, S.C. Harvey Dynamics of Proteins and Nucleic Acids, Cambridge Univ. Press,   1987.

M. Karplus and J.A. McCammon The Dynamics of Proteins Scientific  American, April 1986.

J. M. Goodman, Chemical Applications of Molecular Modelling, Royal Society of Chemistry, 1998.

G. H. Grant and W. G. Richards, Computational Chemistry, Oxford Chemistry Primers, Oxford University Press, 1995.

A. R. Leach, Molecular Modelling. Principles and Applications, 2nd Edition, Prentice Hall, 2001.

A. K. Rappè and C. J. Casewit, Molecular Mechanics across Chemistry, University Science Books, 1997.

Jan H. Jensen, Molecular Modeling Basics, CRC Press, 2010.

T. Heine, J-O. Joswig, A. Gelessus, Computational Chemistry Workbook, Wiley-VCH, 2009.

T. Schlick, Molecular Modeling and Simulation: an interdisciplinary guide, 2° Eds., Springer, 2010.

M. Bortoluzzi, Approccio Qualitativo alla Chimica Computazionale, Aracne, 2009.

http://www-jmg.ch.cam.ac.uk/

 



Registrazione
  • Aperta
    Apertura registrazione
    04/10/2021 alle ore 12:00
    Chiusura registrazione
    25/12/2021 alle ore 12:00
    Oggetto:
    Ultimo aggiornamento: 05/10/2021 19:00
    Location: https://biotecnologieindustriali.campusnet.unito.it/robots.html
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