Área de Concentração: 95131

Concentration area: 95131

Criação: 02/07/2021

Creation: 02/07/2021

Ativação: 02/07/2021

Activation: 02/07/2021

Nr. de Créditos: 10

Credits: 10

Carga Horária:

Workload:

Docente Responsável:

Professor:

Fernando Luis Barroso da Silva

Objetivos:

Esta disciplina procura introduzir os conceitos básicos de modelagem e interações moleculares com ênfase nas interações eletrostáticas e sua correlação na estrutura atividade de macromoléculas de interesse biológico. Serão apresentados e discutidos fundamentos e técnicas de caracterização de propriedades físico-químicas de sistemas envolvendo biomoléculas, incluindo a manipulação de pacotes de simulação computacional para cálculos teóricos. Através do estudo de trabalhos clássicos e recentes, procuraremos trazer o estudante para um nível de pesquisa nesta área.

Objectives:

This course aims to introduce the basic concepts of molecular modelling and physical interactions with emphasis on electrostatics and their correlation in the structure activity of macromolecules of biological interest. Fundamentals and techniques for the characterization of physicochemical properties of systems involving biomolecules will be presented and discussed, including the manipulation of computer simulation packages for theoretical calculations. Through the study of classical and recent work, we will work to bring the student to a research level in this area.

Justificativa:

A modelagem molecular envolve simulações numéricas fundamentadas pela Mecânica Estatística, o que permite descrever, explicar e controlar as propriedades dos sistemas biomoleculares em termos de uma visão microscópica. Dentre as forças fundamentais em Biofísica Molecular, as interações eletrostáticas desempenham um importante papel na complexa correlação entre estrutura e função de macromoléculas biológicas. O entendimento destas interações é necessário para a caracterização do comportamento de protonação e redox de proteínas em solução aquosa, o que controla um grande número de processos, como a catálise enzimática, mudanças conformacionais em 3 decorrência de variações do pH e mecanismos de transporte e ação de fármacos. Desta forma, esta disciplina é fundamental para a compreensão de mecanismos moleculares, tanto para alunos que atuarão diretamente nesta linha de pesquisa, como para aqueles envolvidos diretamente com a estrutura e função biomolecular. Fornecerá também a fundamentação teórica necessária e vital para o desenvolvimento e uso de programas computacionais para atuação em Bioinformática Estrutural.

Rationale:

Molecular modelling involves the numerical simulation and statistical mechanical treatment of biomolecular systems, which yields the ability to describe, explain and control such properties in terms of a molecular view. Among the fundamental forces in molecular biophysics, electrostatic interactions play an important role in the complex correlation between structure and function of biological macromolecules. The understanding of these interactions is necessary to characterize the protonation and redox behaviour of proteins in aqueous solution, which controls a large number of processes such as enzyme catalysis, conformational changes due to pH variations, and mechanisms of transport and drug action. Thus, this course is fundamental to the understanding of molecular mechanisms, both for students who will work directly in this line of research, and for those involved directly with biomolecular structure and function. It will also provide the necessary and vital theoretical foundation for the development and use of computational programs for structural bioinformatics.

Conteúdo:

1. Introdução à Biofísico-química Computacional e Bioinformática Estrutural 2. Revisão de termodinâmica 3. Interações fundamentais em Biofísica Molecular 4. Campos de forças para simulações moleculares 5. Introdução à eletrostática de moléculas biológicas 6. Teoria de Debye-Hückel e a Equação de Poisson-Boltzmann 7. O modelo de Tanford-Kirkwood 4 8. Pacotes de modelagem molecular baseado em soluções numéricas da Equação de Poisson-Boltzmann 9. Visualização molecular e de mapas eletrostáticos 10. Perturbação termodinâmica 11. Simulações moleculares: Método Monte Carlo e Dinâmica Molecular 12. Aplicações.

Content:

1. Introduction to Computational Biophysical Chemistry and Structural Bioinformatics 2. Review of Thermodynamics 3. Fundamental interactions in Molecular Biophysics 4. Force fields for molecular simulations 5. Introduction to the electrostatics of biological molecules 6. The Debye-Hückel theory and the Poisson-Boltzmann equation 7. The Tanford-Kirkwood model 8. Molecular modelling packages based on numerical solutions of the Poisson Boltzmann Equation 9. Molecular visualization and electrostatic maps 10. Thermodynamic perturbation 11. Molecular simulations: Monte Carlo method and Molecular Dynamics 12. Applications.

Forma de Avaliação:

Provas dissertativas (peso 60%) - NP = (prova 1*prova 2)^(1/2) - Trabalhos, relatórios e apresentação de seminários (peso 40%) - NT Será aprovado o estudante que atingir média igual ou superior a 5,0 (cinco). Nota final = NP*0,6 + NT*0,4 ≥ 5,0

Observação:

O conteúdo foi atualizado incluindo o tópico de dinâmica molecular com maior detalhamento do que vinha sendo abordado para facilitar a compreensão dos alunos dos métodos de simulação a pH constante. O número de horas de estudo individual foi ampliado, atendendo a várias reclamações dos estudantes, principalmente os oriundos de áreas mais biológicas.

Bibliografia:

1. R. Chang, "Physical Chemistry With Applications to Biological Systems", University Science Books, 2001; 2. T. Schlick, "Molecular Modeling and Simulation - An interdisciplinary guide", Springer, New York, 2002; 3. A. R. Leach, "Molecular Modelling - Principles and Applications", Longman, Singapore, 2001; 5 4. C. J. F. Böttcher, “Theory of Electric Polarization”, Elsevier, Amsterdam, 1980; 5. T. E. Creighton; “Proteins - Structures and Molecular Principles”, W. E. Freeman and Company, New York, 1993; 6. B. Jönsson, M. Lund e F. L. Barroso da Silva, "Electrostatics in macro-molecular solutions". In: E. Dickinson; M. E. Leser. (Org.). Food Colloids: Self-Assembly and Material Science. Cambridge: Royal Society of Chemistry, 2007, p. 129; 7. F. L. Barroso da Silva, B. Jönsson e R. Penfold; Prot. Sci., 10:1415-1425, 2001; 8. F. L. Barroso da Silva, L. G. Dias, Biophysical Reviews, v. 9(5), pp. 699–728, 2017. 9. F. L. Barroso da Silva, F. Sterpone, P Derreumaux, J. Chemical Theory and Computation, v. 15, pp. 3875-3888, 2019. 10. F. L. Barroso da Silva et al., Annual Review of Food Science and Technology, v. 11, pp. 365- 387, 2020. 11. S. A. Poveda-Cuevas, C. Etchebest, F. L. Barroso da Silva. J. Chemical Information and Modeling, v. 60, pp. 944-963, 2020. 12. J. Gu and P. E. Bourne, "Structural Bioinformatics", John Wiley & Sons, 2009.

Bibliography:

1. R. Chang, "Physical Chemistry With Applications to Biological Systems", University Science Books, 2001; 2. T. Schlick, "Molecular Modeling and Simulation - An interdisciplinary guide", Springer, New York, 2002; 3. A. R. Leach, "Molecular Modelling - Principles and Applications", Longman, Singapore, 2001; 5 4. C. J. F. Böttcher, “Theory of Electric Polarization”, Elsevier, Amsterdam, 1980; 5. T. E. Creighton; “Proteins - Structures and Molecular Principles”, W. E. Freeman and Company, New York, 1993; 6. B. Jönsson, M. Lund e F. L. Barroso da Silva, "Electrostatics in macro-molecular solutions". In: E. Dickinson; M. E. Leser. (Org.). Food Colloids: Self-Assembly and Material Science. Cambridge: Royal Society of Chemistry, 2007, p. 129; 7. F. L. Barroso da Silva, B. Jönsson e R. Penfold; Prot. Sci., 10:1415-1425, 2001; 8. F. L. Barroso da Silva, L. G. Dias, Biophysical Reviews, v. 9(5), pp. 699–728, 2017. 9. F. L. Barroso da Silva, F. Sterpone, P Derreumaux, J. Chemical Theory and Computation, v. 15, pp. 3875-3888, 2019. 10. F. L. Barroso da Silva et al., Annual Review of Food Science and Technology, v. 11, pp. 365- 387, 2020. 11. S. A. Poveda-Cuevas, C. Etchebest, F. L. Barroso da Silva. J. Chemical Information and Modeling, v. 60, pp. 944-963, 2020. 12. J. Gu and P. E. Bourne, "Structural Bioinformatics", John Wiley & Sons, 2009.

Tipo de oferecimento da disciplina:

Presencial

Class type:

Presencial