Quantum chemistry applications - chemical Reactions in Condensed Phase and Enzymes - MC260P131

• Title: Aplikace kvantové chemie - modelování chemických reakcí v kondenzované fazi a enzymech
• Czech title: Aplikace kvantové chemie - modelování chemických reakcí v kondenzované fazi a enzymech
• Guaranteed by: Department of Physical and Macromolecular Chemistry (31-260)
• Faculty: Faculty of Science
• Actual: from 2022
• Semester: summer
• E-Credits: 3
• Examination process: summer s.:
• Hours per week, examination: summer s.:2/0, Ex [HT]
• Capacity: unlimited
• Min. number of students: unlimited
• 4EU+: no
• Virtual mobility / capacity: no
• State of the course: taught
• Language: Czech
• Note: enabled for web enrollment
• Guarantor: prof. Mgr. Lubomír Rulíšek, DSc.
• Incompatibility : MC260P87

Annotation

Počítačové modelování chemických a biochemických procesů, především organické a bioanorganické reaktivity včetně enzymových reakcí, tvoří neodělitelnou součást našeho porozumění těmto procesům na atomové či dokonce elektronové úrovni. Náplní tohoto kurzu je seznámení se s moderními metodami teoretické a výpočetní chemie, které mohou vést k dosažení tohoto cíle. Důraz je kladen na kombinované metody kvantové mechaniky a molekulové mechaniky (QM/MM), praktické používání statistické mechaniky včetně teorie tranzitního stavu a jeho vztahu k reaktivitě a seletivitě, vysvětlení principů moderních solvatačních metod, použití molekulové dynamiky ke statistickému vzorkování fázového prostoru, srovnávání vypočtených dat s experimentálními daty a kritické zhodnocení vhodnosti jednotlivých metod pro řešení praktických problémů. V neposlední se v kurzu zmíní i redoxní procesy v bioanorganických systémech a způsoby jejich teoretického popisu. Přednášky jsou vedeny - po dohodě - v angličtině.

Last update: Zusková Iva, doc. RNDr., CSc. (18.03.2019)

Literature

F. Jensen: Introduction to Computational Chemistry, Wiley, 1999.

Christopher J. Cramer: Essentials of Computational Chemistry: Theories and Models, Wiley, 2004.

A.R. Leach: Molecular Modelling: Principles and Applications

Robert A. Copeland: ENZYMES: A Practical Introduction to Structure, Mechanism, and Data Analysis

W. Thiel, H. M. Senn: QM/MM Methods for Biological Systems. Top Curr Chem (2007) 268: 173–290

A. Warshel: Computer Modeling of Chemical Reactions in Enzymes and Solutions, Wiley, 1997.

Last update: Zusková Iva, doc. RNDr., CSc. (18.03.2019)

Requirements to the exam

Zkouška se koná formou vypracování domacích úkolů zadaných na konci kurzu a krátkým ústním pohovorem. Od studenta se požaduje hlubší porozumění studované problematice,
tj. základním principům enzymové katalýzy a chemické reaktivity, bez nutnosti detailní znalosti všech rovnic a jejich odvození.

Last update: Zusková Iva, doc. RNDr., CSc. (18.03.2019)

Syllabus

1/ Quantum Mechanics: Key Concepts, Methods, and Machinery 

2/ Molecular Mechanics: Key Concepts, Methods, and Machinery 

3/ Solvation Methods: Polarized Continuum Methods (PCM, COSMO, COSMO-RS), Explicit Solvation 

4/ QM/MM Methods and Energy Minimization: Background, Theory, Applications, and Examples 

5/ Statistical Thermodynamics: Essential Concepts (Partition Functions, Boltzmann Population, Entropy, Enthalpy, Free Energy) 

6/ Free Energy Perturbation (Thermodynamic Integration) and PMF Methods: Concept, Theory, Applications 

7/ Transition State Theory: Eyring Equation (Theory, Applicability and Limitations, Kinetic Isotope Effects, Tunneling Correction), More Advanced Theories (Variational Transition State Theory) 

8/ Concepts in (Bio)Catalysis: Kinetic/thermodynamic correlations (BEP principle, Westheimer Effect); Marcus Theory for Electron Transfer and Beyond, adiabatic versus non-adiabatic reaction dynamics; Applications 

9/ Modelling Chemical Reactions in Solution vs. Enzymes: Theory and Applications (Reaction Mechanisms: Search for Transition States, Search for Rate-Determining Step in Multistep Reactions), Metals in Solution vs Enzymes (Entantic States, Electronic Structure Contributions to Reactivity), Reaction Selectivity - Case Studies (eg. C-H bond Activation, hydroxylation vs. halogenation vs. desaturation).

Last update: Zusková Iva, doc. RNDr., CSc. (18.03.2019)