Molekylär och statistisk mekanik
From Carls wiki
Har pluggat färdigt och skrivit tentan. Hur aktivt uppdaterad den här sidan blir i framtiden beror på om jag klarade tentan eller inte. Godkändgränsen är 16 poäng; en uppskattning är att jag får 17 poäng.
Kursbeskrivning
Från kursdatabasen.
Molekylär och statistik mekanik, 4 poäng
Molecular and statistical mechanics
1MB280
Kursplanen är fastställd 1994-04-19 av Teknisk-naturvetenskapliga fakultetsnämnden och senast reviderad 2003-06-18 av teknisk-naturvetenskapliga fakultetsnämnden. (Man kan fråga sig om Teknisk-naturvetenskapliga fakultetsnämnden har tagit beslut någon gång mellan 1994 och 2003 om att stava sitt namn med liten bokstav //CM)
Kursens placering i utbildningsprogram
Kursen ges inom Civilingenjörsprogrammet
Studieperiod
Kursen ges i Period 3
Mål för utbildningen
Att ge kunskap om moderna datorsimuleringsmetoder för att studera molekylers mekanik och dynamik. Statistisk mekanisk teori och tillämpningar på molekylära system. Att introducera studenten till en integrerad datorsimuleringsmiljö för att analysera biomolekylers struktur, funktion och dynamik.
Kursens innehåll
Maxwell-Boltzmann-fördelningar, ensembler, molekylära och kanoniska tillståndssummor, kinetisk gasteori, transition-state teori, konfigurationsfördelningar, icke-ideala gaser, enkla vätskor, analytiska kraftfält för växelverkande system, energioptimering, Monte Carlo-metoder, molekyldynamiska (MD) simuleringsmetoder och algoritmer, termodynamiska störningsmetoder.
Laborationer: Kraftfält och små molekylers dynamik, potentiella energiytor, energiminimering och konformationsanalys, MD-simuleringar av vatten och små peptider, radiella distributionsfunktioner, MD-simulering av proteiner, fria-energi simuleringar, drug design.
Särskild behörighet
Algebra och geometri. Analys. Mekanik I. Termodynamik. Kvantmekanik. Organisk kemi med analytiska tekniker. (Jäpp. Mhm. Ja. Nix. Nej. Uh-uh. // CM)
Undervisningsform
Föreläsningar, laborationer.
Examinationsform
Skriftligt prov vid kursens slut. För att kursen skall bedömas med betyget godkänd fordras att laborationerna bedömts godkända. Två extra provtillfällen anordnas varje läsår, vid terminens slut och i augusti.
Betyg
Något av betygen underkänd (U), godkänd (3), icke utan beröm godkänd (4) och med beröm godkänd (5)
Övriga föreskrifter
Kurslitteratur
Atkins P.W.: Physical Chemistry, 6 th ed., Oxford University Press, 1998. Grant G H & Richards W G: Computational Chemistry, Oxford University Press, 1996. Stenciler.
Nivå
Kursen ges på C-nivå
Ämne
Kursen ges inom huvudämnet Teknik
Kursansvarig institution
Institutionen för biologisk grundutbildning
Från kurshemsidan.
Introduktion
Välkommen till denna ämnesöverbryggande kurs! Äntligen ett bra tillfälle att tillämpa kunskaper från tidigare kurser i matte, kemi, fysik, biologi och data. Som namnet ger en vink om består kursen av två delar:
- Statistisk mekanik relaterar mikroskopiska system, som beskrivs med kvantmekanik, med makroskopiska system, som beskrivs med termodynamik. Under föreläsningarna kommer vi att härleda de termodynamiska lagarna utifrån kvantmekaniken.
- Molekylär mekanik är, jämfört med kvantmekaniken, ett enklare sätt att beskriva molekylers beteende. Med kvantmekaniska metoder går det ännu bara att beskriva ganska små system. Med hjäp av molekylmekanik kan man däremot simulera makromolekylers (t ex proteiners och DNAs) beteende och genom att använda statistisk mekanik tillsammans med molekylmekanik kan man räkna ut till exempel bindningskonstanter mellan potentiella läkemedelsmolekyler och receptorer. Dessa metoder fungerar förvånansvärt bra, och används ofta i forskning i både akademi och industri.
Kursmomenten består av föreläsningar, räkneövningar, laborationer, inlämningsuppgifter och en avslutande skriftlig tentamen. Kurslitteratur är Atkins Physical Chemistry, Oxford University Press samt Grant och Richards Computational Chemistry, Oxford science publications. På räkneövningarna kommer vi att räkna uppgifter ur Atkins samt från gamla tentor. Du kommer att få ut ett kompendium med bra räkneuppgifter. Mot slutet av kursen kommer tre gamla tentor med lösningar att delas ut.
Den praktiska delen av kursen består av datorlaborationer i PC-rummet (A11:0). Dessa laborationer behandlar molekylär mekanik. De första labbtillfällena går ut på att bekanta sig med datorprogrammet som vi senare använder till att räkna ut saker med. De fem första labbarna redovisas genom att man fyller i de labbkompendier som delats ut. Den sjätte och sista labben är en projektlabb som görs självständigt och till denna vill vi ha in en fullständig labbrapport. Man labbar två och två och vi vill endast ha in en labbrapport per grupp. Om du är borta vid något labbtillfälle, vill vi naturligtvis att du lämnar in en egen labbrapport.
Innan första labbtillfället kommer vi att samla in "Aminosyrornas underbara värld". Detta är en kort repetition av den grundläggande biokemin och går att lösa genom att slå i en biokemibok, t ex Stryers Biochemistry. Det rekommenderas varmt att göra denna uppgift ordentligt eftersom det underlättar vid de laborationerna.
Kurskoppling
Från IBGs kurskopplingssida för kursen.
Allmänt om kursens innehåll
Kursen består av de två huvuddelarna molekylär mekanik och statistisk mekanik. Molekylär och statistisk mekanik ligger i kärnan av programmet och den knyter samman flera kurser än någon annan. Den tillämpar fysikens och matematikens lagar för att kvantitativt förklara biologiska och kemiska processer och metoder för att simulera molekylära system lärs ut. Kursen utgör en naturlig länk mellan bioinformatik och strukturbiologi som kan anses vara två av programmets huvudblock.
Den statistiska mekaniken är till stora delar känd från termodynamiken, fast begreppen tål att upprepas ett antal gånger; till sist tror man i alla fall att man kan det. Teorin för ensembler, fria energier och entropi är krävande men viktiga för teoretisk förståelse. Beräknande av jämviktskonstanter ur molekylära tillståndssummor och fördelningen av molekyler ger en omedelbar praktisk tillämpning. Beskrivningar av energin i bindningar och interaktioner leder till den termodynamiska konfigurationsintegralen som tar hänsyn till ickeideala interaktioner. Detta gör att man med vissa antaganden kan behandla även mycket ickeideala gaser såsom vätskor.
Den radiella distributionsfunktionen, som kan fås genom experiment eller datorsimuleringar av molekyler i ett kraftfält, tillåter beräkningar av termodynamiska storheter. Transition-state teori tolkas i termer av termodynamiska cykler och befinns användbar. Genom introduktionen av små störningar kan så fria-energiskillnder beräknas.
I molekylmekanikdelen studeras modeller för molekylers rörelser och hur dessa kan simuleras med hjälp av datorer. Under denna del av kursen studeras valet av olika approximativa potentialfunktioner för interaktioner mellan atomer, såsom kemisk bindning. Dessutom behandlas några generella optimeringsmetoder som appliceras för att finna minima i mångdimensionella energilandskap.
Användningen av en integrerad datormiljö för molekylära beräkningar är ett viktigt inslag i kursen. Programvara för molekyldynamik används mycket flitigt inom flera sektorer av den molekylärbiologiska forskningen och industrin, t ex för dockningar av potentiella inhibitorer med målprotein i rationell läkemedelsdesign.
Nyttiga förkunskaper
Kursen utnyttjar våra förkunskaper mycket väl varför många bitar faller på plats.
Ellära ger grunden för att behandla kraftfält kring atomer och interaktion mellan dipoler.
Newtonska rörelselagar från Mekanik tillämpas för molekyldynamiksimuleringar.
Organisk kemi bidrar med nomenklatur för aminosyror och andra organiska föreningar.
Linjär algebra ger grunden för matmatisk beskrivning av systemen lämpad för datorbehandling. Vektorer är nödvändiga för behandling av de extremt högdimensionella system som uppkommer då man beskriver ett molekylärt systems tillstånd. Kvadratiska former kommer in då man studerar parinteraktioner.
Från Analysen igenkänns Jacobianen och Hessianen i olika optimeringsmetoder, och taylorutvecklingar används naturligt nog.
Ordinära differentialekvationer används naturligtvis i kursen för att beskriva dynamiken som uppkommer då krafter sätter molekyler i rörelse.
Termodynamiken har en särställning som förkunskap i och med att stora del av den statistiska mekaniken är utvecklad från denna kurs. Kunskaper om tillståndsfunktioner, ensembler, termodynamiska cykler, fria energier etc. bekräftas och förstärks.
Matematisk statistik är av avsevärd betydelse för egenskaperna hos molekylära system eftersom många händelser sker slumpmässigt och det som regel är oerhört många molekyler inblandade. Mer konkret används t ex. fördelningsfunktioner och väntevärden.
Atom- och molekyl fysik ger en stabil bakgrund till resonemang kring energinivåer och olika typer av potentialer för atom- och molekylmodeller.
Grundläggande kemi ger den första inblicken i användbarheten av fria energier, Arrheniusekvationen och jämviktskonstanter.
Molekylär bioinformatik bör skänka insikt om det oerhörda behovet av bra algoritmer för att utnyttja den överväldigande informationsmängd som återfinns i strukturdatabaserna.
Numerisk analys ger grundvalen för de optimeringsmetoder som presenteras och förståelse för implementation av algoritmerna.
Programmeringsteknik ger datorvana, samt färdighet i C++ som används i den valbara Monte Carlo simuleringsuppgiften.
Fysikens matematiska metoder bidrar med förståelse för hur viktiga rand-, begynnelse- och begränsningsvilkor är för hur systemet skall bete sig.
Kopplingar till senare kurser
Termodynamiken kommer genast till användning inom biofysikalisk kemi, där man framförallt koncentrerar sig på den kemiska potentialen och inför ny teori för laddade molekyler. Även transition-state teorin utvecklas vidare och fler tillämpningar, såsom katalytiska antikroppar, presenteras. Dessutom känns delar av molekyldynamiken och den kinetiska gasteorin igen i resonemangen kring diffusion och Langevin-ekvationer.
System av linjära differentialekvationer kommer till användning i Reglerteknik, Molekylär reglerteknik, Simulering och operationsanalys och Neuronnät.
Optimeringsmetoder såsom konjugerade-gradient-metoden och simulated annealing kommer till användning nästan oavsett vad man håller på med, men inom programmet särskilt på kurserna Neuronnät och Molekylär reglerteknik.
Strukturbiologisk programvara är bra att ha känt på innan man kommer till NMR och Röntgenkristallografi.
Kommentarer från äldre studenter
Av flera ansedd som programmets bästa kurs; i och med denna kurs kommer vår kompetens till sin rätt.
Kursen är förkunskapskrav till ett flertal senare kurser, men tyvärr utnyttjas inte dessa förkunskaper fullt ut.
Återkoppling
För att kurskopplingsprojektet ska bli interaktivt och fortsätta att utvecklas är vi mycket intresserade att få återkoppling på texten. Har du synpunkter på innehållet eller förslag till förnyelser, skriv ett mail till:
