QBQ5782: Simulação Computacional de Biomoléculas

Notas e slides de aula, links e exercícios para disciplina de pós-graduação QBQ5782 ministrada pelo Prof. Guilherme M. Arantes  (Bloco 9, sala 0915):

• Informações introdutórias;
• Itens abaixo marcados com asterisco (*) representam leituras avançadas que podem ser puladas sem perda de continuidade do curso;
• Guia Foca Linux;
• Conceitos fundamentais em física e físico-química:
  • Estrutura da Matéria (por Roberto Ribas). Leia principalmente o Cap. 1 até 1.5, Cap. 5, Cap. 6, Cap. 7 até 7.1 e Cap. 8;
  • Forças intermoleculares (extraído de VanHolden et al.);
  • Introdução conceitual à física estatística de biomoléculas (por D.M. Zuckerman);
  • Slides com duas relações básicas da termodinâmica e da cinética química.
• Livro texto: A Practical Introduction to the Simulation of Molecular Systems, Martin J. Field, 2a. edição, 2007 [Amazon UK, Amazon US, CUP]. Este livro é nosso principal material didático e referência do curso. Consulte-o sempre em primeiro lugar. Outros textos mencionados aqui são complementares ao livro;
• Biblioteca pDynamo. Principal conjunto de programas usado ao longo do curso;
• Python (Cap.1 do livro texto):
  • Slides pythonBasics (por M.J. Field) com lista de exercícios 1;
  • iPython e Jupyter: Console interativo e caderno de laboratório em Python.
  • Tutorials Point: Guia com comandos e sintaxe básica de Python, em linguagem bastante acessível;
  • (*) Learning to program: Livro-texto acessível para o iniciante. Vai até conceitos um pouco avançados como Orientação por Objetos (OOP);
• Modelos e representações (Cap. 2):
  • Slides de aula;
  • Cap. 2 da minha tese de livre docência, Bioquímica e Biofísica Computacionais, contém uma breve discussão geral sobre modelos em ciência e uma introdução sobre modelagem molecular;
  • (*) Hierarquias de modelagem (por H.C. Berendsen);
  • (*) Revisão sobre o formato PDB.
• Conectividade e operações com coordenadas (Cap. 3):
  • Lista de exercícios 2: exercícios 2.1 e 3.1 do livro texto (Field);
  • Programas para visualização (formatos PDB, XYZ, etc.): PyMol, VMD, Molden;
  • (*) Checagem e reparo de estruturas proteicas: WhatIF server e Modeller;
• Química quântica (Cap. 4):
  • Seção 1.4 da minha tese de doutorado contém um resumo sobre conjuntos base e cálculo de estrutura eletrônica ab initio e semiempírico;
  • (*) Revisão sobre bases gaussianas e integrais eletrônicas (por. P.R. Taylor e T. Helgaker);
  • Breve revisão dos conceitos e dicas de utilização: Slides de aula;
  • Lista de exercícios 3: exercícios 4.1 e 4.2 do livro texto. Em 4.1, use pelo menos duas moléculas di- ou tri-atômicas (exceto água) heteronucleares;
• Mecânica molecular (Cap. 5):
  • Termos energéticos e sua origem física: Slides de aula;
  • (*) Introdução à Teoria de forças intermoleculares (extraído de A.J. Stone);
  • (*) Teoria de perturbação adaptada por simetria (SAPT, por B. Jeziorski, R. Moszynski e K. Szalewicz);
  • (*) A definição e a implementação de um campo de força com o pDynamo podem ser complicadas. Veja algumas dicas:
    • Geração de campo de força com o pDynamo ou pela leitura de arquivo externo;
    • Preparação de um sistema a partir de arquivo PDB;
    • Preparação de sistema e modelo MM (topologia) pelo programa GROMACS versões 3 e 4. A sintaxe de alguns comandos mudou nas versões 5 e 2016, mas a estrutura do tutorial continua válida;
  • Lista de exercícios 4: exercícios 5.2 e 5.3 do livro texto.
• Exploração de superfícies de energia (Cap. 7):
  • Slides de aula;
  • Seção 1.5 da minha tese de doutordado contém uma breve e genérica discussão sobre métodos de otimização de parâmetros;
  • Lista de exercícios 5 : exercício 7.2 até o desenho do gráfico de contorno (que pode ser feito com o matplotlib ou o gnuplot).
• Dinâmica molecular (Cap. 9-11):
  • Lista de exercícios 6 : exercícios 9.1 e 9.2 do livro texto;
  • (*) Artigo com derivação das equações de Ewald para tratamento eletrostático periódico;
  • (*) Mini-revisão sobre outros métodos para cálculo de intereações eletrostáticas;
  • Avaliando a qualidade de uma simulação;
  • Lista de exercícios 7 e arquivo coords.csv ;
  • Lista de exercícios 8: exercício 11.2. A simulação no ensemble microcanônico refere-se àquela do Exemple20.py;
  • (*) Mini-revisão sobre potencial de força-média (PMF);

• Nota final do curso será composta (50%) pela média dos exercícios e (50%) por um trabalho/relatório;
• Trabalho final será um projeto de cálculo ou simulação computacional com um sistema e metodologia de sua escolha. Tarefas e datas de entrega:
  • Escolha do sistema e proposta inicial de simulação (conversa com o professor);
  • Apresentação parcial com esboço do programa de simulação (por escrito);
  • Relatório final com o código do programa, seu output e análise/discussão detalhada (por escrito);