Bioinformatica strutturale e modellistica molecolare

A.A. 2019/2020
Insegnamento per
10
Crediti massimi
88
Ore totali
SSD
BIO/10 CHIM/06 CHIM/08
Lingua
Italiano
Obiettivi formativi
Le unità didattiche di Metodologie computazionali e Modellistica molecolare si prefiggono di fornire allo studente le nozioni necessarie per comprendere i fondamenti teorici (3 CFU) e gli ambiti nei quali la chimica computazionale applicata al drug design (3 CFU) può trovare valide applicazioni sia in campo accademico sia industriale, così da imparare a valutare criticamente la qualità dei risultati anche sulla base dei limiti di tali metodologie. Durante l'unità didattica di Bioinformatica Strutturale verrà presentata una panoramica delle tecniche bioinformatiche utili per affrontare l'analisi di proteine, principali bersagli farmacologici e costituenti dei farmaci biotecnologici, introducendo gli studenti alla logica e alle basi teoriche su cui si basano gli approcci computazionali più usati (3 CFU). Al corso sono associate 16 ore di esercitazione a posto singolo in aula di informatica (1 CFU).

Struttura insegnamento e programma

Edizione attiva
Responsabile
Moduli o unità didattiche
Bionformatica strutturale
BIO/10 - BIOCHIMICA - CFU: 0
CHIM/06 - CHIMICA ORGANICA - CFU: 0
CHIM/08 - CHIMICA FARMACEUTICA - CFU: 0
Esercitazioni di laboratorio a posto singolo: 16 ore
Lezioni: 24 ore
Docente: Eberini Ivano

Metodologie computazionali nello sviluppo biofarmaceutico
BIO/10 - BIOCHIMICA - CFU: 0
CHIM/06 - CHIMICA ORGANICA - CFU: 0
CHIM/08 - CHIMICA FARMACEUTICA - CFU: 0
Lezioni: 24 ore
Docente: Vistoli Giulio

Modellistica molecolare: metedologie di base
BIO/10 - BIOCHIMICA - CFU: 0
CHIM/06 - CHIMICA ORGANICA - CFU: 0
CHIM/08 - CHIMICA FARMACEUTICA - CFU: 0
Lezioni: 24 ore

Prerequisiti e modalità di esame
È prerequisito aver accumulato almeno:
3 CFU del settore INF/01
3 CFU dei settori MAT e FIS
4 CFU del settore CHIM/06
6 CFU del settore BIO/10 o BIO/11 o BIO/12

L'esame sarà diviso in due parti: una prova pratica iniziale e, nel caso la prova abbia esito positivo, una prova orale basata sulla verifica della comprensione ed elaborazione del programma svolto a lezione.
Metodi didattici
Lezioni frontali ( 3 x 3 CFGU)
Esercitazioni a posto singolo in aula informatica (1 CFU)
Bionformatica strutturale
Programma
1. La biologia essenziale
2. L'informatica essenziale
3. La statistica essenziale
4. L'evoluzione biologica
5. Allineamenti tra sequenze
6. Alberi filogenetici
7. Piattaforme di sequenziamento degli acidi nucleici
8. Ricostruzione e annotazione dei genomi
9. Metodi bioinformatici per l'analisi di sequenze proteiche
10. Strutture proteiche
11. Interazioni proteiche
12. Esercitazioni in aula di informatica (1 CFU)
Materiale didattico e bibliografia
Manuela Helmer Citterich, Fabrizio Ferrè, Giulio Pavesi, Chiara Romualdi, Graziano Pesole. Fondamenti di bioinformatica. Biologia Zanichelli 2018
Modellistica molecolare: metedologie di base
Programma
1. Introduzione alla Meccanica Quantistica:
a. L'equazione di Schrödinger
b. La funzione d'onda
c. L'operatore Hamiltoniano
d. Le principali approssimazioni nel calcolo QM (BO, HF, LCAO)
e. Il set di basi
f. Il ciclo SCF
g. La superficie di energia potenziale e l'ottimizzazione di geometria
j. I metodi QM nel calcolo delle proprietà molecolari (metodi ab-initio, semiempirici e DFT)

2. Introduzione alla Meccanica Molecolare
a. I campi di forza
b. I modelli solvente e le condizioni periodiche
c. L'ottimizzazione di geometria

3. La ricerca conformazionale (CS)
a. Metodi di CS sistematici
b. Metodi di CS stocastici

4. La Dinamica Molecolare (MD)
a. Le equazioni del moto e il calcolo di una traiettoria
b. Gli insiemi microcanonico (NVE), canonico (NVT) e isotermico-isobarico (NPT)
c. L'analisi della traiettoria (profili energetici, RMSD, RMSF, parametri geometrici, legami a idrogeno, analisi dei cluster, analisi delle componenti principali)
d. Applicazioni e limiti della MD

5. Le tecniche di campionamento potenziato nelle simulazioni MD
a. Richiami di termodinamica statistica
b. Simulated annealing
c. Umbrella sampling
d. Replica exchange MD
e. Metadinamica
f. MD accelerata

6. Calcolo dell'energia libera in sistemi complessi
a. Il potenziale della forza media (PMF)
b. Le perturbazioni alchemiche (Free Energy Perturbation e Thermodynamic Integration)
c. I metodi "end-point" (LIE e MM-PBSA)
Materiale didattico e bibliografia
Il docente fornirà materiale didattico sufficiente per affrontare l'esame. Tuttavia, per uno studio più approfondito degli argomenti trattati a lezione si consigliano i seguenti testi:
· A. R. Leach, Molecular Modelling: Principles and Applications. Prentice Hall College Div 2001
· K. A. Dill & S. Bromberg, Molecular Driving Forces, Statistical Thermodynamics in Chemistry and Biology. Garland Science, 2002
Periodo
Secondo semestre
Periodo
Secondo semestre
Modalità di valutazione
Esame
Giudizio di valutazione
voto verbalizzato in trentesimi
Docente/i
Ricevimento:
Lun - Ven dalle 14.00 alle 17.00 previo appuntamento
Dipartimento di Scienze Farmaceutiche, via Venezian, 21, edificio 5, lato ovest, terzo piano
Ricevimento:
Su appuntamento
Dipartimento di Scienze Farmacologiche e Biomolecolari, Via Giuseppe Balzaretti, 9 - 20133 Milano
Ricevimento:
previo appuntamento