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Dipartimento di Fisica

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Biofisica Computazionale (Lezioni ed Esercitazioni)

Corso di Studio:Corso di Studio: , Anno Accademico 2014/2015

_INSEGNAMENTI_SSD1 Sett. Scien./disciplinare: FIS/07

Tipologia Attività Formativa: Tipologia Attività Formativa: Altre attività formative

Ambito Disciplinare: Ambito Disciplinare: A scelta dello studente

Docente:Docente: Rizzuti Bruno

Tipologia di Copertura: Tipologia di Copertura: Affidamento Gratuito

CFU CFU: 5

Periodo didattico: Periodo didattico: Secondo Semestre

Anno Corso: 2

Ore di lezione: Ore di lezione: 32

Ore di esercitazione: Ore di esercitazione: 12

Ore di studio individuale: Ore di studio individuale: 81

Informazioni sull'insegnamento: Informazioni sull'insegnamento:


Programma

ITALIANO

Parte 1. - Introduzione: proprietà strutturali e dinamiche tipiche dei sistemi di interesse biologico, classificazione e cenni storici sullo sviluppo delle simulazioni al calcolatore. Dinamica molecolare: caratteristiche della tecnica, vantaggi e aspetti critici, esempi di applicazione.

Parte 2. - Richiami di termodinamica e meccanica statistica. Simulazione delle proprietà di bulk di un sistema: condizioni al contorno periodiche, uso di cut-off. Integrazione delle equazioni del moto, scelta dell'algoritmo e del time-step. Campionamento in differenti ensemble: impiego di termostati e barostati.

Parte 3. - Modellizzazione delle interazioni atomiche: forze di legame/non-legame, uso di constraints, interazioni di van der Waals ed elettrostatiche, modelli per la molecola d'acqua e per altri solventi. Force-field e pacchetti di simulazione più comuni, differenze e analogie nelle funzioni empiriche utilizzate, trasferibilità dei parametri.

Parte 4. Set-up di una simulazione di dinamica molecolare: modellizzazione di un sistema biologico, minimizzazione energetica, annealing, equilibrazione, produzione dei dati. Analisi delle traiettorie di simulazione: proprietà complessive del sistema, proprietà strutturali e dinamiche delle biomolecole e del solvente.

Parte 5. - Nozioni di base su metodi di simulazione avanzata. Tecniche di campionamento accelerato. Cenni su altri tipi di simulazioni: metodo Monte Carlo, metodologie QM/MM, simulazioni di tipo coarse-grain.

ENGLISH

Part 1. – Introduction: structural and dynamic properties typical of systems of biological interest, classification and historical notes on the development of computer simulations. Molecular dynamics: features of the technique, advantages and critical aspects, examples of application.

Part 2. – References of thermodynamics and statistical mechanics. Simulation of bulk properties of a system: periodic boundary conditions, use of cut-off. Integration of the equations of motion, choice of the algorithm and time-step. Sampling in different ensembles: use of thermostats and barostats.

Part 3. – Modeling of atomic interactions: bonded/non-bonded interactions, use of constraints, van der Waals and electrostatic interactions, models for the water molecule and other solvents. The most common force-field and simulation packages, differences and similarities in the empirical functions used, transferability of parameters.

Part 4. Set-up of a molecular dynamics simulation: modeling of a biological system, energy minimization, annealing, equilibration, data production. Analysis of the simulation trajectories: overall properties of the system, structural and dynamical properties of biomolecules and solvent.

Part 5. – Basic notions of advanced simulation methods. Accelerated sampling methods. Outline of other types of simulations: Monte Carlo method, QM/MM methodologies, coarse-grain simulations.

Testi di riferimento

A. R. Leach, Molecular modelling: Principles and applications, Addison Wesley Longman, Essex, England, 2001 (2° edizione), (ISBN 0-582-38210-6);
T. Schlick, Molecular modeling and simulation: An interdisciplinary guide, Springer, New York, 2010 (2° edizione), (ISBN 0-387-95404-X).;
D. van der Spoel, E. Lindahl, B. Hess, and the GROMACS development team, GROMACS User Manual (versione 4.6), 2013, (http://www.gromacs.org/Documentation/Manual);
W. Humphrey, A. Dalke, K. Schulten, K., VMD (Visual Molecular Dynamics) user's guide (versione 1.9.1), 2012, (http://www.ks.uiuc.edu/Research/vmd).

Modalità di verifica dell'apprendimento

ITALIANO - Prova orale

ENGLISH - Oral exam

Obiettivi formativi

ITALIANO
Competenza nel campo della fisica computazionale applicata ai sistemi di tipo biologico, con particolare riguardo per le tecniche di Dinamica Molecolare classica. Capacità di base nell’utilizzo di comuni programmi di simulazione di Dinamica Molecolare.

ENGLISH
Competence in the field of computational physics applied to biological systems, regarding in particular the techniques of classical Molecular Dynamics. Basic capacity in the use of common simulation programs of Molecular Dynamics.

Note

Lingua d'insegnamento: Italiano
Modalità di erogazione: Frontale
Modalità di frequenza: Obbligatoria

Commissione d'esame
Presidente Bruno Rizzuti
Commissari Rosa Bartucci, Rita Guzzi, Luigi Sportelli

Anno Accademico