Zakončení předmětu: klasifikovaný zápočet

Výuka probíhá formou praktických cvičení, jejichž účast je povinná. Studenti pracují s dostupným softwarem na zadaných úlohách, jejichž výstupem jsou protokoly a závěrečný projekt. Nedílnou součástí kurzu je také e-learningová podpora s návody, prezentacemi a dalšími studijními materiály.

Předpokladem pro udělení klasifikovaného zápočtu je:

• Vypracování protokolů k praktickým úlohám v požadované kvalitě

• Zpracování a prezentace samostatného projektu (včetně písemné zprávy)

• Aktivní účast na cvičeních

The course is conducted in the form of practical sessions, and attendance is mandatory. Students work with available software on assigned tasks, which result in submitted reports and a final project. An integral part of the course is e-learning support, including tutorials, presentations, and additional study materials.

Requirements for obtaining graded credit:

• Submission of reports for practical assignments in the required quality

• Completion and presentation of an independent project (including a written report)

• Active participation in practical sessions

Doporučená:

• Christoph Sotriffer, Raimund Mannhold, Hugo Kubinyi, Gerd Folkers. Virtual Screening: Principles, Challenges, and Practical Guidelines. Weinheim: Wiley-VCH, 2011, 550 s. ISBN 978-3-527-63334-0.
• Frank Jensen. Introduction to Computational Chemistry, 2nd Edition. Chichester: Wiley-VCH, 2007, 624 s. ISBN 978-0-470-05804-6.
• Tamar Schlick. Molecular Modeling and Simulation: An Interdisciplinary Guide. New York: Springer , 2010, 768 s. ISBN 978-144196350.

Recommended:

• Frank Jensen . Introduction to Computational Chemistry, 2nd Edition. Chichester: Wiley-VCH, 624, s. ISBN 978-0-470-05804-6.
• Schlick, Tamar. Molecular modeling and simulation, an interdisciplinary guide. New York: Springer, 2010, xviii, 723 s. s. ISBN 978-1-4419-6350-5.
• Christoph Sotriffer, Raimund Mannhold, Hugo Kubinyi, Gerd Folkers . Virtual Screening: Principles, Challenges, and Practical Guidelines. Weinheim: Wiley-VCH, 2011, 550 s. ISBN 978-3-527-63332-6.

Výuka probíhá v počítačové učebně formou praktických cvičení. Kombinuje krátké teoretické úvody s aplikací získaných znalostí na konkrétních úlohách pomocí specializovaného softwaru. Studenti individuálně nebo ve dvojicích řeší úlohy zaměřené na modelování molekul, analýzu výstupů a interpretaci výsledků. Součástí kurzu je samostatný projekt, který propojuje více témat v uceleném výpočetním workflow.

Použité didaktické metody:

• Řešení praktických úloh s využitím výpočetního softwaru (Avogadro, Gaussian, SwissADME aj.)

• Práce ve dvojicích nebo menších skupinách (kooperativní učení)

• Projektová výuka (návrh, realizace a prezentace samostatného modelovacího projektu)

• Formativní hodnocení a průběžná zpětná vazba od vyučujícího

• Interaktivní diskuse a interpretace výsledků během cvičení

• E-learningová podpora (návody, datové soubory, prezentace, samostudium)

The course is taught in a computer lab in the form of practical sessions. It combines short theoretical introductions with the application of acquired knowledge to specific tasks using specialized software. Students work individually or in pairs to solve exercises focused on molecular modeling, output analysis, and result interpretation. An integral part of the course is an independent project that connects multiple topics into a comprehensive computational workflow.

Applied teaching methods:

• Solving practical tasks using computational software (Avogadro, Gaussian, SwissADME, etc.)

• Pair or small group work (cooperative learning)

• Project-based learning (design, execution, and presentation of an independent modeling project)

• Formative assessment and continuous feedback from the instructor

• Interactive discussion and interpretation of results during sessions

• E-learning support (tutorials, data files, presentations, self-study materials)

Předpoklady pro udělení klasifikovaného zápočtu:

• Vypracování protokolů k praktickým úlohám v odpovídající kvalitě

• Zpracování a prezentace samostatného projektu (včetně písemné zprávy)

• Aktivní účast na cvičeních

Hodnocení vychází z:

• Kvality odevzdaných protokolů

• Úrovně zpracování a prezentace projektu

• Celkové aktivity studenta během semestru

Requirements for obtaining the graded credit:

• Submission of lab reports for practical assignments in an adequate quality

• Completion and presentation of an independent project (including a written report)

• Active participation in practical sessions

Assessment is based on:

• Quality of submitted lab reports

• Level of preparation and presentation of the project

• Overall student engagement throughout the semester

1. Kreslení a interpretace chemických struktur - 2D zápis molekul, stereochemie, SMILES/InChI

2. Stavba a převod 3D struktur - Generování konformerů, práce s molekulárními formáty

3. Optimalizace geometrie a konformační analýza - Energetické profily a geometrická stabilita molekul

4. Predikce vlastností a ADMET analýzy - Fyzikálně-chemické vlastnosti, farmakokinetika, toxicita

5. Elektronová struktura – náboj a reaktivita - Nábojová analýza, elektrostatické mapy, Fukuiho indexy

6. Molekulové orbitaly a UV-Vis spektra - HOMO-LUMO, optické vlastnosti, vizualizace orbitalů

7. Spektrální vlastnosti I – NMR, IR, Raman - Simulace a interpretace klasických spekter

8. Spektrální vlastnosti II – vliv konformace, chiroptická spektra - CD, VCD a ORD spektra v závislosti na struktuře

9. Základy molekulové dynamiky (MD) - Pohyb molekul v čase, trajektorie, stabilita komplexů

10. Proteinové struktury – příprava, mutace, srovnání - Práce s PDB, analýza aktivních míst, overlay

11. Predikce struktur – AlphaFold a homologní modelování - Tvorba 3D struktur ze sekvence

12. Molekulární docking a afinitní odhady - Vazba ligand–protein, dockingové skóre, výpočet afinity

13. Samostatný projekt – návrh a workflow - Využití získaných dovedností na vlastním příkladu

14. Samostatný projekt – prezentace a odevzdání - Prezentace výsledků a závěrečná zpráva

1. Drawing and Interpretation of Chemical Structures – 2D molecular representations, stereochemistry, SMILES/InChI

2. Building and Converting 3D Structures – Conformer generation, working with molecular file formats

3. Geometry Optimization and Conformational Analysis – Energy profiles and structural stability of molecules

4. Property Prediction and ADMET Analysis – Physicochemical properties, pharmacokinetics, toxicity

5. Electronic Structure – Charge and Reactivity – Charge analysis, electrostatic maps, Fukui indices

6. Molecular Orbitals and UV-Vis Spectra – HOMO-LUMO gap, optical properties, orbital visualization

7. Spectroscopic Properties I – NMR, IR, Raman – Simulation and interpretation of classical spectra

8. Spectroscopic Properties II – Conformational Effects, Chiroptical Spectra – CD, VCD, and ORD spectra in relation to structure

9. Basics of Molecular Dynamics (MD) – Molecular motion over time, trajectories, complex stability

10. Protein Structures – Preparation, Mutation, Comparison – Working with PDB files, active site analysis, structural overlays

11. Structure Prediction – AlphaFold and Homology Modeling – 3D structure generation from sequence

12. Molecular Docking and Binding Affinity Estimation – Ligand–protein binding, docking scores, affinity calculations

13. Independent Project – Design and Workflow – Application of acquired skills on a selected case study

14. Independent Project – Presentation and Submission – Presentation of results and final report

http://www.vscht.cz/lam/new/chemodelovani.htm

http://www.vscht.cz/lam/new/chemsk_t_v10_CZa.pdf

http://www.vscht.cz/lam/new/nmr.pdf

http://www.vscht.cz/lam/new/nmr.pdf

Po absolvování tohoto předmětu budou studenti schopni popsat a aplikovat základní principy výpočetní chemie při modelování organických molekul a jejich interakcí s biologickými cíli. Budou schopni vytvářet a analyzovat 2D a 3D molekulární struktury, optimalizovat jejich geometrii, hodnotit konformační stabilitu a předpovídat fyzikálně-chemické a biologicky relevantní vlastnosti (např. rozpustnost, toxicitu, afinitu k proteinům).

Studenti získají dovednosti v používání nástrojů pro výpočty elektronové struktury, predikci spekter (NMR, UV-Vis, IR, CD), práci s proteinovými strukturami a molekulárním dockingem. Budou rovněž schopni navrhnout a realizovat jednoduchý výpočetní workflow zahrnující návrh molekuly, její optimalizaci a analýzu interakce s cílovou strukturou.

Upon completion of this course, students will be able to describe and apply fundamental principles of computational chemistry in the modeling of organic molecules and their interactions with biological targets. They will be able to construct and analyze 2D and 3D molecular structures, optimize their geometry, evaluate conformational stability, and predict physicochemical and biologically relevant properties (e.g., solubility, toxicity, protein affinity).

Students will gain proficiency in using tools for electronic structure calculations, spectral prediction (NMR, UV-Vis, IR, CD), protein structure handling, and molecular docking. They will also be able to design and carry out a basic computational workflow, including molecule design, optimization, and interaction analysis with a target structure.

Základní znalosti organické chemie, chemických struktur a principů molekulárních interakcí. Orientace v obecných pojmech fyziky a chemické termodynamiky (např. energie, rovnováha, mezimolekulární síly). Základní znalosti analytické chemie, matematiky a práce s počítačem.

Basic knowledge of organic chemistry, chemical structures, and principles of molecular interactions. Familiarity with general concepts of physics and chemical thermodynamics (e.g., energy, equilibrium, intermolecular forces). Basic understanding of analytical chemistry, mathematics, and computer skills.

Žádné.

None