45090 - CHEMIOINFORMATICA

Scheda insegnamento

  • Docente Luca Evangelisti

  • Crediti formativi 4

  • SSD CHIM/02

  • Modalità di erogazione In presenza (Convenzionale)

  • Lingua di insegnamento Italiano

Anno Accademico 2017/2018

Conoscenze e abilità da conseguire

Al termine del corso, lo studente acquisisce le nozioni e gli strumenti informatici che sono utilizzati nell'ambito della gestione e dell'elaborazione di dati chimici e dell'estrazione di informazione da insiemi di dati. In particolare, lo studente: - rappresenta, costruisce e manipola strutture molecolari 2D e 3D; - utilizza i metodi di screening per la ricerca in archivi di dati; - conosce il concetto di farmacoforo e sa come si usa nella progettazione di nuovi farmaci; - sa applicare i metodi QSAR e QPAR a problemi semplici, conosce come si applicano tali metodi alla progettazione di nuove molecole con proprietà chimico fisiche e farmacologiche desiderate.

Programma/Contenuti

Prerequisiti: lo studente che accede a questo insegnamento deve essere in possesso di una buona preparazione nei fondamenti della fisica e della chimica

Contenuto della parte teorica:

1) Cenni di farmacologia

2) Rappresentazione 2D di molecole e reazioni chimiche:

- tavole di connettività

- notazioni lineari

- canonicalizzazione delle strutture molecolari

- mappatura degli atomi

3) Archivi di strutture 2D e di reazioni chimiche:

- ricerca di struttura tramite hash key

- ricerca di sottostruttura (algoritmo di Ullmann per la ricerca dell'isomorfismo di sottografo, metodi euristici, di back-tracking, di partizionamento, inverted bit-string files e hierarchical tree substructure search)

- metodi di filtraggio (chiavi strutturali e impronte digitali molecolari)

- determinazione del sito di reazione tramite ricerca del massimo comune sottografo

4) Rappresentazione e utilizzo di strutture molecolari 3D

- analisi e ricerca conformazionale

- concetto di farmacoforo e suo utilizzo nella progettazione di nuovi farmaci.

- metodi di mappatura del farmacoforo (analisi conformazionale sistematica vincolata, ensemble distance geometry, ensemble molecular dynamics, algoritmi gentetici, determinazione delle cricche, metodo della massima verosimiglianza)

5) Descrittori molecolari:

- coefficiente di ripartizione, costante di di idrofobicità, coefficiente di distribuzione, solubilità, rifrattività molare

- algoritmi per il calcolo del coefficiente di ripartizione basati sui frammenti e sugli atomi

- indici topologici, elettrotopologici, di connettività e di forma

- descrittori di forma 3D

6) Ricerca per similitudine:

- coefficienti di similitudine simmetrici (Tanimoto, Dice, Cosine, Simple Match)

- coefficienti di similitudine asimmetrici (Tversky)

- distanze (Soergel, Euclide, Hamming)

7) Cenni di statistica:

- valor medio, deviazione, devianza, varianza, deviazione standard

- regressione lineare, coefficiente di correlazione lineare

- regressione lineare multipla, gradi di libertà, test F, test t

- verifica e manipolazione dei dati (asimmetria, appiattimento e allungamento della distribuzione dalla forma gaussiana, sparpagliamento e correlazione dei dati)

8) Metodi QSAR/QSPR (Quantitative Structure Activity/Properties Relationship) e loro applicazione per la progettazione di nuove molecole con le proprietà chimico fisiche e farmacologiche desiderate:

- Equazione di Hammett. LFER. Modello di Hansch. Modello di Free e Wilson

- algoritmi di evoluzione (algoritmi genetici, strategie evolutive, programmazione evolutiva)

- analisi discriminante

- reti neurali e machine learning

- metodi di classificazione

- tecniche di raggruppamento

- analisi delle componenti principali

- metodo dei minimi quadrati parziali

- analisi dei campi molecolare (CoMFA, SRD, GOLPE)

9) Cenni ai metodi di docking molecolare

10) Tecniche di progettazione dell'esperimento:

- full e fractional factorial design

- D-optimal design

Contenuto della parte di laboratorio:

L1) Metodi informatici per la costruzione, la visualizzazione e la manipolazione di strutture chimiche

L2) Consultazione di database e metodi di manipolazione delle informazione

L3) Calcolo di descrittori molecolari e determinazione di relazioni lineari struttura-attività a partire dai descrittori molecolari

Testi/Bibliografia

Fondamentale sarà l'utilizzo di materiale distribuito dal docente (dispense) e delle diapositive presentate a lezione rese disponibili in rete (sul dispositivo istituzionale dei materiali didattici AMS Campus).

Per ulteriori approfondimenti si consigliano:

1) A.R. Leach, V.J. Gillet, "An introduction to chemoinformatics" ed. Springer

2) A.R. Leach, "Molecular modelling: principles and application" ed. Prentice Hall

3) J. Gasteiger and T. Engel (eds.),"An introduction to chemoinformatics (Structural databases and descriptors)" ed. Wiley-VCH

4) J. Gasteiger (ed.), "Handbook of chemoinformatics: from data to knowledge" ed. Wiley-VCH

5) Roberto Todeschini, "Introduzione alla chemiometria" ed. Edises

Metodi didattici

Il corso consta di due parti. La prima, teorica, è costituita da lezioni frontali in cui le nozioni vengono introdotte con il supporto della classica lavagna o della videoproiezione. La seconda parte prevede attività di laboratorio informatico atte alla applicazione delle nozioni acquisite nel corso della parte teorica. In dettaglio, vengono svolte tre esperienze sviluppate nell'arco di più incontri.

Modalità di verifica dell'apprendimento

La verifica dell'apprendimento avviene attraverso il solo esame finale, che accerta l'acquisizione delle conoscenze e delle abilità attese tramite lo svolgimento di una prova orale o scritta. La durata della prova orale è mediamente di 45 minuti ed è strutturata nel seguente modo:

- Trattazione di due argomenti svolti nel corso della parte teorica

- Discussione delle esperienze svolte in laboratorio

Il voto finale esprime una valutazione sui contenuti espressi durante la prova finale.

Strumenti a supporto della didattica

Lavagna, calcolatore portatile, videoproiettore, laboratorio informatico per le esercitazioni, connessione internet.

Fuori dalle ore di lezione del corso, gli studenti possono accedere al laboratorio informatico in presenza del docente.

Orario di ricevimento

Consulta il sito web di Luca Evangelisti