Požadavky ke studiu

Požadavky ke SZZ – program Biochemie

Specializace Biomolekulární chemie

Státní závěrečná zkouška se skládá z jednotlivě klasifikovaných částí, a to obhajoby diplomové práce a ústní zkoušky ze tří okruhů

Obhajoba diplomové práce

Vlastní obhajoba diplomové práce se sestává z 15minutové prezentace, v rámci které uchazeč seznámí státnicovou komisi a vědeckou veřejnost s tématem práce, řešenými problémy, použitými metodami řešení a získanými experimentálními výsledky. Následně student reaguje na připomínky obsažené v posudcích vedoucího a oponenta práce a odpovídá na dotazy vznesené v průběhu obhajoby. Hodnocení uchazeče je stanoveno na základě hodnocení v posudcích, na vlastním průběhu obhajoby a schopnosti studenta odpovídat na položené dotazy.

Ústní zkouška a její okruhy

Vysvětlivka: Čísla za otázkou odkazují na kód příslušného předmětu, případně doplněný bodem osnovy. Kódy povinných předmětů jsou vytištěny tučně.

  • Pokročilá biochemie a její metody

  • Molekulové modelování a bioinformatika

  • Experimentální metody strukturní biologie

 

 

Předsedající člen

Interní členové

prof. Mgr. Lukáš Žídek, Ph.D.

doc. RNDr. Radovan Fiala, CSc.

prof. RNDr. Jaroslav Koča, DrSc.

doc. Mgr. Karel Kubíček, PhD.

doc. Mgr. Pavel Plevka, Ph.D.

 

doc. Mgr. Richard Štefl, Ph.D.

doc. RNDr. Robert Vácha, PhD.

prof. RNDr. Michaela Wimmerová, Ph.D.

Pokročilá biochemie

  • Voet D, Voet JG. Biochemistry. 5th ed. Hoboken. John Wiley & Sons. 2016.
  • Voet D, Voet JG, Pratt CW. Fundamentals of biochemistry: life at the molecular level. 3rd ed. Hoboken. John Wiley & Sons. 2008.
  • Vodrážka Z. Biochemie. 2. vyd. Praha. Academia. 2007.

Klinická biochemie a patobiochemie

  • Jaroslav Racek et al. Klinická biochemie. 2. vyd. Praha. Galén. 2006.
  • Marta Kalousová et al. Patobiochemie ve schématech. 1. vyd. Praha. Grada. 2006.
  • Burtis CA, Ashwood ER, Bruns DE, Saunders. Tietz Fundamentals of Clinical Chemistry. 6. vyd. 2008.

Imunologie a imunochemie

  • Hořejší V, Bartůňková J. Základy imunologie. 2. vyd. TRITON. 2002.
  • Toman M a kolektiv. Veterinární imunologie. GRADA Publishing. 2000.
  • Krejsek J, Kopecký O. Klinická imunologie. NUCLEUS HK, 2004.
  • Janeway CA, Travers P, Walpont M, Shlomchik MJ. Immunobiology – the immune system in health and disease. GARLAND SCIENCE. 2005.
  • Dále materiály k přednáškám: Imunologie, Speciální fyziologie krve, Imunopatologie, Speciální imunologické metody

Instrumentální analytická chemie

  • Zýka J a kol. Analytická příručka. Díl I a II. SNTL. Praha. 1988.
  • Volka K. Analytická chemie II. VSCHT. Praha 1995.
  • Churáček Jaroslav. Analytická separace látek. 1. vyd. SNTL. Praha. 1990.
  • Kellner R, Mermet JM, Otto M, Widmer HM. Analytical Chemistry. Wiley. 1998.
  • Skoog DA. Analytical chemistry: an introduction. 7th ed. Fort Worth. Saunders College Publishing. 1999.
  • Skoog DA, Holler JF, Nieman TA. Principles of instrumental analysis. 5th ed. Philadelphia. Saunders College Publishing. 1998.
  • Harris DC. Quantitative chemical analysis. 4th ed. New York. W.H. Freeman. 1995.

Molekulární biologie a genetika

  • Rosypal S. Úvod do molekulární biologie I, II, III (1998-2000).

Pokročilá biochemie a její metody

Nekovalentní interakce stabilizující biomakromolekuly. Pauliho repulse, disperzní síly, Lennard-Jonesův potenciál, van der Waalsovy interakce, sterické repulse, interakce nábojů, permanentních a indukovaných elektrických dipólů v rámci biomakromolekul a mezi biomakromolekulami a jejich ovlivnění solvatací vodou, orientace solventu (vody) a entropie, vodíková vazba, hydrofobní efekt (role entropie), změny entalpie a entropie při vzniku iontového můstku, vodíkové vazby, disulfidové vazby. C6215.4, F8510

Struktura nukleových kyselin. Monomerní jednotky, konformace a její popis, cukrfosfátová páteř, pentosový kruh, poloha bazí, primární struktura, sekundární struktura (dvojšroubo-vicové struktury, párování bazí), terciární struktura a principy její stavby (interakce bazí, intramolekulární interakce obecně), vyšší struktury, interakce s proteiny. C7925

Struktura proteinů. Monomerní jednotky, konformace a její popis pomocí torzních úhlů, primární struktura, sekundární struktura (konformace páteře, Ramachandranův diagram, šroubovicové struktury, skládaný list), terciární struktura a principy její stavby (role postranních řetězců, supersekundární motivy, fold, doména, intramolekulární interakce), kvartérní struktura a intermolekulární interakce. C7920

Příprava rekombinantních proteinů. Definice, historie. Expresní systémy, vektory, značky, posttranslační modifikace, glykosylace. Amplifikace genu, klonování, selekce buněk s klonovaným genem, indukce exprese. Místně cílená mutageneze. C6215.6, C7920, C8980

Extrakce, purifikace a kvantifikace proteinů. Lýze buněk, inhibice proteolýzy a oxidace, solubilizace inkluzních tělísek. Nechromatografické metody - frakcionace, ultrafiltrace, diferenciální centrifugace, preparativní elektroforéza a izoelektrická fokusace. Chromatografické metody – gelová permeační, iontově výměnná, chromatofokusace, hydrofobní, afinitní, kovalentní. Metody stanovení celkového proteinu. Kritéria čistoty proteinu. C6215.7

Intermolekulární interakce biologicky důležitých molekul a jejich charakterizace. Vazebné rovnováhy, stechiometrie, disociační konstanty a jejich měření (isotermální titrační kalorimetrie, anisotropie fluorescence, případně další metody). C6215.8, S2004

Kinetika a energetika enzymové reakce. Kinetika Michaelise a Mentenové. Experimentální stanovení kinetických parametrů ve stacionárním a prestacionárním stavu. Interpretace v rámci teorie aktivovaného komplexu. Kvantitativní vyjádření dokonalosti enzymové katalýzy a selektivity enzymového působení. Inhibitory a jejich klasifikace. C6215.8, C8160

Integrace a regulace metabolismu u člověka. Základní metabolické dráhy (schopnost je komentovat v předloženém schematu), působení hormonů, kontrolní místa regulace metabolismu sacharidů a lipidů. C6215.10–12

Bioenergetika. Zdroje ATP (ADP/adenylátkinasa, fosfokreatin/kreatinkinasa, anaerobní a aerobní metabolismus), chemiosmotický mechanismus konzervace energie. Principy organizace elektrontransportních řetězců u mitochondrií, chloroplastů a bakterií. Zapojení mitochondrií a chloroplastů do buněčného metabolismu. C6215.10–12

Mezibuněčná a vnitrobuněčná signalizace. Receptory spojené s iontovými kanály, G-proteiny a tyrosinkinasou. Role sacharidů v rozpoznávání. Druzí poslové a jejich funkce – cAMP, inositoltrisfosfát, vápenatý kation, NO, diacylglycerol. Příklady signálních drah. C6215.6,11

Molekulové modelování a bioinformatika

Bioinformatika

Úvod do genomiky. Definice a struktura genů, určení sekvence nukleových kyselin (Sanger, NGS). C6215.1

Úvod do proteomiky. Definice pojmů protein, proteoforma, proteom, proteotyp. Identifikace proteinu a určení sekvence aminokyselin pomocí hmotnostní spektrometrie. C6215.2

Databáze biologických dat. Molekulárně-biologická data. Rozdělení biologických databází (primární, sekundární, strukturní, genomové). Složené databáze. Instituce pro správu bioinformatických dat. Formát a anotace záznamů v databázích. Vyhledávání v databázích (textové vyhledávání, sekvenční přiložení). C2135.1

Sekvenční přiložení. Párové a mnohočetné přiložení. Základní algoritmy, matice. Přiložení nukleotidové a aminokyselinové sekvence. Význam a použití přiložení pro analýzu dat. C2135.2

Predikce ORF. Čtecí rámce, překlad nukleotidové sekvence do proteinové, genetický kód. Nástroje pro překlad nukleotidových sekvencí. Predikce genů. Predikce genů u prokaryot. Predikce genů u eukaryot. Chyby při predikci. Programy a nástroje pro identifikaci genů. C2135.3

Design primerů. Základní charakteristiky primerů a jejich význam. Softwarové nástroje pro design primerů. Použití primerů. C2135.4

Analýza specifických nukleotidových sekvencí, palindromy. Palindromy a restrikční štěpení. Restrikční analýza in silico. Molekulárně biologické vektory. Tvorba rekombinantních molekul a klonování. C2135.5

Predikce vlastností a funkce proteinů. Základní fyzikálně-chemická charakteristika proteinu (izoelektrický bod, extinkční koeficient, molekulová hmotnost). Predikce lokalizace proteinu u prokaryot (Gram pozitivní, Gram negativní bakterie) a eukaryot. C2135.6

Predikce sekundární struktury proteinů (algoritmy a nástroje). Vyhledávání funkčních a strukturních motivů v sekvencích, predikce funkce proteinů. Databáze strukturních a funkčních motivů. C2135.6 10. Predikce terciární struktury proteinů. Homologní modelování. Threading. Predikce ab initio. Srovnání jednotlivých metod, validace modelů. Databáze struktur, vizualizace struktur. C2135.6

Molekulové modelování

Srovnání experimentálního přístupu a molekulového modelování při studiu struktury, termodynamiky a kinetiky molekulárních systémů. Rozlišení a přesnost výpočetních metod. In silico modely a modely založené na experimentálních metodách s atomovým (X-ray, NMR) a molekulárním (FRET, STM, AFM, CryoEM) rozlišením a jejich validace. C7790

Kvantově chemické metody: semiempirické, ab initio a metody funkcionálu hustoty. Kvantová podstata mikrosvěta, vlnová funkce, Schrödingerova rovnice. Výpočet interakční energie, Bornova-Oppenheimerova aproximace. C7790, C9920, C9930

Klasické modely. Modely vazebných a nevazebných interakcí (Pauliho repulze, elektrostatická interakce, indukce, disperze). Atomové náboje a jejich výpočet. Přehled silových polí. Víceúrovňové modelování (QM/MM, hrubozrnné modely). C7790, FB810, C8855

Vliv rozpouštědla na molekulární interakce. Implicitní a explicitní modely rozpouštědel. Poisson-Boltzmanova teorie. Explicitní modely vody (např. SPC/E, TIP3P). Periodické okrajové podmínky. Metody ořezu interakcí a Ewaldova sumace. C7790

Kartézské a interní souřadnice. Hyperplochy potenciální energie. Stacionární body, jejich charakterizace a význam. Hledání lokálních minim a tranzitních stavů. Přehled optimalizačních algoritmů (simplexová metoda, metoda největšího spádu, Newtonova - Raphsonova metoda). C7790

Molekulová dynamika a její srovnání s Monte Carlo simulacemi. Ergodická hypotéza. Pohybové rovnice. Přehled numerických integračních metod. Faktory ovlivňující velikost integračního kroku. Simulace za konstantní teploty a tlaku. C7790, FB810

Analýza simulací. Výpočet vlastností systému z molekulárně dynamických simulací (např. RDF, RMSD). Korelační a autokorelační funkce. Konvergence, fluktuace, a odhad chyb. C7790

Molekulární docking. Skórovací metody (zjednodušený popis interakce, vliv rozpouštědla, entropie). Hledání globálních minim pomocí stochastických algoritmů. Virtuální screening a ranking. C7790, C8855

Přehled metod pro výpočet volných energií. Vzorkovací problém a jeho řešení. Vztah potenciální a volné energie k termodynamickým veličinám. Alchemické přeměny, metody koncových stavů (např. MM/PBSA). Metody pro výpočet profilů volných energií (např. Umbrella sampling, Metadynamika). C7790

Tranzitní stavy na plochách potenciální a volné energie. Pravá reakční koordináta. Zjednodušený popis pomocí kolektivní proměnných. Hystereze reakčních cest. Charakterizace reakčních mechanismů enzymatických reakcí a konformačních přeměn. C7790

Experimentální metody strukturní biologie

Spektroskopické metody

Informace o trojrozměrné struktuře nepocházející z interakce se zářením. Chemické síťování (cross-linking) s detekcí hmotnostní spektrometrií, mikroskopie atomárních sil (AFM). C6215.2,5

Využití optické spektroskopie (v ultrafialové, viditelné, infračervené oblasti) ve strukturní biologii, absorpce, fluorescence. Určování sekundární struktury biomakromolekul, použití cirkulárního dichroismu. C6215.5

Základní principy NMR. Magnetický dipólový moment jader, jeho precese v homogenním externím magnetickém poli, distribuce orientací magnetických momentů a magnetizace v termodynamické rovnováze, koncept koherence, základní NMR experiment, NMR spektrometr, využití radiových vln, detekce signálu. C6770.1, C5320

Lokální magnetická pole v molekule (vliv elektronů a ostatních jader), jejich vliv na precesi magnetických momentů jader a vývoj koherence, chemický posun, modulace nosné frekvence, Fourierova transformace, frekvenční spektrum. C6770.2, C5320

Heteronukleární NMR spektroskopie. Spinová echa, INEPT, HSQC, princip vícerozměrné spektroskopie. C6770.3, C5320

3D NMR experimenty pro sekvenční přiřazení frekvencí proteinů. HNCA, HN(CO)CA, HNCACB, CBCA(CO)NH, princip sekvenčního přiřazení. C6770.5

Principy homonukleární 2D NMR spektroskopie, NOESY experiment jako příklad. Isotropní směšování, TOCSY. Isotopově editované homonukleární experimenty, řiřazení postranních řetězců pomocí TOCSY-HSQC. C6770.6, C5320

Získávání strukturních parametrů: měření vzdáleností vodíkových atomů, určování dihedrálních úhlů, zbytkové dipólové interakce v částečně orientovaných mediích, rekonstrukce prostorové struktury makromolekul, vázaná molekulová dynamika pro výpočet struktury. C6770.7

NMR spektroskopie nukleových kyselin. Korelace v bazích a v cukrfosfátové páteři, sekvenční přiřazení, metody založené na NOE a heteronukleární korelaci. C6770.8–9

Molekulové pohyby a NMR relaxace, časové škály, interakce způsobující relaxaci, korelační funkce, funkce spektrální hustoty, vztah funkce spektrální hustoty a relaxační rychlosti, vliv pomalé výměny na relaxační rychlosti a na tvar čáry. C6770.10–12, C5320

Difrakční metody

Rozptyl elektromagnetického záření na makromolekulách, anizotropie, hydrodynamický poloměr. Dynamický rozptyl světla (DLS, dynamic light scattering), monodisperzita, polydisperzita. Rozptyl rentgenového záření (SAXS). C6215.5

Krystalizace proteinů, termodynamický (entalpie, entropie) a kinetický pohled (nukleace a růst krystalu) na krystalizaci, popis fázoveho diagramu krystalizace. Symetrie molekul a krystalů, operace symetrie, bodové grupy. Popis základních krystalografických buněk (translace, centrosymetrie). C7270.1

Teorie difrakce, rozptyl rentgenového záření (elektrony, atomy, elementární buňkou, krystalem), difrakční podmínka. C7270.2

Fourierova transformace, rozptylový faktor, strukturní faktor, symetrie difrakčních dat, zpracování difrakčních snímků, indexace difrakčních skvrn, integrace signálu. C7270.2

Fázový problém v rentgenové krystalografii. Isomorfní nahrazení (Isomorphous Replacement), využití anomálního rozptylu (SAD, MAD) a molekulové přemístění (Molecular Replacement), rotační a translační funkce. C7270.3–5

Struktura elektronového mikroskopu a teorie elektronové mikroskopie. Interakce elektronu s hmotou, slabý fázový object – zdroje kontrastu v elektronové mikroskopii, filtrování obrazu. Contrast Transfer Function. C7270.6–8

Fourierova transformace a jeji základní vlastnosti, konvoluce, korelace, rozptylová funkce (point spread function) při zobrazování v transmisním elektronovém mikroskopu.

Analýza snímků makromolekul z transmisního elektronového mikroskopu – klasifikace 2D obrazů. Principal component analysis. 3D klasifikace. C7270.9–10

Výpočet struktur makromolekul z dat získaných pomocí transmisní elektronové mikroskopie. Metody 3D rekonstrukce: single particle reconstruction a tomografie. C7270.11

Tvorba a zpřesňování modelů makromolekul postavených na základě krystalových map elektronové hustoty, nebo cryo-EM rekonstrukcí, (refinement), R-faktory, Ramachandranův diagram, validace a odhalení chyb, určení chyby souřadnic finálního modelu. C7270.5