Požadavky ke SZZ – program Biochemie

Specializace Biochemie

Státní závěrečná zkouška se skládá z následujících jednotlivě klasifikovaných částí:

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.

Okruhy k ústní zkoušce

• Pokročilá biochemie

• Enzymologie

• Biotechnologie

Náplň okruhů k SZZ

Bioenergetika

Makroergní sloučeniny (hlavní zástupci, vznik ATP fosforylací na úrovni substrátu, oxidační fosforylací a fotofosforylací, adeninnukleotidová hotovost buňky, fosfokreatin, mechanismy využití ATP k pohánění buněčných procesů)

Elektrontransportní řetězce v produkci energie (principy organizace elektrontransportních řetězců u mitochondrií, chloroplastů a bakterií, donory a akceptory respirací, mechanismy vzniku protonového gradientu, souvislost s biogeochemickými cykly prvků v přírodě)

Fyziologická biochemie a biochemie regulací

Molekulové motory (bakteriální bičíky, rotační katalýza v ATP synthase, kinesiny, dyneiny, myosiny, cytoskeletální transport, činnost svalů, řasinek a bičíků)

Biochemie buněčných organel a kompartmentů (mitochondrie, plastidy, endoplazmatické retikulum, Golgiho aparát, lysosomy, peroxisomy, vakuoly - metabolické funkce, biogeneze)

Mezibuněčná a vnitrobuněčná signalizace (signály intrakrinní, autokrinní, juxtakrinní, parakrinní a endokrinní, hormony – eikosanoidy, steroidy, deriváty aminokyselin, receptory spojené s iontovými kanály, G-proteiny a tyrosinkinasou, intracelulární receptory, druzí poslové a jejich funkce – cAMP, cGMP, inositoltrisfosfát, Ca2+, NO, diacylglycerol, fosfoinositidy, příklady signálních drah)

Regulace a integrace energetického metabolismu u člověka (makroživiny jako zdroje energie, energetické zásoby buněk a organismu, metabolismus tkání, meziorgánový transport, hormonální regulace, úloha AMP-dependentní proteinkinasy)

Metabolismus xenobiotik (metabolické přeměny cizorodých lipofilních látek, enzymy prvé fáze - oxidační, redukční a hydrolytické, enzymy druhé fáze - konjugační a nekonjugační, regulace tvorby, příčiny toxicity xenobiotik)

Biochemické metody

Extrakce, purifikace a kvantifikace proteinů – pufry, detergenty, chemická a mechanická lýze buněk, solubilizace inkluzních tělísek, metody stanovení celkového obsahu proteinů a analýzy jejich směsí.

Nechromatografické metody purifikace – frakcionace, ultrafiltrace, diferenciální centrifugace, preparativní elektroforéza a izoelektrická fokusace 

Chromatografické metody purifikace – gelová permeační, iontově výměnná, chromatofokusace, hydrofobní, afinitní, kovalentní, kvantifikace postupu purifikace)

Rekombinantní proteiny – exprese proteinů v bakteriích (klonovací strategie, použití kodónů, omezení toxických efektů v důsledku nadprodukce, zvýšení stability a posttranslační modifikace, glykosylace), exprese proteinů v eukaryontních buňkách, výhody a nevýhody jednotlivých expresních systémů 

Místně cílená mutageneze.

Stanovení relativní molekulové hmotnosti biopolymerů – elektroforéza v polyakrylamidu s SDS, gelová permeační chromatografie, hmotnostní spektrometrie, rozptyl světla, centrifugační metody.

Funkční proteomika – analýza interakcí protein-protein a proteinových komplexů, klasifikace proteinových vzorků pomocí MS, imunochemické přístupy a jejich komplementarita 

Určení prostorové struktury biopolymerů – CD a IR spektrometrie, NMR, rentgenostrukturní analýza 

Studium interakce makromolekula-ligand – rovnovážná dialýza a další metody založené na fázové separaci, spektroskopické techniky, izotermická titrační kalorimetrie, použití biosenzorů, zpracování dat a získání hodnot parametrů vazby 

Chemická struktura nukleových kyselin. 

Genomika a genová exprese – bioinformatické nástroje, DNA mikroarrays, současné sekvenační techniky nukleových kyselin (Sanger, NGS), metagenomika, metody kvalitativní i kvantitativní analýzy genové exprese, techniky pro editaci genomu (ZFNs, TALENs, CRISPR). 

Rozdíly v transkripci a translaci u prokaryot a eukaryot – sigma factor, aktivátory a represory, zesilovače transkripce. 

Klonování DNA – konstrukce genových knihoven, blotovací techniky, používání DNA databází. 

Real-time PCR – princip, pravidla pro návrh primerů a sond, SybrGreen, TaqMan, Molecular beacons. 

Detekce bodových polymorfismů – metody založené na PCR, RFLP, SNaPshot, microarrays, CNV analýza, sekvenace 

Využití DNA diagnostiky v přímé detekci mikroorganizmů a virů – detekce MTB, borélií, chlamydií, HIV, virových hepatitid, herpetických virů, atd. 

Enzymologie

Enzymová aktivita a její měření (způsoby vyjadřování enzymové aktivity, standardizace podmínek, příklady měření fotometrických, fluorimetrických, luminometrických, kalorimetrických a měření s použitím pH státu, analýza izoenzymového složení, význam katalytických koncentrací enzymů v klinické biochemii)

Kinetika jednosubstrátové enzymové reakce (rovnovážné a stacionární přiblížení, rovnice Michaelise a Mentenové v diferenciálním a integrálním tvaru, význam a experimentální stanovení Michaelisovy konstanty a limitní rychlosti, prestacionární kinetika)

Inhibice enzymových reakcí (typy reversibilní inhibice a jejich diagnostika, inhibice substrátem a produktem, vysokoafinitní reverzibilní inhibitory, ireverzibilní inhibice - afinitní značení, inaktivace závislá na reakčním mechanismu, analoga přechodového stavu.

Inhibitory enzymů v praxi. Příklady inhibitorů a mechanismu jejich účinku: léčiva, herbicidy, pesticidy, toxiny.

Kinetika vícesubstrátových enzymových reakcí (klasifikace kinetických mechanismů a jejich znázornění pomocí  Clelandovy symboliky, kinetické rovnice, experimentální rozlišení mezi jednotlivými mechanismy, primární a sekundární grafy, inhibice produkty, analogy substrátů, izotopová výměna)

Regulace enzymové aktivity (regulace na úrovni biosyntézy a odbourávání molekul enzymu, aktivace proenzymů/zymogenů, reverzibilní kovalentní modifikace, protein fosforylasy a protein fosfatasy, alosterické enzymy, regulační místa hlavních metabolických drah)

Imobilizované enzymy (používané nosiče, chemické metody imobilizace, kinetika imobilizovaných enzymů, vnější a vnitřní difuze substrátu, vliv imobilizace na kinetické parametry, pH optimum a stabilitu enzymu, význam imobilizovaných enzymů pro praxi)

Enzymy jako činidla,  značky a reportéry (stanovení analytů s použitím rozpustných enzymů, rovnovážné a kinetické metody, enzymové biosenzory - rozdělení podle měřené elektrické veličiny, analytické charakteristiky a příklady použití, enzymová imunoanalýza, enzymy jako markery genové exprese)

Chemické mechanismy enzymové katalýzy (acidobasická katalýza, nukleofilní a elektrofilní katalýza, kovalentní katalýza, příklady účasti konkrétních aminokyselinových zbytků a kofaktorů)

Obecné parametry biotechnologických procesů

Míchání, laminární a turbulentní tok v bioreaktorech, dopad na vlastnosti produkčních organismů.

Rozdíly mezi laboratorním, poloprovozním a provozním měřítkem, přenos parametrů bioprocesu do většího měřítka.

Aerace v bioprocesu, určení objemového koeficientu přestupu kyslíku, biochemické a biotechnologické parametry optimální aerace.

Kinetika bioprocesů. Kinetika růstu biomasy v jednorázovém procesu. Kinetika spotřeby substrátu a tvorby produktu.

Základní principy kontinuální kultivace. Rovnovážný stav v chemostatu a vyplavování kultury, odhad zřeďovací rychlosti z údajů jednorázového procesu.

Imobilizované biokatalyzátory, biotechnologický význam, rozdíly mezi volnými a imobilizovanými enzymy a buňkami. Dopad imobilizace na parametry reakce. Základní typy bioreaktorů s imobilizovanými biokatalyzátory, význam kinetických rovnic popisujících daný reaktor.

Biochemické a biologické principy vybraných biotechnologických procesů

Sekundární metabolismus a biotechnologie, biochemické principy.

Výroba piva. Suroviny a hlavní fáze výroby, působení amylas, pivovarské kvasinky, průběh kvašení a dokvašování.

Výroba vína. Suroviny a hlavní fáze výroby, vinné kvasinky, průběh hlavního kvašení a dokvašování.

Produkce biomasy jako zdroje bílkovin. Obnovitelné a neobnovitelné suroviny, organismy, základní principy procesů.

Biotechnologie v ochraně životního prostředí. Bioremediace, biochemické a biologické principy a praktická řešení: biodegradace uhlovodíků, likvidace toxických kovů, důlní odpady. Bioplyn, biopaliva, řasy v biotechnologii. Bioelektřina (princip buněčných palivových článků).