Požadavky ke studiu

Požadavky k SZZ – program Biochemie

Specializace Bioinformatika

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

Ústní zkouška sestává ze tří částí:

  • Pokročilá biochemie a její metody

  • Bioinformatika a strukturní bioinformatika

  • Chemoinformatika a molekulové modelování 


Pokročilá biochemie a její metody

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

Nukleové kyseliny – složení DNA a RNA, struktura a funkce. Monomerní jednotky, konformace a její popis, cukrfosfátová páteř, primární, sekundární struktura (dvojšroubo- vicové struktury, párování bazí), terciární struktura a principy její stavby (interakce bazí, intramolekulární interakce), vyšší struktury, interakce s proteiny.

Úvod do proteomiky. Vyhledání a určení základních vlastností proteinů in silico a pomocí experimentálních přístupů. Analýza proteinů pomocí hmotností spektrometrie (MS) – principy a možnosti v biochemii. Imunochemické přístupy a jejich komplementarita.

Struktura a funkce proteinů. Primární, sekundární, terciární a kvartérní struktura. Nekovalentní interakce stabilizující biomakromolekuly. Disperzní síly, van der Waalsovy interakce, sterické repulse, iontové interakce, vodíková vazba. Aminokyseliny – chemické a fyzikální vlastnosti aminokyselin. Kódované a nekódované aminokyseliny, aminokyseliny esenciální. peptidová vazba. Funkce proteinů.

Enzymy – nomenklatura a názvosloví, stavba enzymů, pojmy holoenzym, apoenzym, kofaktor, koenzym, kosubstrát, prostetická skupina. Vyjadřování enzymové aktivity, aktivní centrum, specifita a mechanismus účinku. Enzymová kinetika - vliv vnitřních a vnějších faktorů na enzymovou reakci.

Příprava rekombinantních proteinů. Definice, historie. Expresní systémy, vektory, značky, postranslační modifikace, glykosylace. Amplifikace genu, klonování, selekce buněk s úspěšně klonovanym genem, indukce exprese. Místně cílená a náhodná mutageneze.

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.

Integrace a regulace metabolismu u člověka. Základní metabolické dráhy (glykolýza, citrátový cyklus, ornithinový cyklus, dýchací řetězec), schopnost je komentovat v předloženém schematu), makroergické sloučeniny, ATP, působení hormonů, kontrolní místa regulace metabolismu sacharidů a lipidů.


Bioinformatika a strukturní bioinformatika

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).

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

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

Fylogenetická analýza.

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

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. Posttranslační modifikace.

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

Struktura sacharidů a lipidů, oligo- a polysacharidy, zápis sekvence sacharidů, 3D struktura.

Experimentální metody pro určení struktury, difrakční metody, NMR, elektronová mikroskopie. Strukturní přístupy na bázi MS.

Validace biomakromolekulárních struktur – validační kritéria a validační reporty Validace ligandů - validační kritéria a validační reporty.

Interakce proteinů s malými molekulami, molekulární dokování. epitelové tkáně a vazivové tkáně.


Chemoinformatika a molekulové modelování

Modely pro predikci fyzikálně chemických vlastností molekul na základě jejich struktury (QSPR modely) – teoretický popis modelu, jejich návrhy a výběr deskriptorů Lineární a multilineární regrese v QSPR modelu. Metriky kvality QSPR modelu, nelineární QSPR modely. Aplikace QSPR modelů pro predikci konkrétních veličin (pKa, log P)

Virtuální screening v chemoinformatice: “drug-likeness”, virtuální screening založený na struktuře ligandu, virtuální screening založený na struktuře receptoru.

Deskriptory ADMET (adsorbce, distribuce, metabolismus, exkrece a toxicita), využití dokingu ve virtuálním screeningu, skórovací funkce

Chemoinformatické databáze: Databáze struktur molekul (DTP NCI, Pubchem, Drugbank, Zinc), databáze vlastností molekul a databáze deskriptorů. Vyhledávání v těchto databázích.

Moderní metodiky zpracování chemoinformatických dat: genetické algoritmy, neuronové sítě, analýza klastrů, support vector machines.

Experiment versus molekulové modelování (úvod do molekulového modelování, validace a predikce, přehled experimentálních metod s jednomolekulárním rozlišením). Rozlišení a přesnost výpočetních metod. Kartézské a interní souřadnice.

Kvantově-chemické metody. Semiempirické, ab initio a metody funkcionálu hustoty, Bornova-Oppenheimerova aproximace, koncept hyperploch potenciální energie, stručný přehled metod a programů.

Hyperplochy potenciální energie (význam, optimalizační metody, hledání lokálních a globálních minim a tranzitních stavů, výpočet termodynamických veličin)

Molekulová mechanika (silová pole, dalekodosahové interakce, modelování rozpouštědel, periodické okrajové podmínky, přehled silových polí).

Molekulová dynamika (vývoj systému v čase, pohybové rovnice, kontrola teploty a tlaku, vlastnosti systému, stručný přehled programů pro molekulovou dynamiku)

Speciální metody (Monte Carlo simulace, hrubozrné modely).

Molekulární docking. Skórovací metody.