Otázky statní závěrečné zkoušky N-BIC BMCH
1   Pokročilá biochemie a její metody
1. 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 bio-makromolekulami 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
2. 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
3. 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
4. Příprava rekombinantních proteinů. Definice, historie. Expresní systémy, vektory, značky, posttranslační modifikace, glykosylace. Amplifikace genu, klonování, selekce buněk s klo-novaným genem, indukce exprese. Místně cílená mutageneze. C6215.6, C7920, C8980
5. 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. Chromato-grafické metody - gelová permeační, iontově výměnná, chromatofokusace, hydrofobní, afi-nitní, kovalentní. Metody stanovení celkového proteinu. Kritéria čistoty proteinu. C6215.7
6. 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
7. 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, C8f60
8. Integrace a regulace metabolismu u člověka. Základní metabolické dráhy (schopnost je komentovat v předloženém schématu), působení hormonů, kontrolní místa regulace metabolismu sacharidů a lipidů. C6215.f0-f2
9. 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.f0-f2
fO. 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,ll
2   Molekulové modelování a bioinformatika
2.1 Bioinformatika
1. Úvod do genomiky. Definice a struktura genů, určení sekvence nukleových kyselin (Sanger, NGS). C6215.1
2. Úvod do proteomiky. Definice pojmů protein, proteoforma, proteom, proteotyp. Identifikace proteinu a určení sekvence aminokyselin pomocí hmotnostní spektrometrie. C6215.2
3. Databáze biologických dat. Molekulárně-biologická data. Rozdělení biologických databází (primární, sekundární, strukturní, genomové). Složené databáze. Instituce pro správu bi-oinformatických dat. Formát a anotace záznamů v databázích. Vyhledávání v databázích (textové vyhledávání, sekvenční přiložení). C2135.1
4. Sekvenční přiložení. Párové a mnohočetné přiložení. Základní algoritmy, matice. Přiložení nukleotidové a aminokyselinové sekvence. Význam a použití přiložení pro analýzu dat. C2135.2
5. 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
6. Design primerů. Základní charakteristiky primerů a jejich význam. Softwarové nástroje pro design primerů. Použití primerů. C2135.4
7. Analýza specifických nukleotidových sekvencí, palindromy. Palindromy a reštrikční štěpení. Reštrikční analýza in silico. Molekulárně biologické vektory. Tvorba rekombinantních molekul a klonování. C2135.5
8. 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
9. 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 ini-tio. Srovnání jednotlivých metod, validace modelů. Databáze struktur, vizualizace struktur. C2135.6
2.2   Molekulové modelování
11. 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
12. Kvantově chemické metody: semiempirické, ab initio a metody funkcionálu hustoty. Kvantová podstata mikrosveta, vlnová funkce, Schrôdingerova rovnice. Výpočet interakční energie, Bornova-Oppenheimerova aproximace. C7790, C9920, C9930
13. 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
14. 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
15. 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 - Raphso-nova metoda). C7790
16. 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
17. Analýza simulací. Výpočet vlastností systému z molekulárně dynamických simulací (např. RDF, RMSD). Korelační a autokorelační funkce. Konvergence, fluktuace, a odhad chyb. C7790
18. Molekulární docking. Skórovací metody (zjednodušený popis interakce, vliv rozpouštědla, entropie). Hledání globálních minim pomocí stochastických algoritmů. Virtuální screening a ranking. C7790, C8855
19. 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
20. 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
3   Experimentální metody strukturní biologie
3.1    Spektroskopické metody
1. Informace o trojrozměrné struktuře nepocházející z interakce se zářením. Chemické síťování (cross-linking) s detekcí hmotnostní spektrometrií, mikroskopie atomárních sil (AFM). C6215.2,5
2. Využití optické spektroskopie (v ultrafialové, viditelné, infračervené oblasti) ve strukturní biologii, absorpce, fluorescence. Určování sekundární struktury biomakromolekul, použití cirkulárního dichroismu. C6215.5
3. 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
4. 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
5. Heteronukleární NMR spektroskopie. Spinová echa, INEPT, HSQC, princip vícerozměrné spektroskopie. C6770.3, C5320
6. 3D NMR experimenty pro sekvenční přiřazení frekvencí proteinů. HNCA, HN(CO)CA, HNCACB, CBCA(CO)NH, princip sekvenčního přiřazení. C6770.5
7. 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
8. Získávání strukturních parametrů: měření vzdáleností vodíkových atomů, určování di-hedrálních úhlů, zbytkové dipólové interakce v částečně orientovaných mediích, rekonstrukce prostorové struktury makromolekul, vázaná molekulová dynamika pro výpočet struktury. C6770.7
9. NMR spektroskopie nukleových kyselin. Korelace v bazích a v cukrfosfátové páteři, sekvenční přiřazení, metody založené na NOE a heteronukleární korelaci. C6770.8-9.
10. 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
3.2   Difrakční metody
11. Rozptyl elektromagnetického záření na makromolekulách, anizotropie, hydrodynamický poloměr. Dynamický rozptyl světla (DLS, dynamic light scattering), monodisperzita, po-lydisperzita. Rozptyl rentgenového záření (SAXS). C6215.5
12. Krystalizace proteinů, termodynamický (entalpie, entropie) a kinetický pohled (nukleace a růst krystalu) na krystalizaci, popis fázového diagramu krystalizace. Symetrie molekul a krystalů, operace symetrie, bodové grupy. Popis základních krystalografických buněk (translace, centrosymetrie). C7270.1
13. Teorie difrakce, rozptyl rentgenového záření (elektrony, atomy, elementární buňkou, krystalem), difrakční podmínka. C7270.2
14. Fourierova transformace, rozptylový faktor, strukturní faktor, symetrie difrakčních dat, zpracování difrakčních snímků, indexace difrakčních skvrn, integrace signálu. C7270.2
15. 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
16. 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
17. Fourierova transformace a jeji základní vlastnosti, konvoluce, korelace, rozptylová funkce (point spread function) při zobrazování v transmisním elektronovém mikroskopu.
18. Analýza snímků makromolekul z transmisního elektronového mikroskopu - klasifikace 2D obrazů. Principal component analysis. 3D klasifikace. C7270.9-10
19. Výpočet struktur makromolekul z dat získaných pomocí transmisní elektronové mikroskopie. Metody 3D rekonstrukce: single particle reconstruction a tomografie. C7270.ll
20. 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
Vysvětlivka
Čísla za otázkou odkazují na kód příslušného předmětu, případně doplněný bodem osnovy. Kódy povinných předmětů jsou vytištěny tučně.