Obsah státní závěrečné zkoušky studijního oboru Chemoinformatika a bioinformatika
Státní závěrečná zkouška se skládá z následujících jednotlivě klasifikovaných částí:
Požadavky ve formě sylabů budou umístěny na webových stránkách Ústavu biochemie.
Srovnávací literatura
Rámcové požadavky na závěrečnou práci
Závěrečná (Bakalářská) práce je teoretická s možností praktické součásti. Uchazeč samostatně pod vedením učitele zpracuje zadané tema tvůrčím způsobem.
Příklad zadání závěrečné práce
Název bakalářské práce:
Strukturní charakterizace DNA kvadruplexů
Zásady pro vypracování: Cílem práce bude literární a databázová rešerše
experimentálně určených DNA kvadruplexů. Student provede měření strukturních
parametrů kvadruplexových struktur, srovnání s kanonickými formami DNA,
stanovení typických a neobvyklých geometrických rysů. Nalezne vhodný způsob
vizualizace kvadruplexových struktur a vytvoří jejich reprezentaci ve formě
webové stránky.
Seznam odborné literatury:
Obhajoba závěrečné práce
Vlastní obhajoba bakalářské práce se děje rozpravou, během níž uchazeč seznámí komisi s tématem práce, řešenými problémy, použitými metodami řešení a získanými výsledky. Reaguje na připomínky obsažené v posudcích vedoucího a oponenta práce, vyjadřuje se k předem zadaným námětům k diskusi a odpovídá na dotazy vznesené v průběhu obhajoby.
Závěrečná zkouška
Předmět chemoinformatika a bioinformatika:
Zdroje chemických informací. Primární, sekundární a terciární literatura. Obecná
strategie rešerše. Produkty ISI. Current Contents, Scientific Citation Index.
Citační analýza. Seznámení s Web of Science. Chemical Abstracts. Beilsteins
Handbuch der organischen Chemie, CrossFire. Praktické provádění rešerše pomocí
CrossFire. Patentová literatura, DEPATIS. Katalogy knihoven. Získávání
chemických informací na Internetu. ChemWeb a další chemické metastránky.
Základní zdroje informací v anorganické chemii. Gmelins Handbuch der
anorganischen Chemie, struktura databáze, elektronický přístup pomocí Beilstein
commanderu a CrossFire. Provádění rešerší v dostupných databázích (např. Medline
aj.).
Reprezentace a manipulace s dvoudimenzionálními (2-D) a 3-D strukturami. Převod
2D zobrazení do 3D a naopak. Modely pro měření molekulární podobnosti a pro
studium kvantitativních vztahů mezi strukturou a aktivitou látek. Metody analýzy
velkého množství dat.
Molekulárně biologické databáze. Vyhledávání a identifikace genů a kódujících
oblastí, predikce sestřihu, fylogenetická evoluční analýza. Přiložení páru
sekvencí (sequence alignment). Predikce sekundárních struktur proteinů, 3-D
topologie proteinů, předpověď 3-D struktury, threading. Programy FASTA, BLAST a
jeho variace, SMART, PROSITE, CLUSTAL, PHYLIP. Teoretické principy metod.
Základní strukturní motivy v bílkovinách a nukleových kyselinách. Energie jako
klíčový fenomén při předpovědi 3-D struktury. Ukládání 3-D dat v databázích,
strukturní databáze a jejich prohledávání. Molekulární komplexy, docking.
Strukturní bioinformatika a návrhy biologicky aktivních látek.
Validace struktur získaných z databází a příprava dat pro molekulové modelování,
zpracování výsledků, grafická reprezentace dat – programy WHAT IF, VMD, TRITON,
Open Office, PovRay, Render3D, Chimera, PyMol, gnuplot, xmgrace.
Metody získávání strukturních informací. Sekvenace nukleových kyselin, metody
genového inženýrství, exprese rekombinantních proteinů. Základní charakterizace
proteinů, metody optické a hmotnostní spektroskopie, sekvenace proteinů.
Rentgenová strukturní analýza. Příprava krystalů, difrakční experiment, metody
řešení fázového problému, mapy elektronové hustoty, výstavba strukturního
modelu. Nukleární magnetická rezonance. Izotopové značení, NMR experiment,
přiřazení frekvencí ve spektrech, určení geometrie.
Požadavky ke státní závěrečné zkoušce z dalších (volitelných) předmětů pro závěrečnou zkoušku
Biochemie
Aminokyseliny - chemické a fyzikální vlastnosti aminokyselin. Kódované a
nekódované aminokyseliny, aminokyseliny esenciální.
Peptidy - peptidická vazba.
Bílkoviny - struktura. Chemické a fyzikální vlastnosti bílkovin. Rozdělení
bílkovin podle struktury a funkce.
Monosacharidy - rozdělení, stereoizomerie, typy vzorců obecné reakce.
Oligosacharidy a polysacharidy - rozdělení podle funkce a struktury.
Jednoduché a složené lipidy - význam, fyzikálně chemické vlastnosti.
Nukleové kyseliny - složení DNA a RNA - báze, nukleosidy a nukleotidy, struktura
a funkce.
Vlastnosti enzymů - nomenklatura a názvosloví, vyjadřování enzymové aktivity,
aktivní centrum, specifita a mechanismus účinku.
Enzymová kinetika - vliv vnitřních a vnějších faktorů na enzymovou reakci.
Metabolismus - tři stupně metabolismu. Katabolismus a anabolismus.
Bioenergetika - energetika enzymových reakcí. Makroergické sloučeniny. ATP -
substrátová a oxidační fosforylace, fotofosforylace.
Respirační řetězec a oxidační fosforylace - uspořádání, energetický výtěžek.
Vznik ATP - chemiosmotická teorie.
Cyklus trikarboxylových kyselin - chemismus a energetická bilance, vztah k
ostatním metabolickým procesům.
Metabolismus sacharidů - štěpení a biosyntéza polysacharidů. Aerobní glykolýza a
dekarboxylace pyruvátu, chemismus a energetický zisk. Anaerobní glykolýza -
mléčné a alkoholové kvašení, chemismus a energetický zisk. Pentozový cyklus.
Glukoneogeneze.
Fotosyntéza - fotosyntetické pigmenty. Světelná a temná fáze.
Metabolismus lipidů - odbourávání jednoduchých a složených lipidů - lipázy a
fosfolipázy. Odbourávání a biosyntéza mastných kyselin.
Metabolismus bílkovin a aminokyselin - proteolýza, proteázy - rozdělení a
účinek, trávení bílkovin. Hlavní přeměny aminokyselin - transaminace, deaminace,
dekarboxylace. Detoxikace amoniaku - tvorba k. močové, amidů a močoviny -
močovinový cyklu.
Fyzikální chemie
Hmota a energie. Struktura atomového jádra a atomu. Základní chemické slučovací
zákony. Elektronová struktura atomů. Vlnová funkce, Schrödingerova rovnice,
atomové orbitaly, energie atomových orbitalů ve vodíkovém atomu. Periodicita
elektronových konfigurací a periodicita vlastností atomů.
Základní a excitovaný stav, atomová spektra. Elektronová struktura molekul.
Teorie valenční vazby. Hybridizace atomových orbitalů. Teorie molekulových
orbitalů (MO). Typy a tvary molekulových orbitalů, typy kovalentních vazeb (s,
p, d). Řád vazby. Polarizovatelnost molekul. Iontové sloučeniny a iontová vazba.
Zjišťování krystalové struktury, difrakce roentgenova záření. Kovová vazba, síla
vazby. Slabé interakce mezi molekulami, vazba vodíkovým můstkem, van der
Waalsovy síly. Elektrické, magnetické a optické vlastnosti molekul. Interakce
záření s hmotou.
Chemická termodynamika. Tepelná rovnováha, teplota, tlak, nultá věta. První
věta, vnitřní energie, teplo, práce. Entalpie, tepelné kapacity. Druhá věta.
Entropie, termodynamická reverzibilita. Chemický potenciál. Třetí věta.
Chemické rovnováhy. Závislost Gibbsovy funkce na rozsahu reakce. Rovnovážná
konstanta a její závislost na tlaku a na teplotě. Le Chatelierův princip.
Základní pojmy statistické termodynamiky.
Vlastnosti kapalin a mezimolekulární síly. Tenze par kapaliny. Osmotický tlak.
Elektrolytická disociace iontových látek, Vodivost iontů, silné a slabé
elektrolyty, elektrolytická vodivost, aktivita elektrolytu, aktivitní
koeficient, iontová síla roztoku.
Rovnovážná elektrochemie. Termodynamika roztoků elektrolytů. Galvanické a
elektrolytické články. Standardní potenciál elektrody. Druhy elektrod. Oxidace a
redukce. Elektroda prvního a druhého druhu, Nernstova rovnice, vodíková
elektroda, galvanický článek. Oxidoredukční elektroda, Petersova rovnice. Změna
Gibbsovy volné energie a rovnovážná konstanta elektrochemických reakcí.
Disproporcionační reakce. Faradayův zákon.
Kinetická teorie ideálního plynu, Maxwell-Boltzmannova funkce rozdělení
rychlostí, střední kinetická energie a rychlost molekul plynu, počet
mezimolekulárních srážek. Ideální plyn, stavová rovnice ideálního plynu.
Chemická kinetika. Rychlost chemických reakcí, rychlostní zákon, rychlostní
konstanta a řády reakcí. Molekularita. Vratné, následné, paralelní a řetězové
reakce. Fyzikální a chemická adsorpce. Srážková teorie, účinné srážky. Teorie
aktivovaného komplexu. Reakční koordináta, aktivační energie, vliv teploty na
reakční rychlost. Katalýza: katalyzátory, katalyzované reakce, autokatalýza,
homogenní katalýza. Adsorpce a chemisorpce, heterogenní katalýza. Fotochemické
reakce. Radikálové reakce.
Organické chemie
Principy tvorby systematického názvosloví organických sloučenin.
Alkany a cykloalkany. Isomerie řetězová, konformace alkanů a cykloalkanů.
Radikálové reakce jako typická reakce alkanů a jejich mechanismus.
Alkeny, geometrická isomerie u alkenů. Cahn, Ingold, Prelogova pravidla. Adiční
reakce, mechanismus a stereochemie adičních reakcí. Polymerace.
Optická aktivita a symetrie molekul. Chiralita molekul, podmínky chirality,
zobrazování trojrozměrných molekul v rovině. Optická isomerie, specifická
rotace, optická čistota, racemická směs. Určování absolutní konfigurace molekul.
Mesoforma.
Alkiny a jejich struktura. Vlastnosti trojné vazby, adiční reakce (elektrofilní
i nukleofilní reakce), kyselost atomů vodíku vázaných na sp-hybridní uhlík.
Aromatický stav a jeho demonstrace (resonanční - delokalizační energie).
Benzoidní a nebenzoidní aromáty. Vlastnosti aromatických sloučenin, mechanismus
elektrofilní aromatické substituce. Vliv substituce na jádře na vstup
elektrofilu. Adiční a oxidační reakce a jejich podmínky. Reakce na
kondensovaných aromatických sloučeninách.
Halogenderiváty a jejich strukturní typy, reaktivita.
Hydroxysloučeniny-alkoholy a fenoly. Reaktivita hydroxylové skupiny, kyselost a
vliv uhlíkatého zbytku na míru kyselosti. Oxidace alkoholů. Polyhydroxyderiváty.
Thioly a sulfidy. Produkty oxidace. Sulfonové kyseliny a jejich funkční deriváty
(sulfochloridy, estery, sulfonamidy). Estery minerálních látek (sulfáty,
nitráty, nitrity, fosfáty).
Aminosloučeniny. Základní chemické vlastnosti. Nitrosloučeniny, vliv
nitroskupiny na uhlíkatý zbytek. Azosloučeniny, azoxysloučeniny a hydrazolátky.
Nitrily a isokyanidy.
Organokovové sloučeniny.
Karbonylové sloučeniny. Charakterizace karbonylu, nukleofilní adice, reakce s
kyslíkatými, dusíkatými a uhlíkatými nukleofily. Oxidace a redukce aldehydů a
ketonů.
Karboxylové kyseliny, jejich struktura a chemické vlastnosti Funkční deriváty
karboxylových kyselin (estery, halogenidy, anhydridy, amidy), jejich příprava,
vlastnosti a využití v organické syntéze. Deriváty kyseliny uhličité.
Heterocyklické sloučeniny. Elektronová struktura a vliv na chemické vlastnosti,
srovnání jejich chemických vlastností.
Analytická chemie
Analytické reakce. Principy kvalitativní chemické analýzy. Skupinová a
selektivní činidla.
Gravimetrie. Teorie vzniku sraženin, pochody na sraženinách; vážení; zpracování
sraženin, gravimetrické postupy.
Titrační metody. Acidobazické titrace, acidobazické tlumivé roztoky.
Komplexometrické titrace. Chelatometrie. Redoxní titrace.
Elektroanalytické metody. Potenciometrické metody. Indikační a referenční
elektrody, iontově selektivní elektrody, skleněná elektroda. Měření pH.
Konduktometrické metody. Voltametrie, polarografie. Polarografická analýza.
Optické analytické metody. Elektromagnetické záření, Bouger-Lambert-Beerův
zákon, příčiny absorpce a emise záření. Molekulová absorpční spektroskopie (UV,
VIS, IR), atomová absorpční a emisní spektroskopie, molekulová rozptylová
spektroskopie (turbidimetrie a nefelometrie).
Separační metody. Kapalinová extrakce. Chromatografické metody Elektromigrační
metody.