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.