Biomolekuly

Proteiny. Složení, aminokyseliny a prosthetické skupiny, posttranslační modifikace, hierarchie struktury, intramolekulární interakce.
Enzymy a jejich systematika, aktivita, interakce se substrátem a základy kinetiky a její charakterizace. Inhibice a její rozdělení, příklady léčiv.
Nukleové kyseliny. Složení DNA a RNA, struktury a zapojené interakce, typy a funkce.

Bioenergetika

Makroergní sloučeniny. Chemiosmotický mechanismus konzervace energie. Principy organizace elektrontransportních řetězců u mitochondrií, chloroplastů a bakterií. Zapojení mitochondrií a chloroplastů do buněčného metabolismu. Integrace a regulace energetického metabolismu u člověka.
Energetické zásoby. Zdroje ATP. ADP / adenylátkinasa, fosfokreatin / kreatinkinasa, anaerobní a aerobní metabolismus.

Fyziologická biochemie a biochemické regulace

Mezibuněčná a vnitrobuněčná signalizace. Signály intrakrinní, autokrinní, juxtakrinní, parakrinní a endokrinní.
Hormony – eikosanoidy, steroidy, deriváty aminokyselin, peptidové a proteinové.Působení hormonů, kontrolní místa regulace metabolismu sacharidů a lipidů, funkce AMP-dependentní proteinkinázy, orgánová specifita.
Receptory spojené s iontovými kanály, G-proteiny a tyrosinkinázou; intracelulární receptory. Druzí poslové a jejich funkce – cAMP, cGMP, inositoltrisfosfát, Ca2+, NO, diacylglycerol, fosfoinositidy.
Příklady signálních drah.

Biochemické metody

Izolace proteinů a nukleových kyselin, separace a kvantifikace proteinů a nukleových kyselin. Lýze buněk, frakcionace, filtrace, centrifugace. Chromatografické techniky. Elektroforéza a její varianty. Zhodnocení purifikace.
Molekulová hmotnost biopolymerů a metody stanovení. SDS PAGE, gelová permeační chromatografie, hmotnostní spektrometrie, rozptyl světla, centrifugační metody.
Určení prostorové struktury biopolymerů. CD a IR spektrometrie, NMR, rentgenostrukturní analýza, elektronová mikroskopie, analýza in silico.
Základy genomiky. Metody mapování genů a jejich exprese, sekvenační techniky. Detekce polymorfismů. Klonování, selekce transformovaných buněk.
Rekombinantní proteiny. Prokaryotní a eukaryotní expresní systémy, vektory, metody indukce, značky, glykosylace. Cílená mutageneze.
Proteomika. Základní metody a přístupy, využití MS. Identifikace a kvantifikace proteinů ve směsích, analýza protein-proteinových interakcí. Využití databází.
Bioinformatické techniky. Základní pojmy, porovnávání sekvencí a struktur, příklady využití databází a softwarových nástrojů. Predikce struktury proteinů. Proteinové rodiny.
Studium afinitních interakcí biomolekul a vazby ligandů s biomakromolekulami. Rovnovážná dialýza, spektroskopické techniky, titrační kalorimetrie, SPR biosensory, afinitní kapalinová chromatografie a kapilární elektroforéza s MS. Zpracování dat a získání kinetických parametrů.
Bioanalytické techniky. Enzymová stanovení, enzymové značky, enzymové biosensory. Imunostanovení, ELISA. Stanovení nukleových kyselin, PCR a real-time PCR.

Pokročilá biochemie – Biomolekulární chemie

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 biomakromolekulami 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

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

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

Příprava rekombinantních proteinů. Definice, historie. Expresní systémy, vektory, značky, posttranslační modifikace, glykosylace. Amplifikace genu, klonování, selekce buněk s klonovaným genem, indukce exprese. Místně cílená mutageneze. C6215.6, C7920, C8980

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. C6215.7

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

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, C8160

Integrace a regulace metabolismu u člověka. Základní metabolické dráhy (schopnost je komentovat v předloženém schematu), působení hormonů, kontrolní místa regulace metabolismu sacharidů a lipidů. C6215.10–12

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. C6215.10–12

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. C6215.6,11

Bioinformatika

• Úvod do genomiky. Definice a struktura genů, určení sekvence nukleových kyselin (Sanger, NGS). C6215.1
• Úvod do proteomiky. Definice pojmů protein, proteoforma, proteom, proteotyp. Identifikace proteinu a určení sekvence aminokyselin pomocí hmotnostní spektrometrie. C6215.2
• 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). C2135.1
• Sekvenční přiložení. Párové a mnohočetné přiložení. Základní algoritmy, matice. Přiložení nukleotidové a aminokyselinové sekvence. Význam a použití přiložení pro analýzu dat. C2135.2
• 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
• Design primerů. Základní charakteristiky primerů a jejich význam. Softwarové nástroje pro design primerů. Použití primerů. C2135.4
• Analýza specifických nukleotidových sekvencí, palindromy. Palindromy a restrikční štěpení. Restrikční analýza in silico. Molekulárně biologické vektory. Tvorba rekombinantních molekul a klonování. C2135.5
• 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
• 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 initio. Srovnání jednotlivých metod, validace modelů. Databáze struktur, vizualizace struktur. C2135.6

Molekulové modelování

• 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
• Kvantově chemické metody: semiempirické, ab initio a metody funkcionálu hustoty. Kvantová podstata mikrosvěta, vlnová funkce, Schrödingerova rovnice. Výpočet interakční energie, Bornova-Oppenheimerova aproximace. C7790, C9920, C9930
• 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
• 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
• 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 - Raphsonova metoda). C7790
• 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
• Analýza simulací. Výpočet vlastností systému z molekulárně dynamických simulací (např. RDF, RMSD). Korelační a autokorelační funkce. Konvergence, fluktuace, a odhad chyb. C7790
• Molekulární docking. Skórovací metody (zjednodušený popis interakce, vliv rozpouštědla, entropie). Hledání globálních minim pomocí stochastických algoritmů. Virtuální screening a ranking. C7790, C8855
• 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
• 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

Spektroskopické metody

• Informace o trojrozměrné struktuře nepocházející z interakce se zářením. Chemické síťování (cross-linking) s detekcí hmotnostní spektrometrií, mikroskopie atomárních sil (AFM). C6215.2,5
• Využití optické spektroskopie (v ultrafialové, viditelné, infračervené oblasti) ve strukturní biologii, absorpce, fluorescence. Určování sekundární struktury biomakromolekul, použití cirkulárního dichroismu. C6215.5
• 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
• 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
• Heteronukleární NMR spektroskopie. Spinová echa, INEPT, HSQC, princip vícerozměrné spektroskopie. C6770.3, C5320
• 3D NMR experimenty pro sekvenční přiřazení frekvencí proteinů. HNCA, HN(CO)CA, HNCACB, CBCA(CO)NH, princip sekvenčního přiřazení. C6770.5
• 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
• Získávání strukturních parametrů: měření vzdáleností vodíkových atomů, určování dihedrálních úhlů, zbytkové dipólové interakce v částečně orientovaných mediích, rekonstrukce prostorové struktury makromolekul, vázaná molekulová dynamika pro výpočet struktury. C6770.7
• NMR spektroskopie nukleových kyselin. Korelace v bazích a v cukrfosfátové páteři, sekvenční přiřazení, metody založené na NOE a heteronukleární korelaci. C6770.8–9
• 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

Difrakční metody

• Rozptyl elektromagnetického záření na makromolekulách, anizotropie, hydrodynamický poloměr. Dynamický rozptyl světla (DLS, dynamic light scattering), monodisperzita, polydisperzita. Rozptyl rentgenového záření (SAXS). C6215.5
• Krystalizace proteinů, termodynamický (entalpie, entropie) a kinetický pohled (nukleace a růst krystalu) na krystalizaci, popis fázoveho diagramu krystalizace. Symetrie molekul a krystalů, operace symetrie, bodové grupy. Popis základních krystalografických buněk (translace, centrosymetrie). C7270.1
• Teorie difrakce, rozptyl rentgenového záření (elektrony, atomy, elementární buňkou, krystalem), difrakční podmínka. C7270.2
• Fourierova transformace, rozptylový faktor, strukturní faktor, symetrie difrakčních dat, zpracování difrakčních snímků, indexace difrakčních skvrn, integrace signálu. C7270.2
• 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
• 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
• Fourierova transformace a jeji základní vlastnosti, konvoluce, korelace, rozptylová funkce (point spread function) při zobrazování v transmisním elektronovém mikroskopu.
• Analýza snímků makromolekul z transmisního elektronového mikroskopu – klasifikace 2D obrazů. Principal component analysis. 3D klasifikace. C7270.9–10
• Výpočet struktur makromolekul z dat získaných pomocí transmisní elektronové mikroskopie. Metody 3D rekonstrukce: single particle reconstruction a tomografie. C7270.11
• 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