Bioinformatics

Syllabus

Požadavky znalostí k bakalářské státní závěrečné zkoušce z bioinformatiky Matematika & informatika1. Matematická analýzao Posloupnosti a řady, konvergence, Cauchyovské posloupnosti.o Reálně funkce jedné proměnné. Limita v bodě a spojitost. Derivacefunkcí: definice a základní pravidla, věty o střední hodnotě, derivacevyšších řádů. Extrémy funkcí. Aplikace, např. průběh funkcí, Taylorůvpolynom.o Integrální počet. Primitivní funkce a Newtonův integrál. Určitý(Riemannův) integrál a jeho použití.2. Lineární algebrao Soustavy lineárních rovnic, metody řešení.o Matice, operace s maticemi. Hodnost matice, regulární matice ainverzní matice. Odstupňovaný tvar matice.o Základní algebraické struktury: grupy, tělesa, vektorové prostory.Základní vlastnosti konečně generovaných vektorových prostorů,vektorové podprostory. Báze a dimenze.o Lineární zobrazení. Základní vlastnosti, maticová reprezentace,skládání lineárních zobrazení.o Skalární součin a norma. Vlastnosti v reálném i komplexním případě,Cauchy-Schwarzova nerovnost. Kolmost. Ortogonální doplněk a jehovlastnosti, ortogonální projekce.o Determinanty. Definice a základní vlastnosti determinantu. Úpravydeterminantů, výpočet.o Vlastní čísla a vlastní vektory matic. Výpočet a základní vlastnosti.Diagonální tvar matice, diagonalizovatelnost. Jordanův normální tvaru(v obecném případě).3. Kombinatorika, pravděpodobnost a statistikao Binární relace, ekvivalence a částečná uspořádání. Kombinatoricképočítání: kombinační čísla, binomická věta, princip inkluze a exkluze.o Teorie grafů. Základní pojmy teorie grafů: grafy a podgrafy,izomorfismus. Stromy a jejich základní vlastnosti, kostra grafu.Rovinné grafy, barvení grafů. Toky v sítícha aplikace. Souvislost grafů(míra souvislosti), Mengerovy věta.o Náhodné jevy, podmíněná pravděpodobnost, nezávislost náhodnýchjevů. Náhodné veličiny, střední hodnota, linearita střední hodnoty.Bodové odhady a testování hypotéz.4. Algoritmy a datové strukturyo Časová složitost algoritmů. Metoda ,,rozděl a panuj'' - aplikace aanalýza složitosti, dynamické programování.o Binární vyhledávací stromy, vyvažování, haldy.o Třídění - sekvenční třídění, porovnávací algoritmy, přihrádkovétřídění, třídící sítě.o Grafové algoritmy - prohledávání do hloubky a do šířky, souvislost,topologické třídění, nejkratší cesta, kostra grafu, toky v sítích.Tranzitivní uzávěr.o Algoritmy vyhledávání v textu - Aho-Corasicková, KMP, sufixovýstrom, sufixové pole. Algebraické algoritmy - DFT, Euklidůvalgoritmus. RSA. Aproximační algoritmy. Automaty a gramatiky - typyautomatů a gramatik, vztahy, příklady.5. Aplikovaná informatikao Principy a základy implementace objektově orientovaných jazyků -třída, dědičnost, polymorfismus, virtuální funkce, atd. Genericképrogramování a knihovny šablony a generika, kompilačnípolymorfismus.o Normální formy, referenční integrita. Základy SQL.o Unix - základní pojmy (systém souborů, komunikace mezi procesy),shell (syntaxe, programové konstrukty), základní utility. Biologie• Složení živých buněk - malé molekuly a makromolekuly, jejichinterakce, vlastnosti vody a vodných roztoků důležité pro život,kyseliny, zásady a pufry, role vody v živých tělech,• Stavba buňky, funkce buněčných kompartmentů, srovnání buněčnéstavby pro- a eukaryot, povrchové struktury buněk, významspecifických struktur rostlinných buněk (buněčné stěny, plastidů,vakuol) pro životní strategii rostlin• Membrány - stavba, biogeneze a funkce membrán, membránovéproteiny, membránový potenciál a transmembránový přenos látek• Struktury proteinů a nukleových kyselin - primární, sekundární, terciálnía kvartérní struktury, motivy a domény, supramolekulární komplexy(ribosom, spliceosom, proteasom...); princip komplementarity bází,primární a sekundární struktury DNA a RNA• Enzymy a jejich vlastnosti - mechanismy katalýzý, regulace enzymovéaktivity, názvosloví enzymů• Energetický metabolismus - makroergní fosfátové sloučeniny, glykolýzaa citrátový cyklus, fermentace, oxidativní fosforylace a transportelektronů, fotosyntéza - celkový přehled, dílčí reakce a komplexy, jejichlokalizace• Zpracování genetické informace. Centrální dogma molekulární biologie,struktura virových, pro- a eukaryotických genomů. Vertikální ahorizontální přenos dědičné informace. Transpozony, viry, epigenetickádědičnost, priony• Základy genetiky - Mendelovy zákony, základní pojmy, různé verzedefinice genu. Intra- a intergenové interakce, genová vazba, genetickéaspekty sexuality, chromozomové určení pohlaví, pohlavně vázanádědičnost, mimojaderná dědičnost.• Mutace a mutageneze - mutace genové, chromozomové a genomové,molekulární podstata mutací, mutageny, reparace poškozené DNA• Exprese genů a její regulace na úrovni transkripční, posttranskripční,translační a posttranslační, genetický kód, syntéza a distribuce proteinův buňce, folding a účast chaperonů, posttranslační modifikace,regulace stability proteinů• Dynamika a funkce buněčných kompartmentů - endoplasmatickéretikulum, Golgiho komplex, vezikulární transport, endo- a exocytóza,sekreční dráha a nitrobuněčné adresování proteinů, lyzosom, vakuoly,peroxisom, hydrogenosom• Funkční anatomie buněčného jádra - stavba jádra, jaderný obal,organizace genetické informace, chromozomy, chromatin, jadérko• Semiautonomní organely - evoluční historie, stavba, funkce, replikace aexprese organelového genomu• Cytoskelet - cytoskeletální proteiny, molekulární motory a jinéasociované proteiny, interakce s dalšími buněčnými strukturami, úlohav morfogenezi buňky a buněčném cyklu, růst a pohyb buněk• Mezibuněčné spoje a mezibuněčná hmota –napojení buněk namezibuněčnou hmotu, složení a význam mezibuněčné hmoty; buněčnástěna u prokaryot a eukaryot• Buněčný cyklus a programovaná buněčná smrt - porovnání cykluprokaryotní a eukaryotní buňky, fáze cyklu, replikace DNA, u eukaryotjaderné dělení, mitoza a meioza, rekombinace DNA, cytokineze,apoptóza, buněčná onkogeneze• Komunikace uvnitř buněk a mezi buňkami, mezibuněčný aintracelulární přenos signálu, membránové a intracelulární receptory,vybrané příklady signálních drah• Principy základních metod molekulární biologie - metody analytickéseparace makromolekul, PCR, sekvenování, molekulární klonování,genomika, proteomika, transkriptomika. Modelové organismy vmolekulární biologii a genetice a jejich krátký popis a srovnání.Nejvýznamnější sekvenační projekty• Evoluce, různá její pojetí, významné události v dějinách teorie evoluce.• Lamarckismus, darwinismus, neodarwinismus• Mechanismy evoluce - drift, draft, evoluční tahy, genový tok, selekce• Mutace jako zdroj evolučních novinek, typy mutací, náhodnost mutacíco do místa, času a směru• Selekce - mechanismus, typy, úrovně• Pohlavní výběr - intrasexuální a intersexuální selekce, epigamní znaky,evoluce• Speciace: mechanismy a typy speciací• Evoluce pohlavního rozmnožování• Homologie, analogie, plesiomorfie a apomorfie v evoluci organismů Bioinformatika- definice oboru- historie bioinformatiky – oblasti bioinformatiky- biologická data- sekvenční srovnávání - dotplot – substituční tabulky – metody dynamickéhoprogramování–lokální a globální alignment – parwise versus multiple sequencealignment- hledání podobných sekvencí – Blast versus FASTA - statistické zhodnocenívýznamnosti nálezu - profilové metody (PSI-BLAST) – HMM metody- hledání domén a motivů – predikce transmembránových proteinů – predikcebuněčné lokalizace a postranslačních modifikací- databáze – vlastnosti databází – formáty dat- validace dat – významnébioinformatické databáze- strukturní srovnávání – hledání podobných struktur- predikce struktury makromolekul- fylogenetika – stavba stromů – základní metody tvorby stromů (ML, MP, NJ,Bayes) – bootstrap analýza