Physical Chemistry - Biophysical Chemistry

Syllabus

Okruhy otázek ke státní zkoušce z fyzikální chemie jsou vytvořeny na základě syllabů povinných předmětů, a to ze společného základu, kde tvoří kurikulum předměty MC260P10 Fyzikální chemie III (Molekulová struktura a spektroskopie) a MC260P129 Fyzikální chemie IV (Statistická termodynamika a molekulové simulace), a dále z povinného kurikula pro jednotlivé specializace, konkrétně:  ve specializaci Biofyzikální chemie MC260P44 Biofyzikální chemie I a MC260P45 Biofyzikální chemie II - experimentální metody  Při zkoušce si student vylosuje 2 okruhy otázek ze společného základu a 1 ze své specializace.   Společný základ

1. Teoretické základy spektroskopie. Časově závislá poruchová teorie, emise a absorpce záření, spontánní a stimulovaná emise, výběrová pravidla, Bornova-Oppenheimerova aproximace, tvar spektrálnich čar

2. Rotačně-vibrační spektra. Vibrace a rotace dvouatomových a víceatomových molekul. Ramanův rozptyl

3. Elektronová struktura a elektronová spektra. UV/Vis spektra, fluorescence, fosforescence, ultrafialová a rentgenová fotoelektronová spektroskopie, elektrické a magnetické vlastnosti látek.

4. Magnetická rezonance. Interakce molekul s magnetickym polem, magnetický hamiltonián, spin-spinové štěpení, spinová relaxace. Spektroskopie NMR a EPR

5. Základní pojmy statistické termodynamiky.  Definice souboru, partiční funkce v různých souborech, statistická váha, charakteristická funkce souboru, postuláty statistické termodynamiky, pravděpodobnost pozorování daného stavu při různé teplotě, Boltzmannův faktor a degenerace, Boseho-Einsteinova, Fermiho-Diracova a Boltzmannova statistika

6. Termodynamické funkce ideálního plynu. Definice ideálního plynu, translační, rotační, vibrační, elektronové a jaderné příspěvky, mono- di- a víceatomový ideální plyn, příspěvky k vnitřní energii a tepelné kapacitě. Chemická rovnováha v plynné fázi, chemický potenciál a příspěvky k chemickému potenciálu z partiční funkce ideálního plynu

7. Neideální systémy interagujících částic.  Konfigurační integrál, viriální rozvoj, párová korelační funkce, teorém korespondujících stavů, Isingův model, fázové přechody - kritická teplota, aproximace středního pole, roztoky elektrolytů, stíněný elektrostatický potenciál, Debeyova délka, aktivitní koeficient z Debye-Hückelovy teorie

8. Molekulové simulace – metody MD a MC. Statistické vzorkování konfiguračního a fázového prostoru, preferenční vzorkování, Metropolisovo kritérium, integrace pohybových rovnic v MD, ergoridicita - časový vs. soborový průměr,  modely intra- a inter-molekulárních interakcí, periodické okrajové podmínky, inicializace, ekvilibrace, zpracování korelovaných dat  Specializace: Biofyzikální chemie

1. Termodynamika a kinetika biochemických reakcí. Definice standardního stavu biochemických reakcí, energetické spřáhnutí reakcí, makroergní vazba. Mechanismy enzymové katalýzy, inhibice  enzymových reakcí, druhy inhibice a jejich mechanismus. Regulace funkce enzymů.

2. Struktura peptidů a proteinů.  Struktura a fyzikálně-chemické vlastnosti aminokyselin (acidobazické vlastnosti, optická aktivita, hydrofobicita), vlastnosti peptidové vazby, popis konformace polypeptidového řetězce. Sekundární, terciární a kvartérní struktura proteinů, strukturní motivy a domény

3. Struktura nukleových kyselin. Struktura nukleotidů, kanonické struktury DNA (A, B, Z forma), struktura reálné DNA, nomenklatura helikálních parametrů. Faktory ovlivňující teplotu denaturace duplexu DNA. Motivy a principy struktury RNA, sekundární struktura RNA

4. Struktura a funkce biologických membrán. Hydrofobní efekt, termodynamika spontánní asociace, kritická micelární koncentrace, síly řídící tvorbu micel a vrstev, vliv tvaru lipidu na druh agregátu. Struktura biomembrán, typy lipidů, klasifikace membránových proteinů.

5. NMR spektroskopie a její použití při studiu struktury proteinů. Původ NMR signálu, princip 2D NMR, spektra COSY a NOESY, obecný princip určení 3D struktury proteinu pomocí NMR

6. Proteinová krystalografie. Krystalová mřížka a její popis, teorie difrakce (atomový rozptylový faktor, strukturní faktor, Laueho podmínky, Braggův zákon, fázový problém a metody řešení fázového problému). Metody krystalizace proteinů.

7. Rozptylové a mikroskopické metody. Maloúhlový rozptyl rentgenového záření (SAXS), statický a dynamický rozptyl světla, kryoelektronová mikroskopie (cryoEM) a jejich použití při studiu biopolymerů

8. Analytická ultracentrifugace a kalorimetrie. Metoda sedimentační rychlosti, Svedbergova a Lammova rovnice, metoda sedimentační rovnováhy, využití ultracentrifugace při studiu biopolymerů.  Mikrokalorimetrie, princip metod ITC a DSC a jejich využití při při studiu biopolymerů.