Státní závěrečná zkouška | B-BIC | Jaro 2023

Obecná biochemie

• Aminokyseliny, jejich vzorce, acidobazické rovnováhy, izoelektrický bod.
• Peptidy, peptidová vazba, primární, sekundární, terciární, kvarterní struktura. Metody stanovení primární a sekundární struktury, souvislost mezi primární a sekundární strukturou, vazby stabilizující sekundární strukturu.
• Metody dělení a izolace bílkovin. Chování bílkovin v roztoku (srážení, ionexová a afinitní chromatografie, gelová filtrace, elektroforéza v SDS, izoelektrická fokusace a 2D elektroforéza).
• Biochemie hemoglobinu. Přenos kyslíku a jeho regulace.
• Sacharidy. Pentosy, hexosy, aldosy, ketosy. Glysosidy, glykosidová vazba a její vlastnosti, disacharidy, homopolysacharidy (škrob, celulosa, glykogen, chitin), heteropolysacharidy, proteoglykany.
• Lipidy, mastné kyseliny, glycerofosfolipidy, plasmalogeny, sfingolipidy, steroidy, liproteiny.
• Nukleové kyseliny. Báze, DNA, RNA, typy šroubovice DNA, superhelikální struktura, vazby stabilizují sekundární strukturu DNA. Replikace, transkripce, translace. Základy genovým manipulací. Sekvenace nukleových kyselin.
• Termodynamika enzymových reakcí. Makroergické vazby. Reakční kinetika, enzymy jako biokatalyzátory. Aktivní místo, katalytické místo, kofaktory, koenzymy a prostetické skupiny, mechanismus působení serinových proteináz. Rovnice Michaelise-Mentenové, metody stanovení Km a VL, číslo přeměny, aktivita enzymu, konstanta specifity. Inhibice enzymové reakce, dvousubstrátové reakce, Regulace enzymové aktivity: vliv pH, zymogeny, kovalentní modifikace (fosforylace, adenylylace, disulfidy).
• Glykolýza, její jednotlivé kroky, energetická bilance. Substrátová fosforylace. Glukoneogeneze. Krebsův cyklus, Pentosafosfátová dráha. Oxidace mastných kyselin, syntéza mastných kyselin, acetogeneze. Odbourávání aminokyselin. rozdělení a význam proteáz. Vylučování dusíku, močovinový cyklus. Respirační řetězec, jeho komponenty. Oxidační fosforylace, Membránový transport, Fotosyntéza, lokalizace a komponenty, světelná fáze, Calvinův cyklus.
• Mechanismus svalového stahu, biochemie vidění, přenos nervového vzruchu.
• Imunochemie. Protilátky a antigeny. Buněčná imunita. Imunoanalytické postupy, ELISA.
• Hormony. Mechanismu funkce některých hormonů (adrealin, glukagon, prostaglandiny, steroidní hormony, thyroxin, inzulin, rostlinné hormony). Základy buněčné signalizace, druhý posel. Struktura a funkce G-proteinů. Xenobiochemie, cytochrom P450.

Biochemické metody

• Úvod. Zásady práce s biologickým materiálem. Strategie a plánování.
  
• Desintegrace tkání a buněk. Centrifugace a sedimentační analýza.
  
• Fázové separace. Srážení a extrakce. Membránové separace. Zahušťování a sušení. Úprava vody.
  
• Chromatografické metody. Obecné principy a charakteristiky. Chromatografie adsorpční a rozdělovací. Iontoměničová chromatografie, chromatofokusace.
  
• Chromatografie reverzně fázová a iontově párová. Hydrofobní chromatografie Chromatografie gelová. Chromatografie afinitní. Plynová chromatografie.
  
• Elektromigrační metody. Obecné charakteristiky a vlivy. Elektroforesa volná a zónová.
  
• Izoelektrická fokusace. Isotachoforesa. Blotting.
  Hmotnostní spektroskopie.
• Elektronová spektra molekul, přechody, základní a excitovaný stav, vliv prostředí, UV-VIS spektrofotometrie, použití ke stanovení látek, použití ke studiu struktury bílkovin. Atomová absorpční a atomová emisní spektrometrie.
  
• Luminiscenční metody, kvantový výtěžek, vliv prostředí, Spektrofluorimetrie, princip, užití ke stanovení látek, použití ke studiu konformace bílkovin, zhášení flurescence transfer energie, polarizovaná, fluorescence, fosforimetrie.
  IR spektroskopie a její užití ke studiu struktury bílkovin, Ramanův rozptyl a jeho použití ke studiu struktury bílkovin. Chiroptické metody a jejich princip, ORD a CD a jejich použití ke studiu konformace bílkovin.
• Mikroskopie. Metody optické mikroskopie, elektronová mikroskopie, mikroskopie skenující próbou.
• Imunochemické metody. Příprava a využití protilátek v bioanalytické chemii, formáty imunochemických stanovení.
• Biosensory. Biokatalytické a bioafinitní sensory, nejvýznamnější druhy převodníků.
• Biochemické aplikace nanočástic. Nejvýznamnější druhy nanočástic, jejich příprava, charakterizace a využití v bioanalytické chemii.

Obecná a fyzikální chemie

• Ideální plyn. Použití stavové rovnice ideálního plynu. Výpočet parciálních tlaků. (1.1)
• První zákon termodynamiky: Základní pojmy. Znění prvního termodynamického zákona. Objemová práce – výpočty pro expanzi proti konstantnímu tlaku a pro vratnou expanzi. Entalpie: definice, význam, vztah mezi DH a DU. Izobarická a izochorická tepelná kapacita (2.1)
• První zákon termodynamiky: Termochemie. Hessův zákon: kombinování reakčních entalpií. (2.2)
• Druhý zákon termodynamiky: Směr samovolného děje. Termodynamická definice entropie a výpočet změny entropie pro izotermickou expanzi ideálního plynu. Clausiova nerovnost. (3.1)
• Druhý zákon termodynamiky: Vlastnosti systému. Definice Helmholtzovy a Gibbsovy energie a na nich založená kritéria samovolného děje. Výpočet maximální práce a maximální neobjemové práce reakce. Výpočet standardní Gibbsovy energie reakce a posouzení spontánnosti reakce. Fundamentální rovnice chemické termodynamiky. (3.2)
• Fázové přechody čistých látek. Fázový diagram čisté látky: schopnost doplnění charakteristik a interpretace dat. Směrnice koexistenčních křivek pro typické látky (CO₂ H₂O). Chemický potenciál čisté látky a jeho závislost na T a p. Jednoduché směsi. Chemického potenciál látky ve směsi a fundamentální rovnice chemické termodynamiky. Závislost chemického potenciálu ideálního plynu na tlaku. Raoultův zákon a Henryho zákon. Aktivita rozpouštědla a rozpuštěné látky. (4.1+2)
• Samovolné chemické reakce. Reakční Gibbsova energie a podmínka rovnováhy. Obecná reakce: reakční Gibbsova energie v libovolném stádiu reakce, způsob výpočtu standardní reakční Gibbsovy energie, definice reakčního kvocientu. Definice a výpočet rovnovážné konstanty. (6.1)
• Odezva rovnováh na změny podmínek. Jak reagují rovnováhy na změny tlaku a teploty. (6.2)
• Rovnovážná elektrochemie. Výpočet standardního napětí článku. Vztah rovnovážného napětí článku k reakční Gibbsově energii. Nernstova rovnice a její využití. Interpretace řady napětí kovů. Určování rovnovážných konstant ze standardního napětí článku. (6.3)
• Empirická chemická kinetika: Reakční rychlosti + Intergovaná rychlostní rovnice. Definice a použití pojmu rychlost reakce. Odečtení okamžité rychlosti z grafu. Řád reakce. Reakce prvního řádu: rychlostní rovnice v diferenciálním a integrovaném tvaru, poločas reakce a jeho určení. (21.1.2+3)
• Závislost reakčních rychlostí na teplotě. Arrheniova rovnice a její použití pro stanovení Arrheniových parametrů nebo naopak závislosti rychlostní konstanty na teplotě. (21.1.5)

Literatura: P.W.Atkins, J. de Paula: Fyzikální chemie, VŠCHT Praha, 2013. (Čísla otázek = čísla podkapitol)

Organická chemie

• Struktura, vazebné poměry reaktivita. Hybridizace a vazebné poměry. Konjugace. Mezomerní a indukční efekt. Elektrofil a nukleofil. Oxidační číslo. Substituční názvosloví.
• Konformační analýza a stereochemie. Newmanova projekce, klínkové vzorce a Fischerova projekce, konformace, konformer a torzní úhel. Konformery alkanů, cyklohexanu a substituovaných cyklohexanů. Isomery, chiralita, enantiomery a diastereomery. Deskriptory konfigurace (E/Z, cis/trans, R/S).
• Kyselost a bazicita. Kyselost a bazicita organických látek a faktory, které ji ovlivňují.
• Nukleofilní substituce a eliminace. Monomolekulární a bimolekulární alifatické substituce. Aktivace -OH skupiny alkoholu. Monomolekulární a bimolekulární eliminace. Zajcevovo a Hofmannovo pravidlo.
• Vlastnosti a reakce nenasycených uhlovodíků. Elektrofilní adice HX, H2O, halogenů a HXO na alkeny. Markovnikovovo pravidlo. Hydroborace-oxidace, hydrogenace, epoxidace a dihydroxylace. Ozonizace. Kyselost terminálních alkynů. 1,2- a 1,4-Adice na konjugované dieny. Cykloadiční reakce.
• Vlastnosti a reakce aromatických ulovodíků. Hückelovo pravidlo. Elektrofilní aromatická substituce (SEAr) – nitrace, sulfonace, Friedelova-Craftsova alkylace a acylace. Vliv substituentů na SEAr. Nukleofilní aromatická substituce probíhající adičně-eliminačním mechanismem (SN2Ar) a eliminačně-adičním mechanismem.
• Vlastnosti a reakce aldehydů a ketonů. Reakce aldehydů a ketonů s nukleofily (vznik poloacetalů, acetalů, iminů a enaminů) a enolizovatelných karbonylových sloučenin s elektrofily (halogenace, alkylace). Reakce aldehydů a ketonů s komplexními hydridy hliníku a boru a organokovy. 1,2- a 1,4-Adice na a,b-nenasycené karbonylové sloučeniny. Wittigova reakce. Aldolová reakce/kondenzace.
• Vlastnosti a reakce karboxylových kyselin a jejich derivátů. Vliv substituentů na kyselost. Funkční deriváty karboxylových kyselin a jejich reaktivita s nukleofily. Nukleofilní acylová substituce. Reakce s organokovy a komplexními hydridy. Spontánní dekarboxylace b-oxokyselin. Malonesterové syntézy. Struktura a vlastnosti aminokyselin včetně acidobazického chování. Peptidová (amidova) vazby.
• Vlastnosti a reakce alkoholů a fenolů. Vlastnosti alkoholů a fenolů (teplota varu, kyselost, bazicita, mísitelnost s vodou). Aktivace -OH skupiny jako odstupující skupiny. Oxidace primárních a sekundárních alkoholů. Redoxní pár chinon-hydrochinon. Příprava, vlastnosti a reaktivita etherů a epoxidů. Vlastnosti, příprava a reaktivita thiolů a sulfidů.
• Vlastnosti a reakce aminu. Struktura a vlastnosti aminů (teplota varu, kyselost, bazicita). Příprava aminů. Hofmannova eliminace kvarterních amoniových hydroxidů. Výroba a použití diazoniových solí. Nitro-sloučeniny. Struktura a reaktivita organokovů, základní reakce přípravy organokovů. Reakce organokovů s kyselinami, alkylačními činidly, aldehydy a ketony, epoxidy, nitrily, funkčními deriváty karboxylových kyselin a oxidem uhličitým.
• Radikálové reakce. Stabilita uhlíkových radikálů. Radikálová halogenace a autooxidace uhlovodíků.
• Vlastnosti, struktura a reakce sacharidů. Chemická povahu a vlastnosti monosacharidů, oligosacharidů a polysacharidů. Řada D- a L-cukrů, epimer, anomer, redukující a neredukující sacharidy a mutarotace. O- a N-glykosidy, estery, aminy, cukerné alkoholy a karboxylové kyseliny odvozené od sacharidů. Struktura a vlastnosti mono-, di- a polysacharidů.
• Vlastnosti, struktura a reakce heterocyklických sloučenin. Struktura a názvy heterocyklických sloučenin. Pětičlenných a šestičlenné aromatické heterocykly a jejich reakce. Přírodní deriváty porfinu, pyrimidinu a purinu.
• Vlastnosti, struktura a reakce lipidů. Společné vlastnosti lipidů. Chemická struktura skupin lipidů (vosky, triacylglyceroly, fosfolipidy, sfingolipidy, terpeny, steroidy a prostaglandiny). Mastné kyseliny, vliv dvojné vazby na jejich vlastnosti. Biologická funkce lipidů.

Analytická chemie

• Rozklady vzorků na mokré cestě, rozklady vzorků na suché cestě. Principy kvalitativní chemické analýzy.
• Gravimetrie. Teorie vzniku sraženin, pochody na sraženinách, vážení, zpracování sraženin, gravimetrické postupy.
• Titrační metody. Popis rovnováh. Protolytické, komplexotvorné a srážecí rovnováhy. Redoxní rovnováhy, standardní a formální potenciál. Výklad titračních křivek, titrační roztoky a primární standardy, indikace ekvivalenčního bodu. Acidobazické titrace, acidobazické tlumivé roztoky. Komplexometrické titrace, chelatometrie. Srážecí titrace. Redoxní titrace.
• Elektroanalytické metody. Potenciometrické metody. Indikační a referenční elektrody, iontově selektivní elektrody, skleněná elektroda. Měření pH. Potenciometrická indikace průběhu titrací a ekvivalenčního bodu, Granova linearizace titračních křivek. Konduktometrické metody. Elektrogravimetrie, coulometrie. Polarizační křivky, vylučovací proud, Faradayovy zákony. Coulometrie při konstantním potenciálu a při konstantním proudu. Voltametrie, polarografie. Polarografická analýza.
• Optické analytické metody. Elektromagnetické záření, Bouguer-Lambert-Beerův zákon, příčiny absorpce a emise záření. Molekulová absorpční spektroskopie (UV, VIS, IR), atomová absorpční a emisní spektroskopie, luminiscenční metody. Refraktometrie, polarimetrie. Hmotnostní spektrometrie.
• Separační metody. Kapalinová extrakce. Analytické využití ionexů. Chromatografie na tenké vrstvě sorbentu. Plynová chromatografie a HLPC (vysokoúčinná kapalinová chromatografie) – instrumentace, kvalitativní a kvantitativní charakteristiky, použití. Elektromigrační metody, zónová elektroforéza, izotachoforéza.
• Hodnocení výsledků analýz. Analytický signál, standardizace, kalibrační křivka. Parametry analytické metody. Chyby a jejich vztah k parametrům analytických metod. Statistické vyhodnocování analytických výsledků.

Struktura a funkce buňky

• Chemické složení živých soustav. Voda, prvky, anorganické látky, proteiny, lipidy, sacharidy.
• Buňka. Buněčná teorie, prokaryotická a eukaryotická buňka, rostlinná a živočišná buňka.
• Buněčné struktury a jejich funkce I. Buněčná stěna, cytoplazmatická membrána, membránový transport
• Buněčné struktury a jejich funkce II. Endoplazmatické retikulum, Golgiho komplex, lysosomy, peroxisomy, vakuoly, mitochondrie, chloroplasty, cytoskelet, buněčné jádro.
• DNA, buněčný cyklus, mitóza a meióza, replikace, transkripce, translace, signálová transdukce, regulace exprese.
• Viry. Charakteristika a stavba.
• Prvoci a houby. Charakteristika a stavba.
• Baktérie. Metabolizmus baktérií, charakteristika a stavba.
• Rostliny. Rostlinná pletiva, stavba rostlin, rostlinné orgány, molekulární systematika rostlin.
• Živočišné tkáně. Tkáň nervová, svalová, epitelové tkáně a vazivové tkáně.

Rostlinná biochemie

• Buněčná stěna. Vlastnosti, složení, syntéza, enzymy zodpovědné za modifikace, lignin, lignifikace.
• Metabolizmus dusíku u rostlin. Fixace molekulárního dusíku, asimilace amoniaku, GS-GOGAT cyklus, nitrát a nitrit reduktáza, regulace.
• Metabolizmus síry. Syntéza sirných aminokyselin, glutathionu a fytochelatinů, regulace.
• Fotosyntéza I (světelná fáze). Fotosyntetické pigmenty, chlorofyl, fykobiliny karotenoidy, fotochemie, Z-chéma. Fotorespirace. Inhibitory
• Fotosyntéza II (temná faze). Asimilace CO2 (rostliny typu C3 a C4). Synthesa polysacharidů a oligosacharidů (sacharóza, škrob).
• Metabolizmus sacharidů a lipidů. Respirační řetězec rostlinných mitochondrií. Vztah mezi glyoxylátovým a Krebsovým cyklem.
• Interakce rostlin s patogeny. Rozdělení patogenů a jejich životní cyklus, koncept gen proti genu, cik-cak model. Druhy systémové rezistence. Hypersenzitivní reakce. Vztah mezi JA/SA/ethylenem, fytoalexiny, Obranný priming
• Rostlinné hormony. Struktura, syntéza, mechanismus účinku na molekulární úrovni (auxiny, gibereliny, cytokininy kys. abscisová, ethylene, brasinosteroidy). Regulace vývoje světlem.
• Metabolismus GABA. Šikimátová dráha. Herbicidy.

Buněčné signalizace

• Typy signálních molekul a mezibuněčných signalizací u eukaryot. Hormony, růstové faktory, neurotransmitery, cytokiny. Endokrinní, neurokrinní parakrinní a autokrinní komunikace.
• Rozdělení hormonů podle typu receptorů a mechanismu účinku. Hierarchické uspořádání endokrinního systému. Zpětnovazebná regulace sekrece hormonů.
• Metabolismus hormonů a základní experimentální metody při studiu jejich účinku. Biosyntéza peptidových a bílkovinných hormonů. Biosyntéza hormonů štítné žlázy a jejich metabolické přeměny ve tkáních. 
• Mechanismy přenosu signálu zprostředkované receptory v plazmatické membráně. Základní typy receptorů, efektorů, druhých poslů a proteinových kináz. Zesilovací funkce kaskády receptor-efektor-druhý posel-protein kináza.
• Heterotrimerní G-proteiny a jejich funkce. Mechanismus transdukce signálu zprostředkované G-proteiny. Základní typy G-proteinů alfa-, beta- a gama-podjednotek. Mechanismus účinku cholera toxinu a pertussis toxinu. Užití nehydrolyzovatelných analogů GTP při studiu funkce G-proteinů.
• Nejdůležitější signální dráhy iniciované interakcí extracelulárních ligandů s receptory spřaženými s G-proteiny. Adenylylcyklasová kaskáda a mechanismus aktivace protein kinasy A. Fosfatidylinositolová kaskáda a aktivace protein kinasy C.
• Úloha intracelulárního vápníku a kalmodulinu při přenosu signálu. Inositoltrisfosfátové a ryanodinové receptory. Signální role cADP-ribosy. Mechanismy vápníkem indukovaného uvolňování vápníku.

Klinická biochemie

• Biologický materiál. Materiál pro klinicko-biochemická vyšetření, zásady správného odběru materiálu, jeho transportu a uchovávání. Mimoanalytické vlivy ovlivňující výsledek vyšetření.
• Fyziologie a patofyziologie tělních tekutin a elektrolytů. Rozdělení tělních tekutin, osmotický tlak. Hospodaření s vodou a elektrolyty (Na+, K+, Cl−). Regulace vnitřního prostředí.
• Funkce ledvin. Resorpční, koncentrační a regulační děje spjaty s ledvinami, ledvinová clearance.
• Acidobazická rovnováha a její regulace, transport plynů. Pufrační systémy krve. Hemoglobin, jeho role při regulaci pH, transport O2; a CO2. Respirační a metabolické poruchy, jejich kompenzace.
• Metabolismus cukrů. Diabetes mellitus (DM). Glukosové transportéry, hormonální regulace metabolismu glukosy. Diagnostika DM. Komplikace při DM.
• Metabolismus lipidů a lipoproteinů. Rozdělení lipoproteinů, základní chemická, fyzikální a fyziologická charakteristika. Syntéza a metabolismus. Cholesterol.
• Funce jater. Metabolismus žlučových barviv, ikterus. Enterohepatální oběh žlučových kyselin. Klinicky důležité jaterní enzymy a nízkomolekulární markery jaterního onemocnění.
• Biochemie trávení. Slinivka břišní. Endokrinní a exokrinní funkce pankreatu, funkční test. Trávení a resorpce sacharidů, proteinů a lipidů.
• Biochemie kostní tkáně. Metabolismus vápníku, hořčíku. Kalcitonin, parathyroidní hormon, kalcitriol. Onemocnění kostí, osteoporosa.
• Biochemie svalu. Sarkomera, kontrakční a regulační proteiny, enzymy. Mechanismus kontrakce a relaxace kosterního svalu, odlišnosti v kontrakci a relaxaci myokardu a buněk hladkého svalu. Energetika svalového stahu.
• Onemocnění srdce. Enzymy a důležité bílkoviny srdečního svalu. Akutní infarkt myokardu.
• Vrozené metabolické poruchy. Základní rozdělení, typy dědičnosti, novorozenecký screening. Vybrané dědičné choroby – fenylketonurie, alkaptonurie, hyperhomocysteinemie, choroba javorového sirupu, galaktosemie, intolerance fruktosy, poruchy metabolismu purinů, hemoglobinpatie, cystická fibrosa.

Bioinformatika a chemoinformatika

• Zdroje bioinformatických dat (primární, sekundární, strukturní databáze). Složené databáze, bioinformatická centra, chyby v databázích. Vyhledávání odborné literatury.
• Reprezentace a manipulace s dvoudimenzionálními (2-D) a 3-D strukturami. Převod 2-D zobrazení do 3-D a naopak. Modely pro měření molekulární podobnosti a pro studium kvantitativních vztahů mezi strukturou a aktivitou látek.
• Lineární zápis sekvence biomakromolekul, trojpísmenné, jednopísmenné zkratky aminokyselin. překlad DNA, čtecí rámce. Tiché mutace.
• Vyhledávání a identifikace genů a kódujících oblastí, 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. 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.
• Predikce základních vlastností proteinů (izoelektrický bod, extinkční koeficient, stabilita, lokalizace, posttranslační modifikace).
• Validace struktur získaných z databází, grafická reprezentace dat.
• Metody získávání strukturních informací. Sekvenace nukleových kyselin, metody genového inženýrství, exprese rekombinantních proteinů. Základní charakterizace proteinů, metody optické a hmotnostní spektroskopie, sekvenace proteinů.