Biofyzika a chemická fyzika

8. Biofyzika a chemická fyzika

Garantující pracoviště: Fyzikální ústav UK
Oborový garant: prof. RNDr. Vladimír Baumruk, DrSc.

Charakteristika studijního oboru:
Těžiště tohoto oboru leží na rozhraní fyziky, biologie a chemie. Výuka navazuje na základní fyzikální vzdělání, které prohlubuje v oblastech teoretické a experimentální fyziky důležitých pro popis a zkoumání molekul, biopolymerů, nadmolekulárních soustav a biologických objektů, a zároveň je doplňuje předměty pokrývajícími potřebné vybrané partie z chemie a biologie. Absolvent získá teoretické znalosti zejména z kvantové teorie, kvantové chemie, modelování molekul a molekulárních procesů, a dále znalosti experimentálních metod biofyziky a chemické fyziky, zejména optických a dalších spektroskopických metod, strukturní analýzy a zobrazovacích technik. Podle výběru povinně volitelných předmětů studijního plánu a diplomové práce se absolventům rovněž dostává vzdělání ve vybraných oblastech obecné a fyzikální chemie, biochemie, molekulární a buněčné biologie. Prostřednictvím pravidelných seminářů, diplomové práce, a tematicky zaměřených přednášek získávají studenti představu o současných problémech řešených v jednotlivých oborech a o metodách vědecké práce. Díky širokému okruhu znalostí mají absolventi možnost uplatnění ve výzkumných i aplikovaných oborech souvisejících s fyzikou, biologií, chemií, medicínou, materiálovým výzkumem, bio- a nano-technologiemi, farmacií apod.

Profil absolventa studijního oboru a cíle studia:
Cílem studia je, aby absolventi získali široké spektrum znalostí na rozhraní fyziky, chemie a biologie, měli hlubší přehled o svém oboru a byli schopni v něm tvořivě pracovat. Absolventi mají spolehlivý základ v kvantové fyzice, termodynamice a statistické fyzice, kvantové teorii molekul a molekulární spektroskopii. Mají praktické zkušenosti s experimentálními metodami biofyziky a chemické fyziky i s kvantově-chemickými výpočty a molekulárně-dynamickými simulacemi. Jsou zběhlí ve sdělování odborných poznatků formou prezentací anebo psaných textů, a to též v anglickém jazyce. U mnoha absolventů se předpokládá nástup profesní dráhy vědeckého pracovníka. Nabyté obecné vzdělání ve fyzice spolu se znalostmi z fyzikální chemie a molekulární biologie dovoluje absolventům hledat uplatnění i v mezioborových týmech zabývajících se fyzikou, biologií, chemií, medicínou, materiálovým výzkumem, bio- a nanotechnologiemi či farmacií a všude tam, kde je požadováno abstraktní uvažování a komplexní přístup k řešení složitých problémů.

Doporučený průběh studia

Předpokladem úspěšného magisterského studia tohoto oboru je získání základních znalostí na úrovni následujících předmětů:

Tyto předměty se obvykle zapisují ve třetím roce bakalářského studia programu Fyzika jako povinně volitelné. Pokud posluchač tyto nebo jim ekvivalentní předměty neabsolvoval, měl by si je ve vlastním zájmu zapsat jako volitelné v prvním roce navazujícího magisterského studia. Obsah uvedených předmětů je součástí společných požadavků státní závěrečné zkoušky.

Povinné a povinně volitelné předměty – skupina 1 (40 kreditů)

Studenti si volí jedno ze tří zaměření Biofyzika, Chemická fyzika a Teorie molekulárních systémů.

1. rok magisterského studia

2. rok magisterského studia

Povinně volitelné předměty – skupina 2 (26 kreditů)

Doporučené volitelné předměty

Podmínky pro přihlášení ke státní závěrečné zkoušce

– získání alespoň 120 kreditů

– splnění všech povinných předmětů zvoleného oboru

– získání alespoň 40 kreditů z povinně volitelných předmětů oboru ze skupiny 1

– získání alespoň 26 kreditů z povinně volitelných předmětů oboru ze skupiny 2

– odevzdání vypracované diplomové práce ve stanoveném termínu

Předmět lze splnit jeho úspěšným absolvováním či uznáním z předchozího studia.

Požadavky k ústní části státní závěrečné zkoušky

A. Společné požadavky

1. Pokročilá kvantová mechanika
Variační princip a poruchový počet. Symetrie vlnové funkce, bosony a fermiony. Pauliho princip. Symetrie a zákony zachování. Štěpení hladin při snížení symetrie. Oddělení pohybu elektronů a jader. Jednočásticová aproximace. Hladiny atomů, molekul a pevných látek. Typy vazeb v molekulách a kondenzovaných systémech. Molekula vodíku. Pauliho a Diracova rovnice. Orbitální a spinový moment hybnosti, jejich operátory a kvantování. Skládání momentů hybnosti. Orbitální a spinový magnetický moment a jejich interakce s vnějším polem. Druhé kvantování. Kvantování elektromagnetického pole. Interakce elektromagnetického záření s látkou. Zlaté pravidlo. Absorpce, stimulovaná a spontánní emise. Výběrová pravidla. Doby života kvantových stavů. Šířka a tvar spektrální čáry.

2. Kvantová teorie molekul
Typy vazeb. Bornova–Oppenheimerova a adiabatická aproximace. Vibrační a rotační spektra molekul. Atomové a molekulové orbitaly. Metoda LCAO a metoda valenčních vazeb. Klasifikace elektronových hladin. Hückelova metoda. Hartreeho a Hartreeho–Fockovy rovnice. Roothaanovy rovnice. Metoda konfigurační interakce. Korelační energie. Přehled ab initio a semiempirických metod. Slabé mezimolekulové interakce.

3. Termodynamika a statistická fyzika molekulárních soustav
Termodynamická rovnováha, stavové veličiny, hlavní termodynamické věty a jejich důsledky. Termodynamické potenciály, podmínky rovnováhy a stability, fázové přechody. Popis nerovnovážných procesů. Statistický popis stavu, distribuční funkce a matice hustoty. Liouvilleova rovnice. Gibbsovy stacionární soubory, souborové středování, stavová suma. Klasické a kvantové systémy neinteragujících částic, ideální plyny. Pauliho kinetická rovnice, zobecněná kinetická rovnice.

4. Základy molekulární fyziky
Typy základních intra- a intermolekulárních interakcí. Konformace molekul. Fázové stavy a přechody u molekulárních systémů.

B. Užší zaměření

Student si volí jeden tematický okruh otázek odpovídající jeho zaměření.

Biofyzika

1. Experimentální metody v biofyzice
Difrakce rentgenového záření, elektronů a neutronů. Principy základních difrakčních metod. Symetrie a struktura krystalů a jejich určení z difrakčního obrazu.

Mnohoatomová molekula, její stacionární stavy a přechody mezi nimi. Teoretické základy optické spektroskopie. Projevy mezimolekulárních interakcí v optických spektrech. Technika optické spektroskopie. Elektronová absorpční spektroskopie. Vibrační spektroskopie (absorpční a Ramanova rozptylu). Rozptyl elastický, kvazielastický a Brillouinův. Emisní spektroskopie. Vlastní luminiscence biomolekul, fluorescenční sondy a značky. Polarizované světlo v optické spektroskopii. Časově rozlišená optická spektroskopie. Mikroskopické techniky.

Gyromagnetická částice, jev magnetické rezonance. Elektrické a magnetické momenty atomových jader, energie v elektrickém a magnetickém poli. Jaderný paramagnetismus, relaxační procesy. NMR spektroskopie vysokého rozlišení v kapalné a pevné fázi—spinový hamiltonián, typy interakci, projevy ve spektrech. Dekapling, koherentní transfer polarizace, nukleární Overhauserův jev. Jednodimenzionální a dvoudimenzionální pulzní NMR—koncepce, základní pulzní sekvence. Zobrazování MR—principy, typy obrazů. ESR, spinový hamiltonián a spektra.

2. Biochemie a molekulární biofyzika
Složení a struktura základních biomolekul (nukleové kyseliny, proteiny, sacharidy). Termodynamika fosfátových sloučenin. Metabolizmus cukrů: Glykolýza a glykolytické reakce. Kvašení—anaerobní odbourávání cukrů. Pentozový cyklus. Glukoneogeneze a Coriho cyklus. Aerobní odbourávání cukrů. Vznik acetylkoenzymu A. Citrátový cyklus a jeho amfibolická povaha. Termodynamika přenosu elektronů—redoxní potenciály. Transport elektronů v dýchacím řetězci. Oxidativní fosforylace—syntéza ATP. Fotosyntéza. Biologické membrány, selektivní permeabilita biologických membrán, typy transportu biologickou membránou.

Buňka—struktura bakteriálních a eukaryotických buněk, buněčné dělení, buněčný cyklus. Molekulární genetika—struktura a složení nukleových kyselin a proteinů. Uspořádání DNA v buňkách, struktura a funkce chromosomů, chromatinu a nukleosomů, funkce centromer a telomer, histony a jejich modifikace, epigenetická dědičnost, priony. Zpracování genetické informace (centrální dogma molekulární biologie), replikace DNA, replikace chromosomů a replikace konců lineárních chromosomů, transkripce a úpravy RNA, sestřihové mechanismy, ribozymy, RNA svět, prokaryotická a eukaryotická translace, chaperony, degradace proteinů. Základní principy regulace genové exprese, aktivátory a represory transkripce, regulace prokaryotické a eukaryotické iniciace transkripce, atenuace, změny ve struktuře chromatinu a umlčování genů. Mutace a mutageneze, molekulární podstata mutací, mutageny, poškození DNA a reparace poškozené DNA, oprava chyb vzniklých při replikaci DNA. Metody studia DNA (sekvenace) a genové exprese (na úrovni mRNA i proteinu), genové inženýrství (rekombinantní DNA in vitro, transgenoze organizmů), fluorescenční proteiny.

Přenos energie na buněčné úrovni. Přenos chemické energie. Typy transportu biologickou membránou. Bioelektrické jevy. Dýchání a fotosyntéza, struktura a funkce antén a reakčních center, energetika transportu elektronů a protonů. Role singletního kyslíku ve fotosyntéze a ve fotodynamické terapii. Přeměna chemické energie v mechanickou. Bioenergetika vidění.

Chemická fyzika

1. Experimentální metody chemické fyziky
Difrakce rentgenového a synchrotronového záření, elektronů a neutronů. Principy základních difrakčních metod. Symetrie a struktura krystalů a jejich určení z difrakčního obrazu. Elektronová mikroskopie. Magnetická rezonance. Princip spektrometru. Spektra NMR organických látek. EPR volných radikálů. Teoretické základy a technika optické spektroskopie. Mnohoatomová molekula, rotační, vibrační a elektronové stavy molekul. Měření absorpčních spekter. Vibrační absorpční spektroskopie a chiroptické metody. Rozptyl elastický, kvazielastický, Ramanův. Metody emisní spektroskopie. Přechody v mnohaelektronových molekulách. Kinetika luminiscence a kvantový výtěžek. Polarizovaná luminiscence. Vliv mezimolekulárních interakcí na parametry luminiscence. Teoretická interpretace optických spekter.

2. Struktura kondenzovaných soustav a spektroskopické metody
Struktura a symetrie molekul, biopolymerů, nadmolekulárních struktur a pevných látek. Určování struktur molekul a pevných látek. Kinetika chemických reakcí, katalýza. Laserové spektroskopické metody. Časově rozlišená optická spektroskopie. Ozónová díra a singletní kyslík.

Teorie molekulárních systémů

1. Molekulární simulace v chemické fyzice
Molekulární mechanika a dynamika. Empirická silová pole. Strategie modelování supramolekulárních systémů a krystalů a predikce jejich fyzikálních, chemických a biologických vlastností. Aplikace v materiálovém výzkumu. Porovnání modelů s experimentem.

2. Ab initio výpočty v chemii a biochemii
Metody výpočtu korelačních energií: konfigurační interakce, vázané klastry, poruchová teorie. Aplikace na biochemické systémy a slabé mezimolekulové interakce. Klasická a kvantová molekulová dynamika. Symetrie molekul.

3. Základy molekulární spektroskopie
Přehled hlavních spektroskopických metod. Elektronová spektroskopie organických molekul. Vlastnosti a deaktivace excitovaných stavů. Teoretická interpretace experimentálních výsledků.