SZZM8

Course: Structural Biology

Department/Abbreviation: KBF/SZZM8

Year: 2020

Guarantee: 'doc. RNDr. Martin Kubala, Ph.D.'

Annotation:

• Structure of biomolecules (nucleic acids, proteins, lipids and carbohydrates)
• Non-covalent interaction
• Organization of cellular membranes
• Transport through a membrane
• Experimental methods of determination of the structure of biomolecules
• Monitoring of dynamics of biomolecules
• Detection of molecular interactions
• Quantum chemical computations
• Comparison of biopolymers

Course review:
1. Aminokyseliny a peptidy. Fyzikální vlastnosti aminokyselin (velikost, hydrofobicita, pKA). Přírodní peptidy: hormony, antibiotika, jedy a toxiny. Proteiny. Periodické sekundární struktury proteinů: alfa-helix a skládaný list. Terciární a kvartérní struktury proteinů. Allosterie. 2. Metody stanovení celkových proteinů. Metody stanovení Mr proteinů. Struktura a funkce bílkovin. Sekvencování peptidů a problematika peptidových syntéz. Metody pro stanovení sekundární struktury proteinů. Metody pro stanovení terciární struktury proteinů. Interakce bílkovin s léčivy, inhibitory a cizorodými látkami; navrhování a modelování nových léčiv. 3. Enzymy. Specificita a vztah k reakční rovnováze a aktivační energii reakcí. Podmínky enzymové aktivity (pH, teplota, koncentrace solí). Enzymová kinetika. Rovnice Michaelise a Mentenové, význam Km, jednotky a metody stanovení enzymové aktivity. Aktivace enzymů. Reversibilní a ireversibilní inhibice. Typy reversibilních inhibicí. Allosterické enzymy. Mechanismus působení enzymů. Aktivní místo enzymu. Koenzymy, kofaktory, kosubstráty a prosthetické skupiny. 4. Nukleové kyseliny. Struktura a funkce basí, párů basí a oligomerů nukleových kyselin; struktura a funkce DNA a komplexů DNA s léčivy a cizorodými látkami, vznik a typy mutací. Vyšší organizace DNA. Chromosomy, nukleosomy a chromatin. 5. Určení sekvence nukleových kyselin (endonukleázy, exonukleázy, restriktázy, chemická /Maxam-Gilbertova/ metoda, terminační /Sangerova/ metoda). Metody studia reakcí mutagenů, kancerogenů a cytostatik s DNA; vazba na DNA, detekce a charakterizace aduktů DNA-karcinogen, sekvenční preference vazby, tvorba meziřetězcových můstků, změny konformace a stability DNA, reakce s buněčnými proteiny a opravy poškozené DNA, metody a postupy pro určení mutagenity chemických látek. 6. Spektroskopické a biochemické metody ve strukturní biologii. Metody určování velikosti a tvaru biomakromolekul. Interakce biomakromolekul s ligandy. Studium rychlých reakcí, technika stopped-flow. 7. Biologické membrány. Struktura a modely buněčných membrán. Fyzikální vlastnosti membrán (fázové přechody, pohyblivost). Transport látek přes biologickou membránu (aktivní a pasivní). 8. Původ a popis nekovalentních interakcí, srovnání kovalentních a nekovalentních interakcí. Experimentální detekce nekovalentních interakcí. Kvantově-chemické a statisticko-termodynamické určení nekovalentních interakcí; statický a dynamický pohled. Počítačové experimenty: metody molekulové dynamiky a Monte Carlo. 9. Energie, enthlapie, entropie, volná energie; hydrofobní interakce. Vodíkové vazby; nepravé vodíkové vazby; dvouvodíkové vazby. Mezimolekulové komplexy v plynné fázi. Úloha kapalné fáze a struktura nekovalentních komplexů v kapalném prostředí. Nekovalentní interakce v biomolekulách. 10. HF metody. Adiabatická a Bornova-Oppenheimerova aproximace, SCF teorie, Slaterův determinant, Koopmansův teorém, bázové funkce (basis set). RHF a UHF metody, techniky SCF, semiempirické metody. 11. Metody zahrnující elektronovou korelaci, pojem elektronové korelace, excitované Slaterovy determinanty, konfigurační interakce - CI, poruchové metody - MP, metoda vázaných klastrů - CC. 12. DFT metody. Metody lokální hustoty, gradientově korigované metody, hybridní metody. Analýza vlnové funkce populační analýzy, přirozené orbitaly NO a NBO analýza. Hyperplocha potenciální energie a výpočet vlastností molekul, pojem PES, identifikace minim, interakce s externími poli, výpočet IR spekter. Srovnání kvality metod srovnání ab-initio metod a DFT metod z hlediska konvergence geometrie, výpočtu IR spekter a dipólových momentů. 13. Výpočty termodynamických funkcí na základě kvantově mechanických výpočtů. Solvatace a solvatační modely, kontinuální solvatační modely a model supermolekuly. Aplikace (slabé mezimolekulové interakce, nepravá vodíková vazba, vliv solvatace na konformační chování).