Matematicko-fyzikální fakulta
| UK > MFF > Studium > Bc. a Mgr. studium > Studijní plány > Biofyzika a chemická fyzika |
8. Biofyzika a chemická fyzika
Garantující pracoviště: Fyzikální ústav UK
Odpovědný učitel: Prof. RNDr. Vladimír Baumruk, DrSc.
Charakteristika studijního oboru:
Těžiště těchto oborů 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 studijního plánu
a diplomové práce se rovněž dostává absolventům vzdělání ve vybraných oblastech obecné
a fyzikální chemie, biochemie, molekulární a buněčné biologie. Díky širokému okruhu
znalostí mají absolventi dobré možnosti uplatnění ve výzkumných i aplikovaných
oborech souvisejících s fyzikou, biologií, chemií, medicínou, materiálovým
výzkumem, bio- a nanotechnologiemi, farmacií apod.
Cíle studia:
Cílem studia je vychovat absolventa se širokým spektrem znalostí na rozhraní fyziky,
biofyziky a chemické fyziky s perspektivou uplatnění v ústavech Akademie věd i dalších
ústavech, na pracovištích vysokých škol, a dalších pracovištích, která se zabývají
fyzikou, biofyzikou, chemickou fyzikou, fyzikou v medicíně, ekologií a materiálovém
výzkumu.
Profil absolventa:
Absolvent má široké experimentální a teoretické znalosti ze základů fyziky
(mechanika, elektřina a magnetismus, optika, fyzika kondenzovaného stavu,
jaderná fyzika, kvantová fyzika) i matematiky (diferenciální a integrální počet,
algebra, metody matematické fyziky aj.). Z hlediska vlastního oboru biofyzika
a chemická fyzika ovládá odpovídající teoretické (kvantová fyzika, výpočty molekul,
modelování molekulárních procesů) a experimentální metody (optické a další spektroskopické
metody, strukturní analýza aj.) Díky svému zaměření je absolvent připraven
k práci na pracovištích zaměřujících se na fyziku, biofyziku, chemickou fyziku,
fyziku v medicíně, farmacii a ekologii.
Doporučený průběh studia
Studenti si volí jeden ze studijních plánů Biofyzika, Chemická fyzika nebo Teorie molekulárních systémů.
Předpokladem úspěšného magisterského studia tohoto oboru je získání základních znalostí na úrovni následujících předmětů:
| kód | Předmět | Kredity | ZS | LS | |
| NBCM110 | Kvantová teorie I | 9 | 4/2 Z+Zk | — | |
| NBCM111 | Kvantová teorie II | 1 | 7 | — | 3/2 Z+Zk |
| NBCM039 | Kvantová teorie molekul | 7 | — | 3/2 Z+Zk | |
| NBCM035 | Obecná chemie | 5 | — | 2/1 Z+Zk | |
| NBCM112 | Metody magnetické rezonance v biofyzice | 2 | 4 | — | 3/0 Zk |
| NBCM094 | Úvod do problémů současné biofyziky | 2 | 3 | — | 0/2 Z |
| NMAF035 | Numerické metody zpracování experimentálních dat | 3 | — | 2/0 Zk | |
1,2 Předmět označený 1 si volí studenti chemické fyziky a teorie molekulárních systémů. Předměty označené 2 si volí studenti biofyziky.
Tyto povinně volitelné předměty se obvykle zapisují ve třetím roce bakalářského studia programu Fyzika. Pokud posluchač tyto nebo jim ekvivalentní předměty neabsolvoval, měl by si je ve vlastním zájmu zapsat v prvním roce navazujícího magisterského studia. Obsah uvedených předmětů je součástí společných požadavků státní závěrečné zkoušky.
1. rok magisterského studia
| kód | Předmět | Kredity | ZS | LS | |
| Společné předměty | |||||
| NBCM010 | Bioorganická chemie | 5 | 2/1 Z+Zk | — | |
| NSZZ023 | Diplomová práce I | 6 | — | 0/4 Z | |
| kód | Předmět | Kredity | ZS | LS | |
Biofyzika | |||||
| NBCM098 | Rentgenová strukturní analýza biomolekul a makromolekul | 3 | 2/0 Zk | — | |
| NBCM113 | Metody optické spektroskopie v biofyzice | 6 | 4/0 Zk | — | |
| NBCM095 | Praktikum z experimentálních metod biofyziky a chemické fyziky I | 7 | 0/5 KZ | — | |
| NBCM103 | Praktikum z experimentálních metod biofyziky a chemické fyziky II | 7 | — | 0/5 KZ | |
| NBCM006 | Seminář z biofyziky | 1 | 3 | 0/2 Z | 0/2 Z |
| NBCM012 | Biochemie | 3 | — | 1/1 Zk | |
| NBCM114 | Dielektrická spektroskopie a optická mikroskopie v biofyzice | 3 | — | 2/0 Zk | |
| NBCM088 | Biofyzika fotosyntézy | 3 | — | 2/0 Zk | |
| NOOE012 | Rozptylové metody v optické spektroskopii | 3 | — | 2/0 Zk | |
| NFPL179 | Kvantový popis NMR | 5 | — | 2/1 Z+Zk | |
| NOOE014 | Exkurze | 2 | 2 | — | 0/1 Z |
| NOOE015 | Seminář | 2 | 2 | — | 0/1 Z |
1 Zapisuje se v obou semestrech prvního i druhého roku studia.
2 Zapisuje se pouze jeden z předmětů, podle toho, která akce se v daném školním roce koná.
| kód | Předmět | Kredity | ZS | LS | |
Chemická fyzika | |||||
| NBCM031 | Teoretické základy molekulární spektroskopie | 3 | 2/0 Zk | — | |
| NBCM086 | Molekulární spektroskopie I | 3 | 2/0 Zk | — | |
| NBCM087 | Molekulární spektroskopie II | 3 | — | 2/0 Zk | |
| NBCM098 | Rentgenová strukturní analýza biomolekul a makromolekul | 3 | 2/0 Zk | — | |
| NBCM088 | Biofyzika fotosyntézy | 3 | — | 2/0 Zk | |
| NBCM095 | Praktikum z experimentálních metod biofyziky a chemické fyziky I | 7 | 0/5 KZ | — | |
| NBCM103 | Praktikum z experimentálních metod biofyziky a chemické fyziky II | 7 | — | 0/5 KZ | |
| NBCM108 | Seminář chemické fyziky a optiky | 2 | 0/1 Z | 0/1 Z | |
| NBCM044 | Seminář optické spektroskopie vysokého rozlišení | 3 | 0/2 Z | 0/2 Z | |
| NBCM026 | Experimentální technika v molekulární spektroskopii | 3 | — | 2/0 Zk | |
| NBCM055 | Molekulární simulace v chemické fyzice | 5 | 2/1 Z+Zk | — | |
| NBCM027 | Symetrie molekul | 4 | — | 2/1 Z+Zk | |
| kód | Předmět | Kredity | ZS | LS | |
Teorie molekulárních systémů | |||||
| NBCM031 | Teoretické základy molekulární spektroskopie | 3 | 2/0 Zk | — | |
| NBCM121 | Ab-initio metody a teorie hustotního funkcionálu I | 5 | 2/1 Z+Zk | — | |
| NBCM122 | Ab-initio metody a teorie hustotního funkcionálu II | 5 | — | 2/1 Z+Zk | |
| NBCM055 | Molekulární simulace v chemické fyzice | 5 | 2/1 Z+Zk | — | |
| NBCM100 | Výpočetní experimenty v teorii molekul I | 6 | 0/4 KZ | — | |
| NBCM027 | Symetrie molekul | 4 | — | 2/1 Z+Zk | |
| NBCM108 | Seminář chemické fyziky a optiky | 2 | 0/1 Z | 0/1 Z | |
| NBCM046 | Teoretický seminář chemické fyziky | 2 | 0/1 Z | 0/1 Z | |
| NBCM086 | Molekulární spektroskopie I | 3 | 2/0 Zk | — | |
| NBCM087 | Molekulární spektroskopie II | 3 | — | 2/0 Zk | |
| NBCM125 | Výpočetní experimenty v teorii molekul II | 6 | — | 0/4 KZ | |
| NBCM099 | Praktická cvičení z kvantové chemie I | 4 | — | 0/3 Z | |
| NBCM098 | Rentgenová strukturní analýza biomolekul a makromolekul | 3 | 2/0 Zk | — | |
| NFPL004 | Nerovnovážná statistická fyzika a termodynamika | 3 | 2/0 Zk | — | |
| NBCM088 | Biofyzika fotosyntézy | 3 | — | 2/0 Zk | |
| NBCM123 | Metody, modely a algoritmy v biologii | 4 | — | 3/0 KZ | |
2. rok magisterského studia
| kód | Předmět | Kredity | ZS | LS | |
| Společné předměty | |||||
| NSZZ024 | Diplomová práce II | 9 | 0/6 Z | — | |
| NSZZ025 | Diplomová práce III | 15 | — | 0/10 Z | |
| kód | Předmět | Kredity | ZS | LS | |
Biofyzika | |||||
| NBCM008 | Molekulární a buněčná biologie pro biofyziky | 4 | 3/0 Zk | — | |
| NBCM006 | Seminář z biofyziky | 1 | 3 | 0/2 Z | 0/2 Z |
| NBCM004 | Transformace a přenos energie v biosystémech | 3 | 2/0 Zk | — | |
| NBCM014 | Struktura, dynamika a funkce biologických membrán | 3 | 2/0 Zk | — | |
| NBCM023 | Význam a funkce kovových iontů v biologických systémech | 3 | 2/0 Zk | — | |
| NFPL185 | Pokročilá NMR spektroskopie vysokého rozlišení | 5 | 2/1 Z+Zk | — | |
1 Zapisuje se v obou semestrech prvního i druhého roku studia
| kód | Předmět | Kredity | ZS | LS | |
Chemická fyzika | |||||
| NBCM102 | Základy klasické radiometrie a fotometrie | 3 | 2/0 Zk | — | |
| NBCM108 | Seminář chemické fyziky a optiky | 2 | 0/1 Z | 0/1 Z | |
| NBCM044 | Seminář optické spektroskopie vysokého rozlišení | 3 | 0/2 Z | 0/2 Z | |
| NBCM033 | Fyzikální základy fotosyntézy | 5 | 2/1 Zk | — | |
| NBCM101 | Detekce a spektroskopie jednotlivých molekul | 3 | 2/0 Zk | — | |
| NBCM115 | Vědecká fotografie a příbuzné zobrazovací techniky | 3 | 1/1 Zk | — | |
| kód | Předmět | Kredity | ZS | LS | |
Teorie molekulárních systémů | |||||
| NBCM086 | Molekulární spektroskopie I | 3 | 2/0 Zk | — | |
| NBCM051 | Metody molekulové dynamiky a Monte Carlo | 5 | 2/1 Z+Zk | — | |
| NBCM108 | Seminář chemické fyziky a optiky | 2 | 0/1 Z | 0/1 Z | |
| NBCM046 | Teoretický seminář chemické fyziky | 2 | 0/1 Z | 0/1 Z | |
| NBCM116 | Praktická cvičení z kvantové chemie II | 4 | 0/3 Z | — | |
| NBCM036 | Stanovení a popis molekulových struktur | 3 | 2/0 Zk | — | |
| NTMF030 | Teoretická atomová fyzika | 3 | 2/0 Zk | — | |
| NOOE067 | Úvod do nelineární fyziky | 3 | 2/0 Zk | — | |
Podmínky pro přihlášení ke státní závěrečné zkoušce
- – získání alespoň 120 kreditů
- – splnění všech povinných předmětů zvoleného oboru
- – splnění povinně volitelných předmětů zvoleného oboru v rozsahu alespoň 14 kreditů
- – odevzdání vypracované diplomové práce ve stanoveném termínu
- – splnění všech povinných předmětů zvoleného oboru
Předmět lze splnit jeho úspěšným absolvováním či uznáním z předchozího studia.
Požadavky k ústní části státní závěrečné zkoušky
A. Společné požadavky
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.
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.
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.
Základy molekulární fyziky
Typy základních intra- a intermolekulárních interakcí. Konformace molekul.
Fázové stavy a přechody u molekulárních systémů.
B. Užší zaměření
Student si volí okruh otázek odpovídající jeho zaměření.
1. Biofyzika
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.
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, organely, cytoskelet, buněčné dělení, reakce buňky na vnější signály. Molekulární genetika – genetická informace a její tok, metabolizmus DNA, genová exprese (transkripce, post-transkripční modifikace, translace), vnitrobuněčná distribuce a úpravy proteinů, regulace genové exprese. Metody studia DNA (sekvenace) a genové exprese (na úrovni mRNA i proteinu), genové inženýrství (rekombinantní DNA in vitro, transgenoze organizmů).
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.
2. Chemická fyzika
Experimentální metody
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.
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.
3. Teorie molekulárních systémů
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.
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.
Základy molekulární spektroskopie
Přehled hlavních spektroskopických metod. Elektronová
spektroskopie organických molekul. Vlastnosti a deaktivace
excitovaných stavů. Teoretická interpretace experimentálních
výsledků.