Biofyzika a chemická fyzika

Garantující pracoviště: Fyzikální ústav UK
Oborový garant: prof. RNDr. Marek Procházka, Ph.D.

Charakteristika studijního programu:
Těžiště tohoto programu 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. Absolvent získá znalosti z kvantové teorie a statistické fyziky molekul a molekulárních systémů, z experimentálních metod biofyziky a chemické fyziky, zejména optických a dalších spektroskopických metod, strukturní analýzy a zobrazovacích technik. Studenti si vybírají jednu ze dvou specializací: teoretická nebo experimentální biofyzika a chemická fyzika. V teoretické specializaci získají hlubší znalosti v oblasti kvantové chemie, molekulární dynamiky či pokročilé teoretické spektroskopie; v experimentální v oblasti biochemie a molekulární biologie, biofyziky fotosyntézy či strukturních metod. 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 programu a cíle studia:
Absolvent má znalosti z kvantové teorie a statistické fyziky molekul a molekulárních systémů, z experimentálních metod biofyziky a chemické fyziky, zejména optických a dalších spektroskopických metod, strukturní analýzy a zobrazovacích technik. Absolventi teoretické specializace získají hlubší znalosti v oblasti kvantové chemie, molekulární dynamiky či pokročilé teoretické spektroskopie. Absolventi experimentální specializace získají hlubší znalosti v oblasti v oblasti biochemie a molekulární biologie, biofyziky fotosyntézy či strukturních metod. Prostřednictvím pravidelných seminářů získají studenti představu o současných problémech řešených v jednotlivých oborech a o metodách vědecké práce. 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 vzdělání nabízí absolventům uplatnění i v mezioborových týmech zabývajících se fyzikou, biologií, chemií, medicínou, materiálovým výzkumem, bio- a nano-technologiemi či farmacií.

Doporučený průběh studia

Program nabízí studentům dvě specializace – experimentální a teoretickou. Výběr specializace studenti standardně provádějí po ukončení prvního semestru (1. ročník NMgr. studia, zimní semestr). Do té doby je průběh studia v obou specializacích shodný.

V rámci každé specializace mají studenti možnost dalšího užšího zaměření studia, které se projeví ve volbě okruhů otázek ke státní závěrečné zkoušce. Studenti si vybírají dva tematické okruhy (ze tří možných) a k nim předměty z povinně volitelných předmětů skupiny I. U experimentální specializace se jedná o okruhy: 1. Biochemie a molekulární biologie (předměty NBCM012, NBCM008), 2. Optická spektroskopie a biofyzika fotosyntézy (předměty NBCM179, NBCM088) a 3. Strukturní metody (předměty NBCM098, NBCM112). U teoretické specializace se jedná o okruhy: 1. Kvantová chemie (předměty NBCM121, NBCM122, NBCM155), 2. Molekulární dynamika a statistika (předměty NBCM346, NBCM100, NFPL004) a 3. Pokročilá teoretická spektroskopie (předměty NBCM154, NBCM027, NOOE119).

Součástí společných požadavků státní závěrečné zkoušky je i obsah dvou předmětů (Kvantová teorie I, kód NBCM110 nebo NOFY075 a Obecná chemie, kód NBCM035 nebo NBCM183) zapisovaných obvykle ve třetím roce bakalářského studijního 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.

Specializace: Experimentální biofyzika a chemická fyzika

Povinné a povinně volitelné předměty – skupina I (25 kreditů)

1. rok magisterského studia

2. rok magisterského studia

Povinně volitelné předměty skupiny II (15 kreditů)

Doporučené volitelné předměty

Specializace: Teoretická biofyzika a chemická fyzika

Povinné a povinně volitelné předměty – skupina I (25 kreditů)

1. rok magisterského studia

2. rok magisterského studia

Povinně volitelné předměty skupiny II (15 kreditů)

Doporučené volitelné předměty

Podmínky pro přihlášení ke státní závěrečné zkoušce

– získání alespoň 120 kreditů

– splnění všech povinných předmětů zvoleného programu

– získání alespoň 25 kreditů z povinně volitelných předmětů programu ze skupiny I 

– získání alespoň 15 kreditů z povinně volitelných předmětů programu ze skupiny II

– 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. Kvantová teorie a statistická fyzika molekul a molekulárních systémů (jedna otázka u SZZ)

– Antisymetrie vlnové funkce, výměnná interakce.

– Bornova-Oppenheimerova a adiabatická aproximace.

– Molekula vodíku. Atomové a molekulové orbitaly.

– Metoda LCAO a metoda valenčních vazeb, klasifikace elektronových hladin, Hückelova metoda.

– Jednočásticová aproximace, Hartreeho a Hartreeho-Fockovy rovnice, Roothaanovy rovnice.

– Základy teorie hustotního funkcionálu, Hohenbergovy-Kohnovy teorémy.

– Úvod do metod konfigurační interakce, vázaných klastrů a poruchové teorie, základní rovnice a vlastnosti, Brillouinův theorém.

– Pauliho a Diracova rovnice. Spin-orbitální a spin-spinová interakce.

– Orbitální a spinový magnetický moment a jejich interakce s vnějšími poli.

– Kvantování elektromagnetického pole, interakce elektromagnetického záření s molekulami. Fermiho zlaté pravidlo.

– Absorpce, stimulovaná a spontánní emise. Dipólová aproximace, výběrová pravidla.

– Silová pole v molekulárních soustavách.

– Základní statistické soubory a distribuce, ergodický teorém.

– Metoda Monte Carlo.

– Klasická molekulární dynamika.

– Liouvillova rovnice.

– Matice hustoty. Wignerova hustota.

– Základní kvantová statistická rozdělení.

– Evoluce matice hustoty (Liouvillova-von Neumannova rovnice).

– Kvantové řídicí rovnice, redukované hustoty.

2. Experimentální metody biofyziky a chemické fyziky (jedna otázka u SZZ)

– Zdroje, detektory a spektrální analyzátory v optické spektroskopii.

– Interakce optického záření s izolovanou molekulou. Výběrová pravidla pro elektronové, vibrační a rotační optické přechody.

– Metody a použití elektronové absorpční spektroskopie. Metoda excitace a sondování.

– Metody a použití vibrační absorpční spektroskopie.

– Metody elastického, dynamického a Brillouinova rozptylu a jejich využití.

– Ramanův rozptyl, metody měření a využití.

– Použití polarizovaného záření a jeho analýzy v optické spektroskopii. Lineární a cirkulární dichroismus, emisní anizotropie.

– Principy a základní pojmy luminiscence (typy luminescence, Jablonského diagram, kinetiky, kvantový výtěžek, doby života, Franck-Condonův princip).

– Vliv mezimolekulárních interakcí na parametry luminiscence (vliv prostředí, rezonanční přenos energie, zhášení emise).

– Single-molekulární spektroskopie. Vliv interakce s okolím na tvar spektrální čáry.

– Měření stacionární a časově rozlišené luminiscence.

– Rozptyl a difrakce rentgenového záření, elektronů a neutronů.

– Principy základních difrakčních metod. Symetrie a struktura krystalů a jejich určení z difrakčního obrazu.

– Elektronová mikroskopie, mikroskopie atomárních sil a skenovací tunelová mikroskopie.

– Hmotnostní spektrometrie.

– Jaderná magnetická rezonance: princip, experimentální uspořádání, excitace a detekce signálu, základní pulsní sekvence.

– NMR vysokého rozlišení organických látek v kapalinách: interpretace spekter.

– Elektronová paramagnetická rezonance: princip, experimentální uspořádání, použití.

– Separační metody (centrifugace, chromatografie, elektroforéza).

B Specializace Experimentální biofyzika a chemická fyzika

Třetí otázka SZZ je volena ze dvou tematických okruhů, které si student vybere dle svého zaměření.

1. Biochemie a molekulární biologie

– Složení a struktura základních biomolekul (nukleové kyseliny, proteiny, sacharidy).

– Glykolýza a glykolytické reakce. Anaerobní odbourávání cukrů. Coriho cyklus.

– Aerobní odbourávání cukrů. Vznik acetylkoenzymu A.

– Citrátový cyklus a jeho amfibolická povaha. Oxidativní fosforylace.

– Biologické membrány, selektivní permeabilita biologických membrán, typy transportu biologickou membránou.

– Struktura bakteriálních a eukaryotických buněk, buněčné dělení, buněčný cyklus.

– Uspořádání DNA v buňkách, struktura a funkce chromosomů, chromatinu a nukleosomů, funkce centromer a telomer, histony, epigenetická dědičnost a priony.

– Zpracování genetické informace, replikace DNA, transkripce a úpravy RNA, RNA svět, prokaryotická a eukaryotická translace.

– Základní principy regulace genové exprese, regulace prokaryotické a eukaryotické iniciace transkripce, umlčování genů.

– Mutace a mutageneze, poškození DNA a reparace poškozené DNA, oprava chyb vzniklých při replikaci DNA.

– Metody studia DNA a genové exprese, genové inženýrství, fluorescenční proteiny.

2. Optická spektroskopie a biofyzika fotosyntézy

– Fluorescenční značky a sondy, fluorescenční proteiny, fluorescence proteinů.

– Nelineární metody Ramanova rozptylu (HRS, SRS, CARS), Ramanova optická aktivita (ROA).

– Pokročilé techniky Ramanovy spektroskopie (SERS, CRM, DCDR).

– Generace a charakterizace femtosekundových pulsů. Základy 2DES spektroskopie.

– Nelineární optické jevy a jejich využití v optické spektroskopii.

– Metody vysokého spektrálního rozlišení. Nízkoteplotní spektroskopie.

– Přenos a zhášení excitace ve fotosyntetických anténách.

– Rozdělení a přenos náboje v nízko- a vysokopotenciálových reakčních centrech.

– Přenos elektronu fotosyntetickou membránou, fosforylace, srovnání s respirační membránou.

– Fixace uhlíku ve fotosyntéze.

– Biofyzikální metody zkoumání a měření fotosyntézy (variabilní fluorescence, gazometrie, fotoakustická spektroskopie).

3. Strukturní metody

– Teplotní kmity a jejich vliv na difrakční záznam. Pattersonova funkce a její využití při řešení krystalových struktur.

– Metody řešení fázového problému strukturní analýzy.

– Strukturní faktor a Friedelův zákon.

– Přednostní orientace krystalitů – textura.

– Porovnání, konstrukce a použití transmisního a skenovacího elektronového mikroskopu.

– Principy a zásady přípravy preparátů pro TEM a SEM. Mechanismus tvorby obrazu v TEM a SEM.

– Elektrické a magnetické momenty atomových jader, energie v elektrickém a magnetickém poli, jev jaderné magnetické rezonance. Jaderný paramagnetismus, relaxační procesy.

– NMR spektroskopie vysokého rozlišení v kapalné a pevné fázi: spinový hamiltonián, typy interakci a jejich projevy ve spektrech, metody vysokého rozlišení v pevné fázi.

– Jedno- a více-dimenzionální pulzní NMR: koncepce, základní pulzní sekvence, využití koherentního transferu polarizace a nukleárního Overhauserova jevu.

– Zobrazování MR: přístrojové vybavení, princip dosažení prostorového rozlišení, metody získání kontrastu, speciální aplikace (angiografie, fMRI, spektroskopie MRI).

– Elektronová spinová (paramagnetická) rezonance: kontinuální a pulsní metodika experimentu, spinový hamiltonián, interakce a jejich projevy ve spektrech.

B Specializace Teoretická biofyzika a chemická fyzika

Třetí otázka SZZ je volena ze dvou tematických okruhů, které si student vybere dle svého zaměření.

1. Kvantová chemie

– Porovnání restricted a unrestricted Hartreeho-Fockových rovnic a jejich vlastností.

– Metody konfigurační interakce, formulace a charakteristika.

– Použití poruchové teorie k výpočtu korelační energie, Møllerova-Plessetova metoda.

– Metoda vázaných klastrů, excitační operátory, rovnice a základní vlastnosti.

– Koncepční teorie hustotního funkcionálu – chemický potenciál, tvrdost a měkkost elektronové hustoty, Fukuiho funkce, časově závislá teorie.

– Slabé mezimolekulové interakce, multipolová aproximace.

2. Molekulární dynamika a statistika

– Numerické propagátory odvozené z Liouvillova operátoru.

– Algoritmy pro kontrolu tlaku, algoritmy pro kontrolu teploty. Fixace a omezení stupňů volnosti.

– Nerovnovážná molekulární dynamika.

– Molekulární mechanika, parametrizace silových polí.

– Metody molekulárních simulací – započítávání nevazebných interakcí, analýza trajektorií.

– Stochastické procesy (Langevinovské dynamiky, normální a anomální difuze).

– Stochastická kvantová dynamika.

– Entropie v nerovnovážných dějích (Boltzmannův H-, Jarzynského a fluktuační teorémy).

3. Pokročilá teoretická spektroskopie

– Symetrie v kvantové mechanice (kvantová čísla, bloková diagonalizace hamiltoniánu).

– Symetrie ve spektroskopii atomů a molekul (výběrová pravidla, povolené a zakázané přechody, snížení symetrie ve vnějších elektromagnetických polích).

– Rozptyl fotonů na atomu (Rayleighův, Ramanův, rezonanční a Thomsonův rozptyl).

– Radiační korekce k atomovým spektrům (Lambův posuv, vlastní energie elektronu a fotonu).

– Tvar absorpční čáry (teorie lineární odezvy, korelační funkce lázně).

– Poruchová teorie pro časově rozlišené nelineární spektroskopie (metoda excitace a sondování, fotonové echo).