Zkušební okruhy k bakalářské zkoušce z biofyziky

Základní struktura zkoušky:

Student obdrží tři otázky, vždy po jedné z následujících okruhů:

A, Vybrané fyzikální disciplíny

B, Základní experimentální metody

C, Struktura a funkce biologických systémů (membrány, organely, buňka)

A, Vybrané fyzikální disciplíny

1. Struktura a vlastnosti pevných látek

• látky krystalické a amorfní, poruchy krystalické mřížky
• teplotní roztažnost pevných látek
• deformace pevného tělesa

1. Struktura a vlastnosti kapalin

• povrchová síla
• jevy na rozhraní kapaliny a pevné látky, kapilarita
• teplotní roztažnost plynů

2. Termodynamické zákony

• základní pojmy fenomenologické rovnovážné termodynamiky - termodynamický systém termodynamické procesy - termodynamické potenciály
• vnitřní energie tělesa a její změny konáním práce a tepelnou výměnou, 1.termodynamický zákon
• struktura a vlastnosti ideálního plynu, děje v ideálním plynu, stavová rovnice
• 2.termodynamický zákon a účinnost tepelných strojů
• entropie systému

3. Změny skupenství látek

• tání a tuhnutí, sublimace,
• vypařování a var, kondenzace,
• fázový diagram, zkapalňování plynů, vlhkost vzduchu.
• rovnováha fází a fázové přechody

4. Principy elektrostatiky

• mikro a makroskopické pojetí náboje
• elektrostatické interakce – Coulombův zákon, dipól – dipólová interakce

• charakteristika elektrostatického pole – intenzita, potenciál, energie pole
• vliv prostředí na šíření elektrostatického pole – relativní permitivita prostředí
• princip superpozice elektrických polí
• dielektrika v elektrostatickém poli – polární a nepolární dielektrika, orientační a deformační polarizace

5. Základy elektrodynamiky

• kondukční, konvekční a posuvný proud
• Ohmův zákon v integrálním a diferenciálním tvaru
• Joulův-Lenzův zákon
• elektrický proud v elektrolytech – stupeň disociace – elektrolýza
• elektrický proud v plynech - ionizace plynu – nesamostatný a samostatný výboj
• elektrický proud ve vakuu – emisní jevy

6. Magnetismus

• charakteristika stacionárního magnetického pole
• magnetické pole vodičů – Amperův zákon
• působení magnetického pole na pohybující se náboj – Lorentzova síla
• elektromagnetická indukce – Faradayův zákon
• magnetické momenty elektronů a atomů
• klasifikace magnetik – magnetický moment – relativní permeabilita

7. Světlo jako elektromagnetické záření

• Maxwellova teorie elektromagnetického pole a její vztah k optice
• rychlost elektromagnetických vln
• příčnost elektromagnetických vln, polarizace
• energie přenášená světlem
• tlak světla

8. Fotometrie bodového a plošného zdroje

• plošný a bodový zdroj
• spektrální citlivost lidského oka
• radiometrické a fotometrické veličiny a vztah mezi nimi
• základní radiometrické a fotometrické veličiny bodového a plošného zdroje

9. Odraz a lom

• zákon odrazu a lomu
• úplný odraz, mezní úhel
• polarizace odrazem, Brewsterův úhel
• změna fáze při odrazu a lomu, změna fáze při totálním odrazu

10. Anizotropní prostředí

• definice anizotropního prostředí, jednoosé krystaly
• dvojlom
• umělá anizotropie
• přirozená optická aktivita
• umělá optická aktivita
• aplikace polarizace světla v optických přístrojích

11. Interference a ohyb

• skládání dvou koherentních rovinných elektromagnetických vln
• skládání nekoherentních vln
• interference na dvojštěrbině
• dvojpaprsková interference na planparalelní desce

aplikace interference v optických přístrojích

12. Vlnová funkce

• de Broglieho vlnová hypotéza
• vlnová funkce (X- a P-reprezentace) a její statistická interpretace
• střední hodnoty a střední kvadratické fluktuace fyzikálních veličin
• Heisenbergův princip neurčitosti

13. Stacionární Schrödingerova rovnice

• operátory a operátorové rovnice
• operátor celkové energie – hamiltonián
• formulace rovnice pro částici v potenciálovém poli a interpretace jednotlivých symbolů
• energetické spektrum

14. Nestacionární Schrödingerova rovnice

• operátory a operátorové rovnice
• Operátor celkové energie – hamiltonián
• formulace rovnice pro částici v potenciálovém poli a interpretace jednotlivých symbolů
• kvantový determinismus

15. Základy fyziky atomového jádra

• struktura atomového jádra – modely, vlastnosti nukleonu, vazebná energie
• typy radioaktivních přeměn, zákon radiaoktivní přeměny
• jaderné reakce – shcéma jaderné reakce, zákony zachování v jaderných reakcích, typy jaderných reakcí, praktické využití

16. Základy atomové fyziky

• struktura atomu - modely
• čarové energetické spektrum atomu
• elektronovy obal atomu - pravidla výstavby elektronového obalu
• spin částice- Pauliho princip - úplná vlnová funkce částice
• Mendělejevova periodická soustava prvků - symetrické a antisymetrické vlnové funkce

1. Fyzika elementárních částic

• systém elementárních částic - zástupci jednotlivých skupin – fyzikální vlastnosti
• základní fyzikální interakce - dosah a sila interakce, kvanta polí
• příklady fyzikálních systémů s uplatněnim jednotlivých typů interakcí

 

B, Základní experimentální metody

1. Optická soustava světelného mikroskopu a její fyzikální parametry.

• Užitečné zvětšení a rozlišovací mez a hloubka ostrosti
• Vliv kondenzoru a imerze na rozlišovací schopnost.
• Zorné pole.
• Srovnání světelného a elektronového mikroskopu – zvětšení, pracovní prostředí, hloubka ostrosti.

2. Konstrukce světelného mikroskopu.

• Schéma klasického světelného mikroskopu a funkce jednotlivých komponent
• Typy objektivů a okulárů – základní charakteristika zobrazení a specifikace použití
• Zobrazovací vady a jejich korekce u objektivů a okulárů
• Osvětlovací systémy světelného mikroskopu.
• Systémy v procházejícím a dopadajícím světle – světlé a temné pole.
• Köhlerův princip.

3. Zobrazovací metody světelné mikroskopie.

• Metoda světlého a temného pole, realizace, příklady použití.
• Metoda fázového kontrastu, fyzikální princip, fázové objekty, schéma zařízení, použití.
• Polarizační mikroskopie, fyzikální princip, schéma polarizačního mikroskopu, použití.
• Interferenční mikroskopie, fyzikální princip, schéma interferenčního mikroskopu, použití.
• Metody záznamu obrazu, CCD kamery, analýza obrazu.

4. Speciální mikroskopické metody.

• Luminiscenční mikroskopie, fyzikální princip, detekce obrazu, přirozené a umělé fluorescenční sondy, příklady aplikací.
• Optická rastrovací mikroskopie.
• Ultramikroskopie, nové trendy ve vývoji optických mikroskopů, zdroje světla, metody detekce a analýzy obrazu makromolekulárních a subcelulárních struktur.
• Mikroskopie v ultrafialové a infračervené oblasti, schéma přístroje, zdroje záření, detektory, příklady použití.

5. Fyzikální principy elektronové mikroskopie.

• Základní komponenty elektronového mikroskopu, fyzikální princip jejich funkce.
• Interakce elektronu s pevnou látkou - metody zobrazení v elektronové mikroskopii.
• Základy elektronové optiky, vady zobrazení elektromagnetických čoček.
• Srovnání elektronového a světelného mikroskopu – zvětšení, pracovní prostředí, hloubka ostrosti

6. Praktické základy elektronové mikroskopie.

• Princip a použití transmisní elektronové mikroskopie
• Konstrukce TEM a pracovní režimy.
• Příprava vzorků pro TEM.
• Princip a použití rastrovací elektronové mikroskopie
• Konstrukce REM a pracovní režimy.
• Příprava vzorků pro REM.

7. Vlastnosti optického záření a jeho interakce s látkou.

• Popis vlnových a korpuskulárních vlastností elektromagnetického záření.
• Polarizace a koherence záření.
• Spektrální a fotometrické charakteristiky záření.
• Elastická a neelastická interakce záření s látkou.
• Rozdělení metod optické spektroskopie podle typu interakce a typu energetických přechodů.

8. Základní schéma optické spektroskopické aparatury.

• Zdroje záření v ultrafialové, viditelné a infračervené oblasti spektra.
• Základní optické materiály pro spektroskopii v UV, VIS a IČ oblasti.
• Způsoby monochromatizace optického záření (optické filtry, hranoly, mřížky) monochromátory, charakteristiky kvality mononochromatizace.
• Detektory záření v UV-VIS a IČ oblasti spektra – princip činnosti, spektrální charakteristiky citlivosti.

9. Principy a teoretické základy absorpční spektroskopie v UV a VIS oblasti.

• Fyzikální podmínky absorpce záření.
• Franck-Condonův princip.
• Typy elektronových přechodů.
• Vliv prostředí na elektronově vibrační spektra.
• Lambert-Beerův zákon.
• Příklady anorganických, organických a biologicky významných chromoforů a charakteristika jejich absorpčních spekter.

10. Praktické použití UV-VIS absorpční spektroskopie

• Měření absorpčních spekter pomocí jednopaprskových a dvoupaprskových spektrofotometrů. Příprava vzorků pro měření spekter absorpce, respektive propustnosti.
• Kvantifikace látky na základě kalibrační křivky, odchylky od Lambert-Beerova zákona.
• Přesnost a citlivost fotometrických měření – problematika měření koncentrovaných a velmi řídkých vzorků.
• Stanovení koncentrace látek ve směsi obsahující dvě a více absorbujících látek.

11. Experimentace a praktické použití příbuzných spektrofotometrických metod

• Spektrofotometrická titrace, studium chemických rovnováh.

• Nefelometrie a turbidimetrie.
• Fotoakustická spektroskopie.
• Spektrofotometry s integrační sférou –měření spekter odrazivosti a propustnosti.
• Spektroradiometry.

12. Teoretické a experimentální základy spektrálních metod v IČ oblasti.

• Fyzikální podstata vibrační a rotační spektra.
• Interpretace charakteristických oblastí IČ spekter.
• Metody kvantitativní analýzy IČ spekter.
• Schéma a princip funkce klasických a fourierovských spektrofotometrů.
• Aplikace vibrační spektroskopie v biofyzice.
• Infračervené analyzátory plynů.

1. Fyzikální principy luminiscence v UV-VIS oblasti

• Definice luminscence, základní třídění luminiscence podle excitační energie a doby dohasínání.
• Jablonského schéma – zářivé a nezářivé přechody.
• Tripletní stav polyatomické molekuly – charakteristika fosforescence a zpožděné fluorescence.
• Charakteristika fluorescence – Kashovo pravidlo, vyjímky.

13. Vztahy mezi absorpcí a fluorescencí

• Kvantitativní vztahy – kvantový výtěžek, intenzita fluorescence v neustáleném a ustáleném stavu, doba života excitovaného stavu a dohasínání fluorescence.
• Zákon zrcadlové symetrie mezi absorpčním a emisním spektrem.
• Vliv prostředí na spektra – solvatační relaxace, velikost Stokesova posuvu.

14. Experimentální základy fluorescenční spektroskopie

• Schéma luminiscenčního spektrofotometru a funkce jednotlivých komponent.
• Princip měření emisních a excitačních spekter fluorescence.
• Modifikace aparatury pro měření zpožděné fluorescence, fosforescence, chemiluminiscence.
• Kalibrace monochromátorů a korekce spekter fluorescence na přístrojové zkreslení.
• Analytické použití fluorescence, typy “geometrie vzorku” a korekce na vliv vnitřního filtru a reabsorpce fluorescence.

15. Základní preparativní metody

• Homogenizace, extrakce. Srážení, sedimentace.

• Centrifugace – dělení centrifug a rotorů, příklady aplikace pro částice odlišné hmotnosti (hustoty). Speciální techniky centrifugace.

• Dělení látek membránou, dialýza, filtrace membránou.

• Isolace subcelulárních struktur a makromolekulárních komplexů

• Krystalizace makromolekulárních látek a komplexů.

16. Chromatografické metody

• Obecné principy a klasifikace.

• Adsorpce, adsorpční chromatografie.

• Rozdělovací chromatografie, chromatografie na ionexech.

• Gelová chromatografie, afinitní chromatografie.

• Kapalinová chromatografie.

• Plynová chromatografie.

17. Metody dělení proteinů a nukleových kyselin

• Obecné principy elektroforézy.

• Elekroforéza na polyakrylamidovém gelu (jedno- a dvoudimenzionální elektroforéza, denaturační a nativní elektroforéza).

• Metody detekce proteinů.

• Kapilární elektroforéza.

• Isoelektrická fokusace.

 

C, Struktura a funkce biologických systémů (membrány, organely, buňka)

1. Membránové lipidy

• Základní charakteristika lipidů a jejich složek.
• Typy lipidů v biologických membránách.
• Amfifilní charakter lipidů a typy uspořádání lipidů ve vodném prostředí.
• Termotropní mezomorfismus lipididových membrán – vliv cholesteolu a nenasycených mastných kyselin.
• Asymetrie lipidových membrán

2. Membránové proteiny

• Primární, sekundární, terciální a kvarterní struktura.
• Fyzikální charakter charakter peptidové vazby.
• Stabilita proteinů – typy nekovalentních vazebných interakcí a jejich význam.
• Energetická hyperplocha – stabilní konformace proteinů – funkční význam.
• Vzájemná podmíněnost jednotlivých úrovní struktury bílkovin – příklady vlivu jednotlivých mutací v sekvenci aminokyselin na strukturu bílkovin.

3. Základy struktury biologických membrán

• Lipidy, proteiny a sacharidy biologických membrán - význam a zastoupení.
• Způsob zabudování proteinů do lipidové dvojvrstvy – charakteristika periferních a integrálních proteinů biologických membrán.
• Strukturní model biologických membrán (model tekuté mozaiky).

4. Biosyntéza membrán

• Membránové rodiny.
• Syntéza lipidů a proteinů biologických membrán.
• Topogenetická informace.
• Kotranslační a posttranslační zabudování proteinů do lipidové membrány, drsné endoplasmatické retikulum – signální hypotéza.
• Modifikace lipidů a proteinů biologických membrán – Golgiho aparát – vesikulární transport biologických membrán.

5. Pasivní transport biologicky významných látek membránami

• Prostá difuse - fyzikální popis - zobecněné temodynamické síly a toky.
• Propustnost membrán pro polární a nepolární látky mebrána jako dvojí síto
• Usnadněná difuse – termodynamiský popis – schéma zprostředkovaného transprotního děje – princip
• Usnadněná difuse iontů přes membránu – bakteriální antibiotika – napěťově řízené kanály
• Pasivní transport glukózy - princip funkce nosiče D-glukózy v membránách erytrocytů – regulace koncentrace transportního proteinu v plasmatické membráně

6. Aktivní transport látek přes biologickou membránu

• Primární aktivní transport - fyzikální popis.
• Aktivní transport iontů přes membránu - princip funkce ATPáz, mechanismy regulace aktivity ATPáz
• Sekundární aktivní transport - fyzikální popis.
• Příklady sekundárního aktivního transportu biologicky důležitých látek (symport glukózy a sodíkových iontů, antiport ADP a ATP), koeficient spřažení v sekundárním aktivním transportu biologicky významných látek.

7. Přenos signálu přes biologické membrány

• Typy signálních molekul a receptorů
• Mechanismy přenosu signálu
• Význam G-proteinů, kináz, fosfatáz a fosfolipáz..

8. Biofyzika nervové činnosti

• Nerovnovážné rozložení fyziologicky významných iontů na vnitřní a vnější straně buněčných membrán
• Membránový potenciál - Nernstova a Goldmannova rovnice – exeprimentální stanovení membránového potenciálu
• Klidový a akční membránový potenciál – napěťově řízené kanály pro ionty sodíku a draslíku.
• Šíření vzruchu v rámci jednoho neuronu – nemyelinizovaný a myelinizovaný axon – lokalizace napěťově řízených kanálů. Podstata roztroušené sklerózy.

9. Mechanismus přenosu signálů mezi nervovými buňkami

• Typy synapsí, mediátorů a receptorů.
• Funkce synaptosomů.
• Mechanismus acetylcholinové synapse, procesy na presynaptické a postsynaptické membráně.
• Význam neurotoxinů při studiu vzniku a přenosu nervového signálu.

10. Základy bioenergetiky

• Fyzikální podstata makroergické vazby,
• Typy makroergických látek a jejich význam
• Tvorba a spotřeba ATP
• Oxidačně redukční reakce a jejich význam v bioenergetice
• Fo,F1- ATPázy – struktura a funkce jednotlivých podjednotek. Mechanismus syntézy ATP - teorie chemiosmotického spřežení, konformační teorie. Reverzní funkce Fo,F1-ATPázy.

11. Mitochondriální bioenergetika

• Struktura mitochondrií
• Transport substrátů a produktů oxidativní fosforylace přes vnější, respektive vnitřní membránu mitochondrií
• Schéma uspořádání hlavních komponent vnitřní membrány mitochondrií
• Typy přenašečů elektronů a protonů ve vnitřní membráně mitochondrií
• Řetězec transportu elektronů a protonů v mitochondriální membráně, energetická bilance
• Orientace F0,F1-ATPázy ve vnitřní membráně mitochondrií.

• Celková energetická bilance glykolýzy a oxidativní fosforylace.

12. Princip činnosti svalů

• Struktura příčně pruhovaného svalu – myofibrila, sarkomera, tlustá a tenká filamenta
• Bílkoviny tlustých a tenkých filament
• Sarkoplasmatické retikulum - regulace vzniku aktomyosinového komplexu
• Mechanismus svalové kontrakce příčně pruhovaného svalu
• Principy činnosti a regulace aktivity hladké svalové tkáně

13. Chloroplasty – struktura a funkce

• Thylakoidní membrány a stroma, granální a stromální thylakoidy,
• Základní komplexy thylakoidních membrán, jejich funkce.
• Celková rovnice fotosyntézy.
• Procesy světelné a temnostní fáze fotosyntézy.
• Základní rozdíl mezi řetězcem transportu elektronů v chloroplastech a mitochondriích –význam fotochemických reakcí.
• Dva fotosystémy – Emersonův zesilující efekt.

14. Biochemie fotosyntetické asimilace CO2

• Calvinův cyklus - fáze Calvinova cyklu – spotřeba ATP a NADPH
• Ribulózo –1,5-bisfosfát-karboxyláza-oxygenáza – původ, struktura a funkce podjednotek. Karboxylační reakce - regulace karboxylační aktivity Rubisco
• Oxygeanční aktivita Rubisco – fotorespirace.
• Modifikace biochemie asimilace CO2 – C4 a CAM rostliny.

15. Absorpce fotosynteticky aktivního záření

• Pigmenty fotosyntetického aparátu – chemická charakteristika, funkce.
• Spektrum absorpce pigmentů in vitro a spektrum absorpce zeleného listu in vivo - pigment-proteinové komplexy – spektrální formy chlorofylu a.
• Slupkový model organizace pigment proteinových komplexů fotosystému II a I.
• Charakteristika struktury a obsahu pigmentů proteinů vnější antény, vnitřní antény a antény jádra PS II.

16. Lineární transport elektronů a protonů ve fotosyntéze

• Charakteristika přenašečů elektronů a protonů v thylakoidních membránách chloroplastů.
• Fotosyntéza jako oxidačně-redukční reakce – Z schéma.
• Struktura reakčního centra fotosystému II – fotochemická reakce PS II, fotosyntetický rozklad vody – donor elektronů PS II.
• Struktura reakčního centra fotosystému II – fotochemická reakce PS I
• Transport elektronů a protonů mezi PS II a PS I
• Fotofosforylace

Přílohy:

42_login.php