Úvod do biofyzikální chemie - MC260P22

• Anglický název: Introduction to Biophysical Chemistry
• Zajišťuje: Katedra fyzikální a makromol. chemie (31-260)
• Fakulta: Přírodovědecká fakulta
• Platnost: od 2018
• Semestr: letní
• E-Kredity: 3
• Způsob provedení zkoušky: letní s.:
• Rozsah, examinace: letní s.:2/0, Zk [HT]
• Počet míst: neomezen
• Minimální obsazenost: neomezen
• 4EU+: ne
• Virtuální mobilita / počet míst pro virtuální mobilitu: ne
• Stav předmětu: zrušen
• Jazyk výuky: čeština
• Poznámka: povolen pro zápis po webu
• Garant: prof. RNDr. Vladimír Karpenko, CSc.

Anotace

čeština

Poslední úprava: ZUSKOVA (27.01.2003)

Základní kurs, v němž je termodynamika, elektrochemie a reakční kinetika aplikována na bílkoviny, jejichž prostorová struktura a její stabilita je diskutována. Současně jsou zmiňovány některé metody studia biopolymerů. Přednášku doplňuje cvičení (C260C22) zaměřené na praktické výpočty.

angličtina

Poslední úprava: ZUSKOVA (27.01.2003)

Basic course in which thermodynamics, electrochemistry, and kinetics of chemical reactions is applied to proteins, spatial structure of which and its stability is discussed. Simultaneously, selected methods used for study of biopolymers are mentioned. This lecture is complemented by seminary (C260C22) specialized on solving practical problems.

Literatura

Poslední úprava: ZUSKOVA (27.01.2003)

Kodíček, M., Karpenko, V.: Biofysikální chemie, Academia, Praha 2000.

Vodrážka, Z.: Fyzikální chemie pro biologické vědy, Academia, Praha 1982.

Kalous, V., Pavlíček, Z.: Biofyzikální chemie, SNTL, Praha 1980.

Bergethon, P. R.: The Physical Basis of Biochemistry, Springer Verl., New York 1998.

Edsall, J. T., Wyman J.: Biophysical Chemistry, Vol. I., Academic Press, New York 1958.

Price, N. C., Dwek, R. A.: Principles and Problems in Physical Chemistry for Biochemists, Clarendon Press, Oxford 1979.

Segel, I. H.: Biochemical Calculations, J. Wiley, New York 1968.

Skriptum: Karpenko, V.: Řešené příklady z fyzikální chemie pro biology, SPN, Praha 1990.

Požadavky ke zkoušce

Poslední úprava: prof. RNDr. Vladimír Karpenko, CSc. (22.05.2012)

Zkouška je ústní formou, otázky jsou k dispozici na začátku semstru.

Sylabus

čeština

Poslední úprava: ZUSKOVA (27.01.2003)

Voda, fysikální vlastnosti; struktura molekuly vody; vodíková vazba; základní struktury ledu; modely kapalné vody; hydratace malých iontů a bílkovin; voda v biologických soustavách.

I. věta termodynamická, teplo a práce; reversibilní a ireversibilní děje; diskuse matematické formulace I. věty; vnitřní energie, enthalpie; tepelné kapacity; isothermické a adiabatické děje.

Termochemie; termochemické zákony; spalná a slučovací tepla; termochemické výpočty; závislost reakčního tepla na teplotě; kalorimetrické studium biopolymerů.

II. věta termodynamická, Carnotův cyklus; entropie při reversibilních a ireversibilních dějích; entropie a živé soustavy; entropie a pravděpodobnost; III. věta termodynamická.

Gibbsova a Helmholtzova energie, závislost na tlaku a na teplotě; chemický potenciál; rovnováhy v homogenních soustavách, termodynamické odvození rovnovážné konstanty; standardní stavy v biochemii; makroergické sloučeniny, spřažené reakce.

Heterogenní soustavy, podmínka rovnováhy; Gibbsův zákon fází; rozdělovací koeficient, hydrofobní škály aminokyselin; hydrofobní interakce a jejich termodynamické vysvětlení.

Povrchové napětí kapalin, metody stanovení, povrchově aktivní látky; Gibbsova rovnice; rovnováhy na fázových rozhraních kapalina - plyn a kapalina - kapalina; Fowkesova rovnice; smáčení; emulse; pěny; význam povrchových jevů pro biologické soustavy.

Typy elektrolytů; elektrostatické interakce v roztocích; aktivita, aktivitní koeficient; Debye-Hűckelův limitní vztah; definice pH; slabé elektrolyty, disociační konstanta, stupeň disociace; pH silných a slabých kyselin a zásad; hydrolysa; málo rozpustné elektrolyty, součin rozpustnosti; vodivost roztoků elektrolytů; Donnanovy rovnováhy.

Obecná teorie kyselin a zásad; typy rozpouštědel; amfolyty, disociace aminokyselin, zwitterionty; disociační konstanty aminokyselin.

Pufry; Hendersonova-Hasselbalchova rovnice a její diskuse, pufrační kapacita; výpočet složení pufru; důležité pufrující systémy v organismu; obsah různě disociovaných forem aminokyselin v roztocích.

Disociace aminokyselin, mikroskopické a makroskopické disociační konstanty; isoelektrický a isoionický bod; acidobasické titrace bílkovin; matematické zpracování disociace bílkovin jako polyelektrolytů; interakce bílkovin s různými ligandy a jejich význam; metody studia interakcí, matematické zpracování dat; vsolování a vysolování bílkovin.

Potenciometrie; elektrochemické články, konvence zápisu; vztah mezi Gibbsovou energií a elektromotorickým napětím; typy elektrod a jejich použití; stanovení pH ve vodě a ve směsných rozpoustědlech používaných v biochemii; biologicky významné redoxní systémy

Kinetika chemických reakcí; řád a molekularita reakce; základní typy reakcí; matematický aparát kinetiky I. řádu; reakce II. řádu; stanovení řádu reakce; teorie reakčních rychlostí; základy kinetiky enzymových reakcí; inhibice.

Struktura a stabilita bílkovin; klasifikace struktur; nekovalentní interakce stabilisující molekulu bílkoviny; predikce struktury bílkovin: chemické, fysikální a statistické metody; základní principy počítačového modelování.

Zkoumání struktury bílkovin; chromofory; konformační změny vyvolané perturbujícími vlivy; absorpční, diferenční a derivační spektra v UV oblasti; cirkulární dichroismus; fluorescence a další metody.

Mechanismy sbalování molekul bílkovin a jejich kinetika; chaperony; základní představy o kinetice denaturace bílkovin; matematické zpracování experimentálních dat.

angličtina

Poslední úprava: ZUSKOVA (27.01.2003)

Water, physical properties; structure of water molecule; hydrogen bond; basic structures of ice; models of liquid water; hydration of small ions and proteins; water in biological systems.

The first law of thermodynamics, heat and work; reversible and irreversible processes; discussion of the mathematical formulation of the first law; internal energy, enthalpy, heat capacity; isothermal and adiabatic processes.

Thermochemistry; laws of thermochemistry; heats of combustion and formation; thermo-chemical calculations; temperature dependence of the reaction heat; calorimetric study of bio-polymers.

The second law of thermodynamics, Carnot cycle; entropy in reversible and irreversible processes; entropy and living systems; entropy and probability; the third law of thermodynamics.

Gibbs and Helmholtz energy, dependence on pressure and temperature; chemical potential; equilibria in homogeneous systems, thermodynamical derivation of the equilibrium constant; standard states in biochemistry; macroergic compounds, coupled reaction.

Heterogeneous systems, condition of equilibrium; Gibbs phase rule; partition coefficient, hydrophobic scales of amino acids; hydrophobic interactions and their thermodynamical explanation.

Surface tension of liquids, methods of determination, surface active compounds; Gibbs equation; equilibria on the interfaces liquid - gas, and liquid - liquid; Fowkes equation; wetting; emulsions; foams; importance of surface phenomena for biological systems.

Types of electrolytes; electrostatic interactions in solutions; activity, activity coefficient; Debye-Hückel limiting law; definition of pH; weak electrolytes, dissociation constant, degree of dissociation; pH of strong and weak acids and bases; hydrolysis, low soluble elec-trolytes, solubility product; electrical conductivity of electrolyte solutions; Donnan's equilibria.

Brönstedt's theory of acids and bases; types of solvents; ampholytes, dissociation of amino acids, zwitterions; dissociation constants of amino acids.

Buffers; Henderson-Hasselbalch's equation and its discussion, buffering capacity; calculation of buffer composition; important buffering systems in organism; concentration of dissociated forms of amino acids in their solutions.

Dissociation of amino acids, microscopic and macroscopic dissociation constants; isoelectric and isoionic point; acidobasic titrations of proteins; mathematical treatment of dissociation of proteins as polyelectrolytes; interaction of proteins with different ligands and importance of these interactions; methods of investigation of interactions, mathematical treatment of data; salting-out and salting-in of proteins.

Potentiometry; electrochemical cells, notation; relation between Gibbs energy and electromotive force; types of electrodes and their use; pH determination in water and in mixed solvents used in biochemistry; important redox systems in biology.

Kinetics of chemical reactions; reaction order and molecularity; basic types of reactions; mathematical approach to the kinetics of the 1st and 2nd order; determination of the reaction order; theories of reaction velocity; kinetics of enzymatic reactions; inhibition.

Structure and stability of proteins; classification of structures; noncovalent interactions stabilizing protein molecules; prediction of protein structure: chemical, physical, and statistical methods; principles of computer modeling of proteins.

Determination of protein structure; chromophores; conformation changes caused by perturbation; UV absorption, difference, and derivative spectra; circular dichroism; fluorescence, and other methods

Mechanisms of protein folding and its kinetics; chaperones; basic concepts of kinetics of protein denaturation; mathematical treatment of experimental data.