Biophysical chemistry II - experimental methods - MC260P45

• Title: Biofyzikální chemie II - experimentální metody
• Czech title: Biofyzikální chemie II - experimentální metody
• Guaranteed by: Department of Physical and Macromolecular Chemistry (31-260)
• Faculty: Faculty of Science
• Actual: from 2024
• Semester: summer
• E-Credits: 4
• Examination process: summer s.:
• Hours per week, examination: summer s.:2/1, Ex [HT]
• Capacity: unlimited
• Min. number of students: unlimited
• 4EU+: no
• Virtual mobility / capacity: no
• State of the course: taught
• Language: Czech
• Additional information: http://www.natur.cuni.cz/chemie/fyzchem
• Note: enabled for web enrollment; priority enrollment if the course is part of the study plan
• Guarantor: prof. RNDr. Tomáš Obšil, Ph.D.
• Teacher(s): prof. RNDr. Tomáš Obšil, Ph.D.
• Class: MALDI-TOF MS Systém

Annotation

English

This lecture builds on and expands upon the lecture Biophysical Chemistry I (MC260P44). The main focus is on advanced methods of studying and interpreting the structure and function of biopolymers, in particular X-ray structural analysis (diffraction theory and methods of solving the phase problem), SAXS, NMR, cryo-electron microscopy, analytical ultracentrifugation, microcalorimetry, surface plasmon resonance, and selected methods of mass spectrometry.

Last update: Obšil Tomáš, prof. RNDr., Ph.D. (09.01.2026)

Czech

Tato přednáška navazuje a rozšiřuje přednášku Biofyzikální chemie I (MC260P44). Hlavní pozornost je věnována pokročilým metodám studia a interpretace struktury a funkce biopolymerů, zejména rentgenostrukturní analýze (teorie difrakce a metody řešení fázového problému), SAXS, NMR, kryoelektronové mikroskopii, analytické ultracentrifugaci, mikrokalorimetrii, povrchové resonanci plasmonu a vybraným metodám hmotnostní spektrometrie.

Last update: Obšil Tomáš, prof. RNDr., Ph.D. (09.01.2026)

Literature

ZÁKLADNÍ (povinná):
Kodíček, M., Karpenko, V.: Biofysikální chemie, Academia, Praha, 2000.
Prosser V. a kol.: Experimentální metody biofyziky, Academia, Praha, 1989.

Studijní materiály (prezentace z přednášek) jsou dostupné v systému Moodle UK.

DOPORUČENÁ:
Bergethon, P. R.: The Physical Basis of Biochemistry, Springer Verl., 2010.
Cantor, C.R., Schimmel, P.R.: Biophysical Chemistry I-III, W.H. Freeman and Company, San Francisco 1980.
Allen, J.P.: Biophysical Chemistry, Wiley-Blackwell, 2008.
Cooper, A.: Biophysical Chemistry, The Royal Society of Chemistry, 2004.

Last update: Obšil Tomáš, prof. RNDr., Ph.D. (26.06.2014)

Requirements to the exam

Forma zkoušky: ústní zkoušení v rozsahu přednášené látky.

Last update: Obšil Tomáš, prof. RNDr., Ph.D. (09.01.2026)

Syllabus

English

1. Basic overview and comparison of methods for studying the structure of biopolymers.
2. Protein structure.
3. Protein crystallization, crystal description, crystallographic symmetry, crystal systems, basic unit, asymmetric unit.
4. Diffraction theory. Diffraction on a single electron. Diffraction on an atom. Definition of atomic scattering factor. Definition of structural factor.
5. Diffraction theory. Derivation of diffraction (Laue) conditions. Reciprocal lattice. Ewald construction. Phase problem. 
6. Solution of the phase problem. Patterson map and determination of the position of heavy atoms. Principles of MIR, SIR, SAD, MAD methods. Principle of the molecular replacement method.
7. Processing and analysis of diffraction data. Construction of a structure model. Methods of structure refinement. Analysis of the structural model.
8. Principle of NMR, 2D NMR. COSY and NOESY measurements. Principle of obtaining structural information from NMR data. 
9. Cryo-electron microscopy and its use in the biophysical chemistry of proteins.
10. Methods of analytical ultracentrifugation. Methods of sedimentation rates and sedimentation equilibrium.
11. Microcalorimetry. Isothermal titration calorimetry and differential scanning calorimetry.
12. Surface plasmon resonance (SPR).
13. SAXS - small-angle X-ray scattering.
14. Selected MS methods (chemical cross-linking, HDX-MS).

Last update: Obšil Tomáš, prof. RNDr., Ph.D. (09.01.2026)

Czech

Sylabus přednášky:

1. Základní přehled a srovnání metod studia struktury biopolymerů.
2. Struktura proteinů.
3. Krystalizace proteinů, popis krystalu, krystalografická symetrie, krystalové soustavy, základní jednotka, asymetrická jednotka.
4. Teorie difrakce. Difrakce na jednom elektronu. Difrakce na atomu. Definice atomového rozptylového faktoru. Definice strukturního faktoru.
5. Teorie difrakce. Odvození difrakčních (Laueho) podmínek. Reciproká mřížka. Ewaldova konstrukce. Fázový problém. 
6. Řešení fázového problému. Pattersonova mapa a určení polohy těžkých atomů. Principy metod MIR, SIR, SAD, MAD. Princip metody molekulového nahrazení.
7. Zpracování a analýza difrakčních dat. Stavba modelu struktury. Metody upřesňování struktury. Analýza strukturního modelu.
8. Princip NMR, 2D NMR. Měření COSY a NOESY. Princip získání strukturní informace z NMR dat. 
9. Kryoelektronová mikroskopie a její využití v biofyzikální chemii proteinů.
10. Metody analytické ultracentrifugace. Metody sedimentačních rychlostí a sedimentační rovnováhy.
11. Mikrokalorimetrie. Isotermální titrační kalorimetrie a diferenční skenovací kalorimetrie.
12. Povrchová resonance plasmonu (SPR).
13. SAXS - nízkoúhlový rozptyl rentgenového záření
14. Vybrané metody MS (chemické zesítění, HDX-MS)

Last update: Obšil Tomáš, prof. RNDr., Ph.D. (09.01.2026)

Learning outcomes

English

After successfully completing the course, students will:

1. Characterize the basic methods of studying the structure of biopolymers and compare their suitability for different types of biomolecules.
2. Describe the structure of proteins and explain the relationship between their structure and function.
3. Explain the principles of protein crystallization, characterize crystals, crystallographic symmetry, crystal systems, and asymmetric units.
4. Explain the theoretical basis of diffraction, including electron and atom diffraction, atomic scattering factor, and structural factor.
5. Derive Laue's diffraction conditions, describe the concept of reciprocal lattice and Ewald construction.
6. Describe the phase problem in crystallography and compare methods for solving it (Patterson map, MIR, SIR, SAD, MAD, molecular replacement).
7. Understand the principles of processing and analyzing diffraction data, building a protein structure model, including methods for refining and evaluating model quality.
8. Explain the principles of NMR spectroscopy, including 2D NMR (COSY and NOESY) for obtaining structural information.
9. Explain the principle of cryo-electron microscopy and assess its use in the study of protein structures.
10. Describe the principles of analytical ultracentrifugation, sedimentation rates, and sedimentation equilibrium, and interpret the results of experiments.
11. Explain the principles of microcalorimetry, isothermal titration calorimetry, and differential scanning calorimetry and their use in the analysis of thermodynamic parameters of biochemical interactions.
12. Describe the principles of surface plasmon resonance (SPR) and SAXS and indicate their use in the study of biomolecular interactions and structures.
13. Characterize selected methods of mass spectrometry (chemical cross-linking, HDX-MS) and evaluate their contribution to structural biology.
14. Integrate knowledge from various experimental methods for interpreting complex structural data of biopolymers.

Last update: Obšil Tomáš, prof. RNDr., Ph.D. (09.01.2026)

Czech

Po úspěšném absolvování předmětu student:

1. Charakterizuje základní metody studia struktury biopolymerů a srovná jejich vhodnost pro různé typy biomolekul.
2. Popíše strukturu proteinů a vysvětlí vztah mezi jejich strukturou a funkcí.
3. Vysvětlí principy krystalizace proteinů, charakterizuje krystal, krystalografickou symetrii, krystalové soustavy a asymetrickou jednotku.
4. Objasní teoretické základy difrakce, včetně difrakce na elektronu a atomu, atomového rozptylového faktoru a strukturního faktoru.
5. Odvodí Laueho podmínky difrakce, popíše koncept reciproké mřížky a Ewaldovou konstrukcí.
6. Popíše fázový problém v krystalografii a porovná metody jeho řešení (Pattersonova mapa, MIR, SIR, SAD, MAD, molekulární nahrazení).
7. Rozumí principům zpracování a analýzy difrakční data, stavby modelu struktury proteinu, včetně metod upřesňování a hodnocení kvality modelu.
8. Vysvětlí principy NMR spektroskopie, včetně 2D NMR (COSY a NOESY) pro získání strukturní informace.
9. Vysvětlí princip kryoelektronovou mikroskopii a posoudí její využití při studiu struktury proteinů.
10. Popíše principy analytické ultracentrifugace, sedimentačních rychlostí a sedimentační rovnováhy a interpretovat výsledky experimentů.
11. Vysvětlí principy mikrokalorimetrie, isotermální titrační kalorimetrie a diferenční skenovací kalorimetrie a jejich použití pri analýze termodynamických parametrů biochemických interakcí.
12. Popíše principy povrchové plasmonové rezonance (SPR) a SAXS a uvede jejich využití při studiu biomolekulárních interakcí a struktur.
13. Charakterizuje vybrané metody hmotnostní spektrometrie (chemické zesítění, HDX-MS) a hodnotí jejich přínos pro strukturní biologii.
14. Integruje znalosti z různých experimentálních metod pro interpretaci komplexních strukturálních dat biopolymerů.

Last update: Obšil Tomáš, prof. RNDr., Ph.D. (09.01.2026)