BIO2 Povzetki seminarjev 2024

POVZETKI SEMINARJEV BIOKEMIJA 2024/25

==Anamarija Rozina - Kaj se v resnici dogaja med staranjem? Pomen epigenetsko regulirane mitohondrijsko-jedrne komunikacije pri procesih staranja Staranje, ki ga povezujemo z oslabljenim delovanjem bioloških funkcij, pojavom bolezenskih stanj in na koncu s smrtjo, obsega več med seboj kompleksno povezanih procesov; čeprav je morda staranje težko absolutno definirati, ga spremljajo obsežne epigenetske spremembe in spremembe v metabolizmu. Eden od pomembnih faktorjev pri njegovi regulaciji je mitohondrijsko-jedrna komunikacija. Mitohondriji so osrednji organeli energijskega metabolizma, večina proteinskih kompleksov, ki pri tem sodeluje, pa je kodirana v jedrni DNA. Za zagotavljanje optimalnega delovanja mitohondrijev in usklajevanje izražanja genov in translacije je zato zelo pomembna stalna komunikacija med jedrom in temi organeli. Stresne okoliščine, ki jih povzročajo motnje in nepravilno delovanje mitohondrijev, npr. porušeno razmerje metabolitov, akumulacije mtDNA mutacij, oslabljeno celično dihanje, motena homeostaza mitohondrijskih proteinov in produkcija ROS, sprožijo vrsto različnih signalov, ki te informacije prenesejo v jedro; to povzroči aktivacijo ustreznih transkripcijskih signalov za ohranjanje homeostaze mitohondrijev in posledično celic, kar pa pomembno vpliva na uravnavanje procesov staranja in dolgoživosti. Nekateri izmed regulatornih signalov, katerih vloga pri regulaciji staranja je opisana v seminarski nalogi, so metaboliti cikla citronske kisline, ROS – reaktivne kisikove zvrsti in UPRmt (angl. mitochondrial unfolded protein response) – odziv na nezvite proteine. Ti preko vrste epigenetskih modifikacij spremenijo načine izražanja genov in vplivajo na procese staranja.

Lan Tanko - Proteaze kot nepogrešljivi členi umetnih signalnih poti

Virusne proteaze zaradi svoje visoke specifičnosti predstavljajo ključen člen umetnih signalnih poti, saj omogočajo natančen in ireverzibilen prenos informacij na tarčni protein, ki ga lahko s cepitvijo vezi bodisi aktivirajo ali inhibirajo. Za potek proteolitske cepitve tarčne sekvence mora proteaza vsebovati vse funkcionalne domene in biti v bližnjem ter neoviranem stiku z zaporedjem, ki ga cepi. Sintetične signalne poti za svoje delovanje tako temeljijo na medproteinskih interakcijah. Gre lahko za relativno preproste interakcije, ki izhajajo iz biokemijskih lastnostih proteinov, ali pa za bolj kompleksne operacije, ki se na inovativen način poslužujejo še logične algebre. Signalne poti so sposobne zaznati tako endogene kot eksogene signale ter zanje prirediti odgovor. Izhodna informacija lahko zgolj posreduje informacijo o aktivaciji receptorja preko sprostitve inertnega transkripcijskega faktorja, ki promovira ekspresijo fluorescenčnega markerja, ali pa sprosti protein, ki bo vplival na potek endogenih procesov. Tako je moč ustvariti najrazličnejše sintetične poti – take, ki ponujajo nove metode zaznavanja celičnih procesov, kot tudi take, ki bodo prepoznavale onkogeno obnašanje celice ter inducirale celično smrt. Zaradi svoje modularnosti in posledično variabilnosti v funkciji so umetne signalne poti tema mnogih raziskav s področji biokemijskih tehnologij, skozi katere se trudijo optimizirati ustvarjene poti za aplikativno rabo.

Tadej Kranjc - Pomembnost mTORC1 v fitnesu: Njegova funkcija in delovanje

Ste se kdaj spraševali, kako vaše telo postane močnejše in bolj definirano? V tej seminarski vam bom na podrobneje opisal to prav natančno uglašeno signalno pot, ki nadzoruje rast in regeneracijo mišic v našem telesu. Mehanizem mTORC1 (mehanistična tarča rapamicina kompleks 1) je pomemben za vse športnike, ki želijo izboljšati svojo telesno pripravljenost, saj ureja procese, kot sta sinteza beljakovin in zavira proces avtofagije. Sama aktivacija te poti se sproži ob zadostni količini aminokislin, predvsem levcin, zadostne hranilne energije v obliki glukoze in ob sprostitvi hormonov ter mehanskega napora na skeletne mišice. Aktivacija mTORC1 se zgodi ob translokaciji in lokalizaciji na membrani lizosoma, kjer se ob prisotnosti zadosti aminokislin in rastnih hormonov aktivirata beljakovini Rheb in kompleks Rag GTPaza. Aktiviran mTORC1 je pomemben pri športnikih, ki zrejo k povečanju mišične mase. Pri hipertrofiji pomaga s sintezo beljakovin, ki zacelijo mikroskopske poškodbe na skeletnih mišicah in zavira postopek avtofagije, kar pospeši postopek mišične rasti in hitrejše doseganje naših ciljev.

Zoja Mramor- Etilenska signalizacija v rastlinah

Etilen, preprost olefinski plin, ki ga rastline biosintetizirajo, deluje kot fitohormon in je ključni regulator različnih rastnih ter razvojnih procesov, kot so zorenje plodov, staranje in odziv na stres. Znanstvene raziskave, predvsem na modelni rastlini Arabidopsis thaliana, so odkrile kompleksnost signalne poti etilena, ki vključuje več ključnih komponent, kot so receptorji (ETR1, EIN2, CTR1) in transkripcijski faktorji (EIN3, ERF). Poleg osnovne signalne poti pa nove vpoglede v delovanje podajajo tudi alternativne poti signalizacije. Etilen ima tudi velik komercialni pomen, saj vpliva na zorenje pridelkov in omogoča njihovo dolgotrajnejše skladiščenje. Razumevanje signalizacije etilena je ključno za razvoj vedno bolj ustreznih metod za nadzor nad njegovimi učinki, kar vključuje tako inhibicijo dozorevanja plodov, kot tudi spodbujanje prezgodnje kalitve parazitskih rastlin.

Manja Drobne - Stranski produkti glikolize in njihovo odstranjevanje

Glikolizo si običajno predstavljamo kot urejen sklop desetih reakcij, ki v celici poteka nemoteno, vendar med procesom zaradi fizioloških razmer v celici prihaja tudi do napak. Pri tem imamo v mislih stranske toksične metabolite, ki našemu telesu predstavljajo nevarnost. Nastanejo zaradi napake metaboličnih encimov, ki namesto pravega substrata katalizirajo pretvorbe analogov oziroma na substratu izvedejo napačno reakcijo. Redko nekanonični metabolit nastane spontano. Nekanonični metaboliti običajno niso del metaboličnih poti, kar v celici povzroča veliko težav. Ker niso primarni substrati, se kopičijo v celici in lahko inhibirajo metabolične encime ali celo izpodrinejo osnovne produkte iz metaboličnih poti. Ključnega pomena je, da imamo v celici metabolične popravljalne encime, ki te produkte odstranjujejo. Nekateri jih pretvorijo v neškodljive snovi, ki se pogosto vračajo v metabolne poti, drugi pa posredno z zmanjšanjem koncentracije njihovih predhodnikov onemogočijo njihov nastanek. V seminarju sem se osredotočila na stranske produkte, ki nastanejo med glikolizo in pretvorbo piruvata v laktat. Mesta, na katerih prihaja do napak in kjer delujejo popravni encimi, sem tako razdelila na devet skupin in opisala delovanje naslednjih encimov: G6PC3, G6PT, PGP, ACYP1, NAXD, NAXE, L2HGDH, sedoheptuloza-1,7-bisfosfataza, GLO, FN3K, MDP1, AXGHT, GRHPR in HAO1/2.

Vita Škarabot - Signalizacija sladkega okusa: signalne poti in regulatorni mehanizmi

Okušanje organizmom omogoča, da ocenijo kemijsko sestavo hrane, še preden jo zaužijejo in jih obvaruje pred vnosom potencialno škodljivih snovi. Sladke molekule pri organizmih vzbudijo pozitiven odziv, kar je povezano z visoko energijsko vrednostjo številnih v naravi pojavljajočih se sladkih snovi. Signalne poti povezane z okušanjem sladkega aktivirajo naravni sladkorji, različna naravna ali umetna sladila ter nekatere D-aminokisline, vendar ne vsi po enakem mehanizmu. Glavna signalna pot pri okušanju sladkega je odvisna od heterodimerskega receptorja sestavljenega iz GPCR-jev Tas1R2 in Tas1R3, ki aktivira G-protein gustducin, ki je precej podoben transducinu. Signalna pot poteka preko fosfolipaze C in vključuje povišanje znotrajcelične koncentracije kalcija, ki povzroči depolarizacijo membrane in sproščanje živčnega prenašalca. Poleg te signalne poti pa obstajajo še nekatere od GPCR-jev neodvisne poti, v katerih sodelujejo membranski kanalčki SGLT1 ali GLUT1 in GLUT2. Opisana signalizacija je kompleksna, saj se signalne poti med sabo prepletajo, različne sladke molekule pa lahko sprožijo tako prekrivajoče se, kot tudi popolnoma različne signalne poti. Njihova regulacija poteka preko mehanizmov, kot so desenzitizacija in endocitoza receptorjev, preko povezovanja z različnimi G-proteini in s pomočjo pomožnih proteinov. Raziskovanje signalnih poti okušanja je pomembno za razvoj novih umetnih sladil, ki bi bolje posnemala naravne sladkorje, za lažje uravnavanje kaloričnega vnosa in vzdrževanje homeostaze glukoze ter celo za razvoj nekaterih zdravil za bolezni, kot je diabetes.

Ema Mataln Smehov - Vloga encima PFKFB3 in povečane glikolitične aktivnosti pri sepsi

Sepsa nastane zaradi pretiranega imunskega odziva na okužbo in je lahko tudi življenjsko nevarna. Povečana glikolitična aktivnost v imunskih celicah, kot so makrofagi in nevtrofilci, zagotavlja hitro energijo za intenziven imunski odziv. Encim PFKFB3 pospešuje glikolizo z uravnavanjem fruktoze-2,6-bifosfata, kar pospeši vnetne procese. Vendar pa lahko prekomerna aktivnost glikolize hitro postane škodljiva. Ob prekomerni aktivnosti glikolize v imunskih celicah pride do hitrejšega pridobivanja energije, kar podpira intenziven vnetni odziv. Vendar pa se ob tem kopičijo vnetni mediatorji, kot so citokini, ki povečujejo poškodbe tkiv in povzročijo zakisanje tkiva zaradi višje koncentracije mlečne kisline. To zakisanje lahko dodatno obremeni organe in vodi v organske odpovedi, še posebej pri hudih oblikah sepse. Podobno se tudi v neimunskih celicah, kot so endotelijske celice in pljučni fibroblasti, prekomerna aktivnost glikolize povezuje s škodljivimi učinki. V endotelijskih celicah visoka aktivnost PFKFB3 spodbuja privlačenje imunskih celic in migracijo na mesta vnetja, kar poslabša vnetne procese in prispeva k motnjam v prepustnosti tkiv. Pri fibroblastih, še posebej pljučnih, poveča aktivacijo in sintezo kolagena, kar lahko vodi v fibrozo in brazgotinjenje tkiva. Zaradi teh učinkov je zaviranje PFKFB3 izjemno pomembno, saj lahko omili intenzivnost vnetnega odziva in prepreči trajne poškodbe tkiv. Zaradi tega je ključnega pomena, da raziskovalci preučujejo in iščejo nove inhibitorje PFKFB3, ki pomagajo zmanjšati aktivacijo celic in preprečiti prekomerno aktivnost glikolize.

Laura Savič - Vloga glikolize pri razvoju ateroskleroze

Ateroskleroza je zelo pogosta kronična bolezen, kjer pride do nastanjanja maščobnih oblog na notranjih stenah žil, kar vodi do kroničnega vnetja in nastanka ateroskleroznih plakov. Vloga glikolize pri razvoju ateroskleroze pritegne vedno več pozornosti, saj raziskave kažejo, da bi uravnavanje glikolize lahko ponudilo nove možnosti zdravljenja te bolezni. Glikoliza, ključni proces pridobivanja energije v celicah, je v aterosklerotičnih območjih spremenjena in sodeluje pri disfunkciji endotelijskih celic, vnetnem odzivu makrofagov in razvoju žilne angiogeneze. Ta proces omogočajo različni encimi, ki povečajo glikolitično aktivnost celic, spodbudijo proizvodnjo mlečne kisline ter s tem povečujejo vnetje. Čeprav se raziskave trenutno osredotočajo na PFKFB3 (6-fosfofruktoza-2-kinaza/fruktoza-2,6-bisfosfataza 3), obstaja še veliko možnosti za raziskave drugih glikolitičnih encimov in inhibitorjev, kot sta heksokinaza in piruvat kinaza, ki bistveno vplivata na hitrost in učinkovitost glikolize. V nadaljnih študijah bo ključno odkrivanje novih, še bolj specifičnih inhibitorjev, ki bi omogočili boljše in natančnejše uravnavanje metabolnih poti v celicah spremenjenih pri aterosklerozi, ter za razvoj novih zdravil za preprečevanje pojava in napredovanja bolezni.

Ema Kafol - Sonic Hedgehog signalna pot in njena povezava z depresijo

Depresija je ena najpogostejših psiholoških motenj v sodobni družbi. Blagi kronični stres, ki prispeva k njenemu razvoju, lahko povzroči več pomembnih sprememb v možganih, predvsem v nevronih, kar vpliva na njihovo funkcijo, preživetje in komunikacijo. V zadnjih letih so znanstveniki začeli postavljati hipoteze o povezavi med motenimi pretvorbami signala v celici in nastankom, razvojem ter razširitvijo depresije. Osredotočili so se na raziskovanje vloge Sonic hedgehog (Shh) signalne poti v času razvoja depresivnih motenj. Prav tako so želeli odkriti ali bi lahko bila Shh signalna pot možna tarča zdravljenja depresije. Sonic Hedgehog signalna pot ima ključno vlogo pri razvoju centralnega živčnega sistema. Spodbuja razvoj novih nevronov v času hipokampalne nevrogeneze. Prispeva lahko tudi k obnavljanju nevronov, ki so bili poškodovani v času blagega stresa, s spodbujanjem nevrogeneze in nevroplastičnosti. Podobno vlogo imajo antidepresivi, kar odpira možnost povezave med Shh signalno potjo in depresivnimi motnjami. V hipokampusu so odkrili še druge signalne poti, ki pa se med seboj pogosto križajo. Med najbolj raziskanimi sta Wnt in BDNF signalni poti, za kateri je že znano da delujeta antidepresivno. Z raziskavami so uspeli dokazati povezavo med Shh, Wnt in BDNF. Bolj natančno poznavanje Shh signalne poti, bi lahko odprlo vrata do novih in boljših možnosti antidepresivnega zdravljenja.

Maša Markun - Kako pride do srbečice: mehanizmi in molekule

Srbečica ali pruritus je neprijeten občutek, ki v nas povzroča željo po praskanju. Lahko je posledica bolezni kože, vzrok pa je lahko tudi nevrološki ali psihološki. Do občutka srbečice vodi več mehanizmov, ki jih v grobem lahko razdelimo na histaminergično in nehistaminergično signalno pot. Histamin s svojima receptorjema sodeluje v histaminergični signalni poti, različne druge signalne molekule, kot so na primer citokini, pa s svojimi receptorji sodelujejo v nehistaminergični signalni poti. Preko fosfolipaznega sistema te signalne molekule aktivirajo ionske kanale iz družine TRP (transient receptor potential channels), ki se odprejo in omogočijo pretok kationov v celico, kar generira akcijski potencial. Posledično se odprejo napetostno odvisni natrijevi kanali, s pomočjo katerih se signal prenese naprej. Med primarnim senzoričnim nevronom in sekundarnim nevronom se signal prenese s pomočjo nevrotransmiterja glutamata. To se zgodi v hrbtenjači. Pruritični signal se nato prenese naprej do možganov, kjer se sprocesira in povzroči srbenje. Vzroki srbečice so pogosto nejasni in prepleteni med seboj, zato je zdravljenje dostikrat zahtevno. V zadnjem času so razvili različna nova zdravila proti srbečici, ki so usmerjena v bolj specifične tarče v teh mehanizmih in so zato bolj učinkovita ter imajo manj stranskih učinkov. V marsikaterem primeru pa vseeno še vedno nimamo optimalnih rešitev za lajšanje srbečice. 

Katarina Kolbl - Molekularni mehanizmi zgodnje in pozne faze LTP

Dolgotrajno sinaptično ojačenje (LTP-long term potentiation) je proces, ki je ključen za delovanje naših možganov, ker ima pomembno vlogo pri mehanizmih, na katerih temeljita učenje in spomin. Za LTP je značilno dolgoročno povečanje moči sinaptičnih povezav, kot posledica stimulacije nevronov. V tem seminarju so predstavljeni biokemijski procesi, ki omogočajo LTP, s poudarkom na biosignalizaciji. Signalna pot se začne z vezavo nevrotransmiterja na receptorje postsinaptične membrane, kar omogoči vstop sekundarnega obveščevalca. Aktivirajo se nadaljni encimi odgovorni za biosignalizacijske poti, ki vodijo do dolgotrajnih struktrunih sprememb v nevronih. Seminar obravnava zgodnjo in pozno fazo LTP. Za zgodnjo fazo so značilne modifikacije že obstoječih proteinov, medtem ko je za pozno fazo potrebna regulacija izražanja genov in sinteza novih proteinov. Za optimalno delovanje živčevja pa je potrebno ravnotežje med dolgotrajnim sinaptičnim ojačenjem (LTP) in slabljenjem (LTD-long term depression). LTD zmanjša moč povezav in s tem poveča prilagodljivost možganov. Razumevanje mehanizmov LTP nam da boljši vpogled v delovanje živčevja, kar lahko koristi pri razvijanju novih načinov za izboljšanje kognitivnih funkcij in zdravljenje nevrodegenerativnih bolezni.

Veronika Štrekelj Istinič - Regulacija metabolizma piruvata in s tem povezane neurodegenerativne bolezni

Mitohondrijski nosilec piruvata (MPC) je beljakovinski kompleks, ki omogoča transport piruvata iz medmembranskega prostora v matriks mitohondrija, kjer se piruvat vključuje v Krebsov cikel. MPC povezuje glikolitični metabolizem v citosolu s Krebsovim ciklom. Pri ljudeh je MPC sestavljen iz dveh podenot: MPC1 in MPC2, katerih delovanje je regulirano glede na prisotnost hormonov, kot sta inzulin in glukagon. Transport piruvata poteka s simportom protona ali izmenjavo s hidroksidnim ionom, pri čemer je pomemben elektrokemični gradient. Mutacije v MPC1 lahko povzročijo resne zdravstvene težave, kot so motnje transporta piruvata, laktacidoza in nevrološke okvare. Primeri mutacij so povezani z nevrodegenerativnimi boleznimi, kot sta Alzheimerjeva in Parkinsonova bolezen, kjer je moten mitohondrijski metabolizem. Nepravilnosti v metabolizmu piruvata so značilne tudi za bolezni, kot sta Leighov sindrom in srčno popuščanje. Nevrodegenerativne bolezni, kot sta Alzheimerjeva in Parkinsonova, so povezane z disfunkcijo mitohondrijev, oksidativnim stresom in zmanjšano aktivnostjo ključnih encimov, kot je piruvat dehidrogenaza (PDH). Disregulacija teh procesov vodi do zmanjšane sinteze ATP, kar prispeva k napredovanju bolezni. PDH igra ključno vlogo v celičnem metabolizmu in je strogo reguliran z energijskimi potrebami celice, kar vpliva na homeostazo in zdravje. Alzheimerjeva in Parkinsonova bolezen sta si zelo podobni, saj imata skupne značilnosti kot je npr. povišan ROS, hipometabolično stanje in celotno okvaro celičnega metabolizma v regijah v možganih. Pri Alzheimerjevi bolezni zaviralci acetilholinesteraze in NMDA receptorjev zmerno izboljšajo simptome, pri Parkinsonovi pa L-Dopa poveča dopamin. Vendar te terapije ne rešujejo oksidativnega stresa in hipometabolizma. Piruvat, kot antioksidant, lahko blaži oksidativni stres in ščiti nevrone, zato je obetavna možnost za prihodnje zdravljenje nevrodegenerativnih bolezni

Tjaša Turk - Metabolni encimi z dvojno funkcijo v jedru: metabolna regulacija transkripcije genov

Odkrito je bilo, da lahko metabolni encimi s translokacijo prehajajo iz citoplazme v jedro, kjer opravljajo nove funkcije, kot je vpliv na izražanje genov. Nekateri izmed teh encimov so ACPE-ji, ki proizvajajo acetil-CoA (v jedru) in tako vplivajo na acetilacijo histonov. Razvita je tudi teorija o vplivu jedrnih metabolnih encimov na pomembne celične funkcije kot so proliferacija, diferenciacija in odziv na stradanje. Povezava med metabolizmom in specifičnim izražanjem genov pripomore k razumevanju prilagoditev celic na spremembe v okolju in tudi v mutiranih celicah (rakavih). Zaradi kompleksnosti mehanizma in pomankanja natančnih metod, v veliki večini te hipoteze oziroma trditve še niso dokončno potrjene. Nadaljnje raziskave se usmerjajo v izdelavo novih zdravil na osnovi povezave med metabolizmom in izražanjem genov. Cilj pa je, da bi poznali točen mehanizem translokacije metabolnih encimov v jedro, saj bi s pomočjo tega lahko razvijali nova zdravila s specifičnimi zaviralci translokacije. Tako bi lahko blokirali oziroma preprečili jedrne funkcije teh encimov, vendar pa bi morali zagotoviti, da se ne spremeni njihova vloga tudi v citoplazmi in mitohondrijih.

Mia Plantan - Vpliv intermediatov cikla citronske kisline na glavne telesne sisteme

Krebsov cikel, znan tudi kot cikel citronske kisline ali TCA cikel, je osrednji biokemični proces, ki poteka v mitohondrijih evkariontskih celic ali citoplazmi prokariontskih celic in omogoča pretvorbo glukoze v energijo v obliki ATP. Med procesom nastajajo ključni intermediati, kot so citrat, alfa-ketoglutarat, sukcinat in malat, ki poleg vloge v pridobivanju energije, delujejo tudi kot signalne molekule in vplivajo na različne celične funkcije in fiziološke sisteme. V endokrinem sistemu intermediati uravnavajo sintezo in sproščanje hormonov ter vplivajo na energijsko homeostazo, kar je ključno za pravilno delovanje telesa. Na imunski sistem vplivajo z modulacijo vnetnih poti in uravnavanjem aktivacije imunskih celic, kar omogoča učinkovit odziv na okužbe ter zaščito pred škodljivimi patogeni. Razumevanje vpliva teh intermediatov na fiziološke sisteme odpira nove možnosti za zdravljenje bolezni, saj presnovna neravnovesja in disfunkcije Krebsovega cikla prispevajo k razvoju kroničnih vnetnih bolezni, diabetesa, avtoimunskih bolezni in raka. Z usmerjanjem v specifične presnovne poti, ki jih intermediati uravnavajo, lahko razvijemo tarčna zdravljenja za obvladovanje bolezni in izboljšanje zdravja.