BIO2 Povzetki seminarjev 2019

Kim Glavič: ATP KOT SIGNALNA MOLEKULA ŽIVALI IN RASTLIN

Molekula ATP ni le temeljni vir energije za mnoge procese v celici, temveč tudi signalna molekula v zunajceličnem matriksu živali in rastlin. ATP, kot velika polarna molekula, se iz celic rastlin izloči s pomočjo eksocitotskih veziklov ali ATP prenašalcev. Iz živalskih celic pa s pomočjo eksocitotskih veziklov, ATP prenašalcev ali koneksonskih hemikanalčkov. Ob povečanih koncentracijah molekul ATP v zunajceličnem matriksu se te vežejo na ustrezne P2- receptorje. Po sprostitvi nazaj v matriks pa njihovo koncentracijo uravnavajo ekto-nukleotidaze. Na splošno aktivacija P2- receptorjev povzroči povišanje koncentracije kalcijevih ionov in dušikovega monoksida v citosolu celice ter nastanek reaktivnih kisikovih zvrsti v zunajceličnem matriksu. Kalcijevi ioni, dušikov monoksid in reaktivne kisikove zvrsti so sekundarni obveščevalci, ki so ključni za fiziološki odziv celice. Rastlinska ATP-signalizacija ima pomembno vlogo pri časovni regulaciji kalitve cvetnega prahu, rasti pelodne cevke, nastanku koreninskih gomoljev in zaznavanju ter posledično izogibanju oviram pri rasti korenin. Živalska ATP-signalizacija sodeluje pri nastanku imunskega odziva, prenosu živčnih signalov, celični smrti in regulaciji mnogih drugih procesov.

Tevž Levstek: GLICINSKI TRANSPORTERJI KOT TERAPEVTSKE TARČE

Glicin je proteinogena aminokislina, ki opravlja tudi funkcijo signalne molekule, natančneje nevrotransmiterja. Najdemo ga v dveh vrstah sinaps: glicinergičnih, kjer je glavni nevrotransmiter in glutamatergičnih, kjer ima pomožno vlogo, saj pomaga glutamatu pri signaliziranju. Koncentracije glicina v medceličnini regulirajo glicinski transporterji, ki jih delimo na GlyT1 in GlyT2. Glicinergična sinapsa je inhibitorna, kar pomeni, da če glicin aktivira svoj receptor, posinaptično celico hiperpolarizira (še poveča raven kloridnih ionov v njej). V tej sinapsi GlyT1 zmanjšuje koncentracijo glicina, saj ga transportira v okoliške glia celice. GlyT2 po drugi strani pa zvišuje koncentracijo glicina, saj zbira razpršen glicin, ga reciklira in omogoči ponovno usmerjeno pošiljanje proti receptorjem. V glutamatergičnih sinapsah pa je glicin skupaj z glutamatom ekscitatorna signalna molekula. Če se glicin veže na protein NMDA, ki je na posinaptični membrani, mu s pozitivno alosterično modifikacijo olajša vezavo z glutamatom, ki odpre kationski kanalček in depolarizira celico. Tu regulira koncentracijo glicina le GlyT1, ki jo zmanjšuje, GlyT2 pa tu ne nastopa. Razumevanje delovanja obeh sinaps nam lahko omogoči sintezo novih zdravil, ki bi bolj učinkovito delovala proti nekaterim duševnim boleznim kot so shizofrenija, alkoholizem, obsesivno-kompulzivna motnja in še precej drugim. Ta zdravila najpogosteje inhibirajo delovanje GlyT1 in imajo veliko uspešnost pri glodalcih. Pri ljudeh pa na žalost še ni bilo dobrih rezultatov in na razvoj tovrstnega zdravila še čakamo.

Ana Potočnik: FOSFATIDILSERIN KOT SIGNALNA MOLEKULA

Fosfatidilserin je glicerofosfolipid in pomemben gradnik celičnih membran. V zdravih in živečih celicah se nahaja izključno na notranji, citosolni strani fosfolipidnega dvosloja. To asimetrično razporeditev s pomočjo ATP vzpostavlja aminofosfolipidna translokaza. Poleg svoje strukturne vloge ima fosfatidilserin tudi pomembno funkcijo v mnogih signalizacijskih poteh. Kot signalna molekula sodeluje pri koagulaciji krvi, fagocitozi apoptoznih celic, celični fuziji in odlaganju mineralov v osteoblaste. Ključna lastnost fosfatidilserina kot signalne molekule je njegova negativno nabita polarna glava. Preko nje fosfatidilserin z drugimi signalnimi molekulami ali receptorji tvori elektrostatske ali stereospecifične interakcije. Sodeluje pri signalizaciji znotraj celice in tudi pri ekstracelularni signalizaciji. Ko sodeluje pri ekstracelularni signalizaciji, se nahaja tudi na ekstracelularni strani fosfolipidnega dvosloja. Prehod fosfatidilserina iz notranje na zunanjo stran uravnavajo skramblaze. Te so lahko aktivirane s pomočjo kaspaz, ki so encimi, prisotni v apoptozni celici. Med molekulami, ki se vežejo na fosfatidilserin, so najbolj preučevane tiste, ki za vezavo nanj uporabijo Gla domeno. Laktahedrin, ki je na fagocit vezan preko integrinov αvβ3, z vezavo na fosfatidilserin apoptozno celico pritrdi k makrofagu. Gas6 in protein S, ki se prav tako vežeta na fosfatidilserin, pa preko TAM receptorjev sprožita tirozinkinazno aktivnost. Aktivira se Rac1 in polimerizacija aktina sproži fagocitozo apoptozne celice. Izpostavljenost fosfatidilserina na ekstracelularni strani celice je zadosten signal makrofagu, da fagocitira celico. To nakazuje na pomembno vlogo fosfatidilserina kot signalne molekule.

Tadej Uršič: TLR SIGNALIZACIJA IN NJENA VLOGA PRI REVMATIČNIH BOLEZNIH

Prirojeni imunski sistem predstavlja prvi obrambni mehanizem organizma. Celice prirojenega imunskega sistema izražajo receptorje, ki zaznavajo določene gradnike bakterij in virusov in pa molekule, ki nastanejo pri poškodbah samega organizma. Ti receptorji sprožijo signalne poti ki privedejo do odgovora organizma na vdor patogena. Ena od skupin teh receptorjev so TLR (Toll-Like Receptors). So integralni proteini za katere je značilna z levcini bogata ektodomena za prepoznavanje ligandov in pa TIR domena za navzdoljno signalizacijo. TLR-ji prepoznavajo komponente membran (lipide, lipopolisaharide, lipoproteini, …) in nukleinske kisline bakterij in virusov in kot odgovor sprožijo vnetno reakcijo. Če je le ta normalno regulirana le ta pripomore pri odpravi vdirajočih patogenov v organizem. Če pa pride do napak v regulaciji to lahko privede do kroničnega vnetja tkiva. Pri revmatičnih obolenjih, kot so na primer revmatoidni artritis, putiki, lymski artritis, lupus… , so odkrili večjo izraženost TLR-jev, kar je lahko glavni razlog za njihov nastanek. Znanstveniki sedaj testirajo razne inhibitorje TLR-jev ali pa njihovih adaptornih proteinov, kot potencialna zdravila za te bolezni.

Nika Vegelj : FORMACIJA BIOFILMA V POVEZAVI S C-DI-GMP MOLEKULO

Za bakterijo, kot tudi za vsa ostala živa bitja je nujno, da se prilagajajo na spreminjanje življenjskih pogojev, saj jim to omogoča preživetje. Molekula c-di-GMP je sekundarni sporočevalev pri baktrerijah, ki regulira različne celične procese. C-di-GMP so prvič odkrili kot alosterični aktivator celulozne sintetaze v bakteriji Gluconacetobacter xylinum. Pri patogenih organizmih molekula c-di-GMP kontrolira virulentni odgovor, ki je povezan s quorum sensingom, procesom s katerim bakterije med seboj komunicirajo. Koncentracija molekule c-di-GMP je v celici regulirana s pomočjo encimov fosfodiesteraz in gvanilat ciklaz. C-di-GMP je sintetizirana znotraj celice iz dveh molekul GTP s pomočjo encima digvanilat ciklaze, ki na aktivni strani nosi domeno GGDEF. Razpad molekule pa omogoča encim fosfodiesteraza, ki nosi domeno EAL, ta omogoča, da molekula razpade na linearni nukleotid pGpG. Glavni namen raziskovanja molekule c-di-GMP ter njene vloge pri tvorbi biofilma, je bil, da bi ugotovili nove metode, ki bi preprečile nastanek biofilma in tako pozdravile z njim povezane bolezni. Cistična fibroza je ena izmed najpogostejših bolezni v evropi, za njo pa je odgovorna bakterija pseudomonas aeruginosa, ki s tvorbo biofilma povzroča kronično obolenje, saj antibiotiki ne delujejo direktno na biofilm. C-di-GMP je sekundarni sporočevalec pri bakterijah, ne pa tudi pri evkariontih in arhejah. Prav zato je tako zanimiv za znanstvenike, saj lahko z razvojem zdravil, ki bi vplivale na molekulo, razvili potencialna zdravila za kronične bolezni.

Maja Kolar: BIOKEMIJSKA LOGIKA GLIKOLIZE

Čeprav glikoliza sprva zgleda zapletena in naključna, je v smislu zadovoljevanja vsem biokemijskim zahtevam ena najenostavnejših metabolnih poti. Pri načrtovanju poti se je treba zavedati kompromisov za zadovoljevanje različnim omejitvam, zato lahko skozi analizo vseh teoretično možnih poti ugotovimo katera je celici najugodnejša. Termodinamske omejitve vključujejo Gibbsovo prosto entalpijo reakcij, ki jo lahko izračunamo iz redoks potencialov in ugotovimo katere poti v metabolizmu so ender-/eksergonske. Pri encimskih mehanizmih moramo upoštevati aktivacijske skupine, ki pa lahko povečajo reaktivnost intermediatov, kar spada pod fizikalno-kemijske lastnosti intermediatov. Med njih štejemo tudi prepustnost skozi membrano, afiniteto do encimov in toksičnost. Slednjo celica izniči z izogibanjem reakcijskim potem ali sistemi endogene detoksifikacije kot je sistem glioksalaz za intermediat metilglioksal. Pri glikolizi se jim celica izogne z delitvijo elektronske prerazporeditve, kjer po podobnih poteh ne nastopajo toksične spojine. Preko energij vezi in elektronskih prerazporeditev lahko določimo kje na glikolizni poti bo nastajal ATP. Najobsežnejše zastopana je glikoliza Embden-Meyerhof-Parnas, vendar njene naravne alternative dokazujejo, da so skozi evolucijo različni organizmi kot so anaerobne/aerobne bakterije, termofili obravnavali določene zahteve kot bolj ali manj pomembne. Znanje različnih bioloških zahtev pa lahko prenesemo na metabolni inženiring, kjer iščemo učinkovite rešitve za proizvodnjo industrijsko iskanih metabolitov.

Jure Povšin: VPLIV DIMETIL FUMARATA NA GAPDH IN AEROBNO GLIKOLIZO PRI MODULACIJI IMUNOSTI

Aktivirane imunske celice se po Warburgovi hipotezi osredotočijo na izvajanje aerobne glikolize namesto na izvajanje oksidativne fosforilacije, s čimer predstavljajo potencialno terapevtsko tarčo pri avtoimunski boleznih. Dimetil fumarat (DMF), je derivat od intermediarnega fumarata iz Krebsovega cikla. DMF je ester fumarne kisline ter imunomodulacijsko zdravilo, ki se uporablja za zdravljenje multiple skleroze in luskavice. Čeprav njegov terapevtski mehanizem zaenkrat ostaja še negotov, je znano, da DMF kovalentno spreminja ostanke cisteina v procesu, imenovanem succination. Preiskovanje aktivnost DMF-ja dodatno zapleta njegova hidroliza in vivo do monometil fumarata (MMF), ki lahko tudi sam modulira imunski odziv in vnetje tkiv. Kornberg in sodelavci so ugotovili , da DMF pri procesu, imenovanem succination, inaktivira katalitični cistein glikolitičnega encima gliceraldehid 3-fosfat dehidrogenaze (GAPDH) pri miših in ljudeh, tako in vitro kot in vivo. S tem navzdol uravnava aerobno glikolizo v aktiviranih mieloidnih in limfoidnih celicah, kar povrzoča njene protivnetne učinke. Rezultati znanstvenikov zagotavljajo mehanski vpogled v imunsko modulacijo z DMF in predstavljajo dokaz koncepta, da je aerobna glikoliza lahko zelo pomembna terapevtska tarča v avtoimunosti in da nas lahko nadaljnje raziskovanje pripelje do dolgo iskanih zdravil proti hudim avtoimunim boleznim.

Manca Osolin: REGULACIJA METABOLIZMA GLUKOZE IN LAKTATA V MOŽGANIH

Aerobna glikoliza je proces razgradnje glukoze do laktata v prisotnosti kisika. Proces aerobne glikolize je med drugim značilen tudi za astrocite, posebne celice v možganih. Ker imajo nevroni večjo potrebo po energiji kot astrociti, vzdržujejo visok nivo oksidativnega metabolizma, medtem ko astrociti favorizirajo aerobno glikolizo in omejujejo oksidativno aktivnost. Številne raziskave so pokazale, da astrociti laktat, ki nastane v procesu aerobne glikolize, posredujejo nevronom. Ta koncept se imenuje ANLS hipoteza. Nevroni morajo vzdrževati ravnotežje med pentoza fosfatno potjo in glikolitično potjo, da dosežejo potrebe po energiji in da vzdržujejo antioksidativni potencial. Zato uporaba laktata kot oksidativnega substrata lahko zagotavlja ugoden način za nevrone, da proizvedejo visoke količine ATP med zaobidenjem glikolitične poti, saj tako varčujejo glukozo za pentoza fosfatno pot. Aerobna glikoliza, ki poteka v astrocitih in katere končni produkt je laktat, ima pomembno vlogo pri vzdrževanju nevronske aktivnosti. Laktat se prenese iz astrocitov v nevrone, da zadosti energijskim potrebam nevronov, prav tako pa laktat deluje tudi kot signalna molekula, ki regulira nevronske funkcije, kot so vzdražnost in plastičnost nevronov ter okrepitev spomina. V možganih se nahaja tudi posebna vrsta nevronov, ki na različne mehanizme zaznavajo spremembe koncentracije glukoze, kar jim omogoča prilagajanje na zunanje spremembe preko depolarizacije.

Greta Junger: INTERMEDIATI CIKLA CITRONSKE KISLINE: SIGNALNE MOLEKULE POD KRINKO

Cikel citronske kisline je centralna metabolna pot, pri kateri se energetsko bogata molekula acetil-CoA oksidira ter svoje elektrone odda prenašalcem. Oksidacija je postopna in poteka preko več intermediatov. Za njih je dolgo časa veljalo, da je to njihova edina vloga, vendar pa se je ta domneva izkazala za napačno. Večina intermediatov cikla citronske kisline ima namreč večstransko vlogo, saj sodelujejo tako pri signalizaciji kot tudi regulaciji različnih procesov. Za delovanje α ketoglutarat-odvisnih dioksigenaz (2-OGDO) je nujno potreben α ketoglutarat. Zaradi podobne kemijske zgradbe se na 2-OGDO lahko vežeta tudi sukcinat in fumarat, ki pa encima ne aktivirata, pač pa delujeta kot kompetitivna inhibitorja. Kot taka lahko v celici ustvarita pseudo-hipoksično stanje ali pa posredno vplivata na spremembo demetilacije DNA in histonov. Poleg omenjenega imajo nekateri intermediati ključno vlogo tudi pri post-translacijski modifikaciji proteinov, natančneje acetilaciji, sukcinaciji in sukcinilaciji Lys in Cys ostankov. Za sukcinat in α ketoglutarat obstajata specifična GPC-receptorja - SUCNR1 in OXGR1. Fiziološki pomen SUCNR1, ki se med drugim nahaja v ledvicah, srčnem tkivu in očeh, je bolje raziskan od OXGR1O. Nedolgo nazaj so pojasnili tudi vlogo sukcinata pri nastanku reaktivnih kisikovih zvrsti in obratnega toka elektronov.

Oskar Nemec: Uravnavanje delovanja levkocitov z intermediati cikla citronske kisline

Glede na to, da je cikel citronske kisline (TCA) osnovno vozlišče (energijskega) metabolizma celic, je smiselno sklepati, da je aktivacija celic naravne imunosti in njihova regulacija s tem procesom povezana. Imunski odziv je namreč energijsko potraten proces in v veliki meri odvisen od mitohondrijskega metabolizma. Izkazalo se je, da intermediati TCA, kot so sukcinat, itakonat, citrat in fumarat, posredujejo ali uravnavajo pomembne funkcije mieloidnih celic (levkocitov) med okužbo in vnetjem. Aktivacija levkocitov, ki se zgodi v sklopu vnetnega procesa z vnetnimi dejavniki vodi v preoblikovanje cikla in kopičenje teh intermediatov v celici. Sukcinat ima vnetni učinek, ker povzroči stabilizacijo HIF-1 (hypoxia inducible factor 1), povečanje količine mROS (reaktivne kisikove zvrsti mitohondrija), postranslacijske modifikacije proteinov z sukcinilacijo in signalizacijo preko z G-proteinom sklopljenimi receptorji (klasična kaskada). Citrat prav tako spodbuja vnetni odziv, saj se zaradi njega sintetizirajo reaktivne kisikove in dušikove zvrsti ter prostaglandin E2. Itakonat pa ima protivnetno vlogo, saj zavira SDH in omeji vnetne učinke sukcinata, sposoben je pa tudi, v nasprotju s sukcinatom, sam ubiti patogene. Vloga fumarata v vnetnem procesu ni dokončno pojasnjena, znano pa je da povzroča med drugimi zmanjšanje količine ROS in tako zmanjša vnetni odziv.

Teo Nograšek: GPR91: PREMIKANJE MEJA INTERMEDIATOV KREBSOVEGA CIKLA

Sukcinat je najbolj poznan kot intermediat Krebsovega cikla, vendar so novejše raziskave pokazale, da ima tudi pomembno funkcijo kot signalna molekula. Celice v hipoksiji sintetizirajo in izločajo sukcinat, ki se nato veže na receptor GPR91. GPR91 je najden v celicah jeter, krvnih celicah, maščobnih celicah, ledvičnih celicah in celicah mrežnice. V jetrih signal iz receptorja GPR91 vpliva na Itove celice, ki so zadolžene za izločanje kolagena pri poškodbi jeter. V mrežnici je GPR91 izražen v nevronskih celicah ganglijev in njegova aktivacija povzroči neovaskularizacijo. Aktivacija GPR91 v ledvicah povzroči povišanje krvnega tlaka preko renina. Povišan krvni tlak lahko povzroči hipertrofijo, na nastanek hipertrofije pa vpliva tudi sama vezava med sukcinatom in receptorjem GPR91 na srčnih mišičnih celicah, kar povzroči transkripcijo genov za nastanek hipertrofije. Poleg tega visoka koncentracija sukcinata povzroči apoptozo srčnih celic. Raziskave na področju zaviranja delovanja GPR91 bi lahko omilile zaplete, ki nastanejo pri transplantaciji, ker je bilo odkrito, da imajo pacienti po transplantaciji povišano količino sukcinata v krvi, kar vodi do zapletov.

Ana Babnik: REGULACIJA OKSIDACIJE MAŠČOBNIH KISLIN V SKELETNIH MIŠICAH PRI AEROBNI VADBI

Krčenje mišic pri aerobni vadbi zahteva dodatno energijo, ki jo lahko celice pridobijo iz znotrajceličnih in telesnih virov glukoze in maščobnih kislin. Na izbiro substrata, ki se bo v večji meri porabljal za končno sintezo ATP, vplivata intenzivnost in trajanje vadbe. Oksidacija maščobnih kislin je regulirana z mnogimi prepletenimi signalnimi potmi in regulacijskimi mehanizmi, kateri pa še niso v celoti poznani. Glavni regulator vnosa maščobnih kislin v celico je CD1/SR-B2 (receptor čistilec B2), ki s svojo translokacijo iz veziklov na membrano in interakcijo s FABP olajša vnos maščobnih kislin v celico. Naslednja pomembna točka je prenos substratov v celico v obliki acil-CoA, pri čimer sodeluje CPT1, ki za prenos potrebuje prosti karnitin, na njegovo delovanje pa vpliva mnogo regulatorjev. Sama regulacija delovanja CPT1 pa je povezana tudi s celično homeostazo acetil-CoA in kot že omenjenega prostega karnitina, saj se ta pri presežkih v količini acetil-CoA porablja za nastanek acetilkarnitina. Regulatorni mehanizmi β-oksidacije dokazujejo, da se pri daljši oziroma vadbi z nižjo intenziteto za sintezo acetil-CoA (in nadaljnjo sintezo ATP) porabljajo predvsem maščobne kisline, medtem ko se pri bolj intenzivni vadbi porablja glukoza.

Nastja Feguš: VEČDIMENZIONALNA VLOGA KETONSKIH TELES

Aceton, acetoacetat in D-β-hidroksibutirat so ketonska telesa. Bakterije, arheje in evkarionti jih uporabljamo kot alternativni vir energije. Pri sesalcih so ketonska telesa pomemben alternativni vir energije za možgane, srce in skeletne mišice. Ketosnka telesa na dan prispevajo med 5 % in 20 % energije. Tvorba ketonskih teles primarno poteka v jetrih, saj imajo le jetra in celice kolonskega epitela v črevesju izražen encim, ki katalizira prvo reakcijo nastanka ketonskih teles, vendar obstajajo tudi mehanizmi nehepatične sinteze ketonskih teles. Usoda ketonskih teles ni vedno oksidacija oziroma pretvorba v acetil-CoA, lahko se pretvorijo v različne intermediate, ki se lahko uporabijo v biosintezi sterolov in maščobnih kislin. Ketonska telesa so zelo dobri antioksidanti, njihova funkcija je zelo pomembna v možganih, kjer znižajo stopnjo celičnih poškodb nevronov. D-β-hidroksibutirat je epigenetski modifikator, saj direktno modificira lizinske ostanke histonov. D-β-hidroksibutirat je tudi pomembna signalna molekula. Je direkten inhibitor encimov razreda HDACs. Inhibicija teh encimov poveča acetilacijo encimov in inducira izražanje genov, ki zmanjšajo oksidativni stres. Prav tako se veže na dva različna z G proteinom povezana receptorja, preko te signalne poti zmanjša lipolizo, upočasni srčni utrip in zmanjša porabo energije.

Maša Andoljšek: DOBRE STARE MAŠČOBE: POVEZAVA MED SIGNALIZACIJO LIPIDOV IN ŽIVLJENJSKO DOBO

Lipidi kot signalne molekule ali transkripcijski faktorji sodelujejo v procesih, ki podaljšujejo življenje. Večina raziskav poteka na glisti Caenorhabditis elegans, saj ima kratko življenjsko dobo in se lahko genetsko manipulira. Obstajajo tri metode podaljševanja življenja, ki delujejo na več vrstah organizmov. Prva je inzulin signalirajoča pot, ki s pomočjo dafakronske kisline, holesterola in jedrnih receptorjev DAF-12 ter DAF-16, regulira življenjsko dobo in sproža avtofagijo. Drug način je dietna restrikcija, ki pa lahko poteka preko mutacije eat-2, preko razredčevanja hrane in preko občasnega postenja. Pri tem načinu sodeluje DAF-16, NHR-8 in NHR-64. Dietna restrikcija ima pozitivne vplive na zdravje. Zadnji način podaljšanja življenjske dobe je izrez signalov zarodne plasti, kar promovira lipolizo, metabolizem lipidov itd. Te raziskave kažejo, da je možna uporaba lipidov tudi za zdravljenje različnih bolezni, za kar pa se nekateri že uporabljajo. Pomembna je tudi akumulacija različnih molekul, na primer oleinske kisline pri staranju. Veda, ki se ukvarja s tem je lipodomika, ki preučuje metabolne poti lipidov in njihove strukture. Pri dalj živečih organizmih so strukturni lipidi v nasičenem stanju, lipidi v energijskih zalogah pa v nenasičenem stanju.

Vivian Nemanič: VPLIV STRESA IN GLUKOKORTIKOIDOV NA PRENOS GLUTAMATA

Stres lahko opišemo kot nespecifičen odziv telesa na nek stresor, ki je lahko dogodek ali izkušnja, ki onemogoči posamezniku, da se bi odzval. Akuten in kroničen stres in s stresom povezana sprostitev glukokortikoidov lahko sproži spremembe v prefrontalnemu korteksu in v hipokampusu, saj povzroča spremembe v glutamatnih nevrotransmitorjih. Stres tudi dokazano povzroča kompleksne strukturne spremembe v različnih možganskih regijah. Glede na glutamatergično sinapso, ima lahko stres vpliv na plastičnost in sicer v pozitivnem smislu, da izboljša delovanje možganov, ali pa v slabem smislu, ko lahko vodi do psiholoških motenj. Vemo tudi to, da so s stresom povezane spremembe v različnih aspektih povezane z nevrotransmisijo oz. prenosom glutamata in z vlogo glukokortikoidov. Akutni stres ima generalni učinek na povečanje glutamatergične nevrotransmisije v prefrontalnem korteksu in drugih regijah, ki so povezane s spominom in učenjem ter vpliv na genimočne in negenomične spremembe na različnih straneh tridelne sinapse. Presinaptično sproščanje glutamata je povečano, če sodelujejo mineralokortikoidni in glukokortikoidni receptorji, saj ga oni regulirajo. Na postsinaptični strani akutni stres poveča ekspresijo in gostoto ionotropnih glutamat receptorjev (NDMA), kar vodi v sinaptično potenciranje. V nedavnih raziskavah poskušajo razumeti kako bi lahko mehanizmi, ki kontrolirajo funkcije glutamatne sinapse, lahko pomagali pri razvoju zdravil za različne duševne motnje.

Lena Trnovec: KARBAMOILACIJA: MEHANIZMI IN POSLEDICE

Sečnina že več desetletij velja za relativno nestrupeno spojino. Že nekaj časa pa se nabirajo dokazi, ki podpirajo dejstvo, da post-translacijska modifikacija karbamoilacija, ki je neločljivo povezana s kopičenjem sečnine in odpovedjo ledvic, pripelje do mnogih bioloških in kliničnih posledic. Karbamoilacija proteinov je neencimska post-translacijska modifikacija, ki veže prosto aminsko skupino mnogih proteinov z izociansko kislino. Ta nastane pri disociaciji sečnine ali iz tiocianata, katerega razgradnjo usmerjajo mieloperoksidaze. Glede na vrsto spremenjene molekule (na primer kolagen, albumin, lipoprotein z nizko gostoto ali lipoprotein z visoko gostoto), ima karbamoilacija različne patofiziološke učinke. Karbamoilirani proteini naj bi bili povezani z aterosklerozo, presnovo maščob, motnjami imunskega sistema (kot je inhibicija klasične poti aktivacije komplementa, inhibicija od komplementa odvisne celične citotoksičnosti rituksimaba, zmanjšan oksidativni izbruh nevtrofilcev) in fibrozo jeter. Tako v in vitro kot in vivo raziskavah ima karbamoilacija škodljive posledice na vseh nivojih fiziologije, njena povezava z vnetjem in uremijo pa razsvetli faktorje tveganja pri bolnikih s kronično odpovedjo ledvic. Zmanjšanje stopnje karbamoilacije bi tako lahko bil zanimiv terapevtski pristop k zmanjšanju posledic bolezni ledvic. Obstaja mnogo možnosti za zmanjšanje stopnje karbamoilacije – prehranjevalni pristop (aminokislinska dopolnila), prilagoditev dialize in protivnetne terapije.

Ana Vičič: VLOGA MITOHONDRIJA V TOKSIČNEM OKSIDATIVNEM STRESU

Do oksidativnega stresa v mitohondrijih pride, ko koncentracija oksidativnih zvrsti preseže kapaciteto mitohondrijskih antioksidativnih sistemov. V dihalni verigi nastajajo zelo reaktivni ROS-i, ki hitro po nastanku reagirajo z bližnjimi biološkimi makromolekulami in jih pri tem poškodujejo. Ker so biološke makromolekule, kot so mtDNA, kardiolipin, akonitaza, in UCP2, ključne za pravilno delovanje celice, imajo njihove poškodbe velike posledice, ki se lahko akumulirajo in nato odražajo v celični nekrozi in na nivoju človeškega organizma v nevrogenerativnih boleznih in staranju. Oksidacija mtDNA lahko vodi do napak v genskem zapisu za proteine in nukleinske kisline, ključne za delovanje celičnega dihanja. Oksidacija kardiolipina lahko sproži signalizacijo za celično apoptozo. ROS-i deaktivirajo encim akonitazo in s tem ovirajo potek Krebsovega cikla. Poleg tega se pri oksidaciji akonitaze sprostita Fe2+ in H2O2, ki tvorita proste nove proste radikale. ROS-i po mehanizmu ki še ni jasen, povzročajo razklop dihalne verige in sinteze ATP, torej tudi na ta način ovirajo energijski metabolizem celice. Zato da bi zmanjšali oksidativni stres v mitohondrijih, bi lahko vanje dodajali encimske ali ne encimske, naravne ali sintetične antioksidante. Ti zmanjšujejo koncentracijo ROS-ov v mitohondrijih in s tem zaščitijo pomembne biološke makromolekule. S tem, ko bi z antioksidanti povečali odpornost mitohondrija na oksidativni stres, bi zaščitili celico in celoten organizem.

Maja Trifkovič: VPLIV MUTACIJ MITOHONDRIJSKE DNA NA DELOVANJE CELIC

Najpomembnejša naloga mitohondrijev je sintetiziranje ATP, ki ga celice potrebujejo za različne procese. Večina tega ATP se sintetizira pri procesu oksidativne fosforilacije, ki poteka s pomočjo proteinskih kompleksov na notranji membrani mitohondrija. Proteini, ki sestavljajo te komplekse, so kodirani tako z jedrno, kot tudi mitohondrijsko DNA (mtDNA). Ta je krožna in dvoverižna, poleg genov za že omenjenih 13 proteinov pa vsebuje še gene za 22 molekul tRNA in 2 molekuli rRNA. Najpogosteje mutacije mtDNA povzročijo nepravilnosti v zgradbi in delovanju enega izmed kompleksov elektronske prenašalne verige ali ATP sintaze, zaradi česar se sintetizira manj ATP, poveča koncentracija reaktivnih kisikovih zvrsti (ROS) in spremeni struktura mitohondrijev. Takšne spremembe najbolj vplivajo na celice, ki potrebujejo več energije (npr. mišične in živčne celice). Nekatere mutacije mtDNA se pojavijo pogosteje kot druge in povzročijo mitohondrijske bolezni, kot so na primer MELAS, MERRF, LHON, NARP in KSS, ki se večinoma izrazijo kot motnje v delovanju mišic (predvsem mišic oči in vek ali nenadzorovani gibi skeletnih mišic) ali živčnega sistema (največkrat optičnih živcev). Čeprav so bile številne mitohondrijske bolezni in mutacije, ki jih povzročajo, odkrite že pred nekaj časa in bile predmet številnih raziskav, nekaterih mehanizmov in posledic še ni mogoče natančno razložiti, prav tako za večino bolezni še ne poznamo zdravila.

Anja Konjc: SUPERKOMPLEKSI

Elektronska prenašalna veriga je sestavljena iz petih kompleksov. Ti kompleksi se med seboj lahko združujejo v organizirane enote višjega reda, ki jim pravimo superkompleksi. Sestavljanje le-teh poteka v točno določenem vrstnem redu. Najprej se morajo namreč izgraditi posamezni kompleksi, šele potem lahko pride do njihovega združevanja. Pri tem sodelujejo posebni proteini (ang. »assembly factors«), ki imajo pomembno vlogo tudi pri stabilizaciji superkompleksov. Obstajata dve poti združitve kompleksov v superkomplekse. Razlikujeta se v vrstnem redu dodajanja podenot in po proteinih, ki pomagajo pri združevanju kompleksov. Še vedno ni čisto jasno, kaj je glavni razlog za nastanek superkompleksov, vendar se predvideva, da ima združevanje kompleksov več pozitivnih posledic. Tvorba superkompleksov naj bi izboljšala transport elektronov preko usmerjanja substrata. Poleg tega naj bi superkompleksi pomagali pri zmanjšanju proizvodnje reaktivnih kisikovih zvrsti (ROS). Povezovanje v superkomplekse naj bi vplivalo tudi na komplekse same, saj bi se tako povečala stabilnost posameznih kompleksov. Med podenotami namreč obstajajo številne nekovalentne interakcije, kot je solni most. Proteini, ki pomagajo pri izgradnji kompleksov so povezani tudi s številnimi boleznimi. Če namreč pride do napak pri izgradnji posameznih kompleksov, to vpliva na potek oksidativne fosforilacije.

Tim Nograsek: TIOREDOKSINI IN NJIHOVA VLOGA PRI FOTOSINTEZI IN BIOSINTEZI ŠKROBA

Tioredoksini so proteini, ki vsebujejo na aktivnem mestu dve aminokislini in sicer dva cisteina. Njihova vloga je regulacija in aktivacija različnih encimov v celici. To jim omogoča zmožnost prehajanja cisteinov iz enega redoks stanja v drugega. Ko so reducirani imajo dve tiolni skupini (-SH), v reduciranem stanju pa oddajo dva elektrona in protona in pri tem vzpostavijo sulfidno vez med atomoma žvepla. Encime, ki sodelujejo pri Calvinovem ciklu, biosintezi škroba (AGPaza), sintezi malata in še drugi ob vezavi tioredoksinov prevzamejo njihove elektrone in pri tem pride do komformacijske spremembe, ki se odraža kot aktivnost encima in večja afiniteta za vezavo substratov. Obnavljajo se lahko preko feredoskina, kjer prejmejo elektrone iz elektronske trasnportne verige, lahko pa tudi s pomočjo molekule NADPH, ki odda svoje elektrone tioredoskinom in se ob tem sama oksidira. Trenutno so znanstveniki odkrili ževeliko različnih izoformov tioredoksinov, ki se med seboj razlikujejo po tipu naloge, ki jo opravljajo. Tako lahko najdemo v kloroplastu najpomembnejša izoforma - tioredoksin f in tioredoksin m. Tioredoksini so povečini odvisni od svetlobe, ki je vir elektronov zanje, obstaja pa tudiposeben tip NADP-Trx reduktaza NTRC, ki vsebuje tako NADP-Trx reduktazo kot Trx funkcionalno skupino na enojnem polipeptidu in je zmožna kontrole biosinteze škroba tudi v temi oziroma ob slabših svetlobnih pogojih.

Maja Mahorič: POTI FIKSACIJE OGLJIKA PRI AVTOTROFIH

Organizme glede na vir ogljika delimo na heterotrofe in avtotrofe. Hererotrofi ogljik pridobivajo iz organskih spojin, medtem ko imajo avtotrofi zmožnost fiksacije anorganskega ogljika, ki se nahaja v obliki ogljikovega dioksida v zraku in hidrogenkarbonatnih ionov v vodi. Ti organizmi skupaj omogočajo kroženje ogljika in s tem življenje na Zemlji. Najbolj razširjena pot je Calvinov cikel, razširjen med rastlinami, algami in cianobakterijami, ki je dolgo veljal za edino pot fiksacije ogljika. Med bakterijami in arhejami pa danes poznamo še pet drugih poti fiksacije. Razširjene so med kemolitoavtotrofih, ki živijo v ekstremnih okoljih in so temu primerno prilagojeni. Preučevanje teh poti, njihovih encimov in intermediatov nam daje vpogled v razvoj prvih organizmov na Zemlji ter v razvoj in delitev bakterij in arhej. Te poti so rTCA (cikel citronske kisline, kjer potekajo reakcije redukcije), Wood-Ljungdahlova pot, 3-hidroksipropionatni bicikel, 3-hidroksipropionatni/4-hidroksibutiratni cikel in dikarboksilatni/4-hidroksibutiratni cikel. Končna produkta teh poti sta acetil-CoA in piruvat, ki sta prekurzorja za biosintezo ogljikovih hidratov. Poti fiksacije ogljika, ki potekajo v aerobnih pogojih in tolerirajo kisik praviloma porabijo več energije za njuno sintezo v primerjavi z energijsko učinkovitejšimi potmi, ki pa so občutljive na kisik in morajo zato potekati v anaerobnih okoljih.

Nina Varda: BIOSINTEZA LEVKOTRIENA B4

Levkotrien B4 (LTB4) je lipidni vnetni mediator, ki spada med eikozanoide. Sintetizirajo ga levkociti, mast celice in makrofagi. Spodbuja migracijo levkocitov v vnetno tkivo, podaljšuje vnetni odziv in poveča fagocitozo. Iz arahidonske kisline nastane v treh korakih. Prva dva koraka (nastanek 5-hidroperoksieikozatetraenojske kisline, nastanek levkotriena A4 (LTA4)) katalizira encim 5-lipoksigenaza (5-LOX). Ta za svoje delovanje potrebuje 5-lipoksigenaza aktivirajoči protein (FLAP). Zadnji korak pa katalizira LTA4 hidrolaza (LTA4H). Za to reakcijo sta predlagana dva možna mehanizma, ni pa še znano po katerem poteče. Poleg sinteze LTB4 ima LTA4H tudi peptidazno aktivnost. Tako kot ostali eikozanoidi, se tudi LTB4 lahko sintetizira transcelularno . Torej en del biosinteze poteče v prvi celici, po prenosu intermediata pa v drugi celici poteče še preostali del biosinteze. Če se LTB4 sintetizira v presežku lahko povzroči patogenezo in vzdržuje kronične vnetne bolezni (artritis, kronična obstruktivna pljučna bolezen, srčnožilne bolezni, rak, metabolna bolezen). Zato poteka razvoj inhibitorjev, ki pa so zaenkrat večinoma še neselektivni in slabo učinkoviti. Preko odsotnosti genov za proteine biosinteze LTB4 se opazuje fiziološki pomen LTB4. Na tak način so potrdili, da je LTB4 ključen pri nastanku alergičnega vnetja kože, zbiranju nevtrofilcev in povzročitvi povečanega pritiska v dihalnih poteh.

Timotej Zgonik: NADZOR HOMEOSTAZE LIPIDNEGA DVOSLOJA

Mehanizme regulacije sestave bioloških membran v splošnem poznamo relativno slabo, kljub njihovi ključni funkciji za žive organizme. V bakterijah so ugotovili, da transmembranski kompleks DesK zaznava spremembe v debelini plazmaleme v odvisnosti od temperature, na kar se v primeru prekomerne rigidnosti zaradi mraza odziva s promocijo transkripcije gena za encim, ki katalizira pretvorbo maščobnih kislin iz nasičenih v nenasičene, da se membrana vrne v bolj fluidno stanje. Osnova za ta odziv je najverjetneje posledica skrčenja membranskega dvosloja, kar povzroči destabilizacijo transmembranskih verig proteina, to pa ga aktivira. V evkariontih različni proteini zaznavajo različne lastnosti membran, med drugim se s faktorjem MGA2 regulira količina nenasičenih maščobnih kislin v membrani endoplazemskega retikuluma po skoraj enakem mehanizmu kot pri prej omenjenem DesK, le da tu ne gre za zaznavanje spremembe debeline dvosloja, ali pa PAQR-2, katerega analogi so znani tudi pri sesalcih, zanj pa je bilo ugotovljeno, da v kompleksu lahko regulira prehajanje hidroliznih substratov in produktov skozi membrano kot odziv na povečanje rigidnosti. Slednji bi lahko bil zanimiv, saj je bilo ugotovljeno, da tako nastali lipidi lahko potujejo iz celice in stabilizirajo tudi sosednje membrane.

Tina Arnšek: REGULACIJA SINTEZE LIPIDOV NA MEMBRANI ENDOPLAZEMSKEGA RETIKULUMA S FOSFATIDATOM

V kvasovkah in drugih višjih evkariontih so fosfolipidi in triacilgliceroli sintetizirani iz fosfatidata (PA). Fosfatidne kisline oz. fosfatidat so fosfolipidi, kjer ob hidrolizi nastane ena molekula glicerola, dve molekuli maščobnih kislin in anorganski fosfat. Poleg tega, da je prekurzor pri sintezi lipidov, pa je fosfatidat tudi regulatorna molekula v transkripcijski kontroli genov za sintezo fosfolipidov. Pri regulaciji koncentracije fosfatidata na membrani ER sta ključna encima Pah1 fosfatidat fosfataza (PAP) in Dkg1 diacilglicerol (DAG) kinaza, ki imata ravno obratno vlogo - Pah1 PAP defosforilira PA, da nastane diacilglicerol (DAG), Dkg1 DAG kinaza pa fosforilira DAG, da nastane PA. Neaktivnost Pah1 fosfatidat fosfataze (pah1Δ mutacija) vpliva na sintezo triacilglicerolov ter ravnovesje koncentracije fosfatidata, kar spremeni sintezo lipidov in z njimi povezanih celičnih defektov, kot so povečanje ER membrane zaradi povečane sinteze fosfolipidov, lipotoksičnost in zmanjšano število lipidnih kapljic. Lokalizacija in aktivnost encimov Pah1 fosfatidat fosfataza in Dkg1 DAG kinaza pa je regulirana s fosforilacijo oz. defosforilacijo.

Sašo Jakob: Vpliv metabolizma aminokislin na imunski sistem

Metabolizem aminokislin je zapleten in zelo reguliran proces. Kot gradniki proteinov, so aminokisline zelo pomembne v vseh procesih, ki potekajo v organizmih. Pomembno vlogo imajo tudi pri regulaciji imunskega odziva. Njihova prisotnost ali aktivnost njihovega katabolnega encima lahko vpliva na izražanje drugih proteinov in na proliferacijo celic imunskega sistema, kot so T-celice. Najbolj sem opisal vpliv metabolizma L- triptofana in L- arginina na imunski sistem. Prvi korak pri katabolizmu L- triptofana katalizirata IDO ali TDO. S svojim delovanjem lahko na različne načine spreminjata delovanje imunskega sistema (na številčnost T-celic, na imunotoleranco).Pri katabolizmu L-arginina sta najpomembnajša encima arginaza in sintaza dušikovega oksida. Tudi njuno delovanje lahko negativno vpliva na delovanje T-celic in še na druge sisteme imunskega sistema. Tudi metabolizem drugih aminokislin vpliva na imunski sistem. Inhibitorji katabolnih encimov aminokislin (npr. IDO, NOS, ARG) imajo potencial za terapijo pri pacientih z rakom, še vedno pa je povezava med imunostjo in metabolizmom aminokislin precej neraziskana tema.

Tina Logonder: SERIN V RASTLINAH

L-serin je aminokislina, ki ni pomebna le kot gradnik proteinov, temveč je vpletena tudi v mnoge metabolne poti v celici in predstavlja prekurzor številnih bioloških molekul. Razumevanje homeostaze serina pri rastlinah je oteženo zaradi prisotnosti treh različnih sinteznih poti. Do nedavnega je za najpomembnejšo veljala fotorespiratorna glikolatna pot, ostali dve nefotorespiratorni poti (PPBS in gliceratna) pa sta bili zanemarjeni. Funkcionalni pomen gliceratne poti je še vedno nepoznan. Napredki pa so pokazali na izreden pomen PPSB poti. Rastline z okvarjeno PPSB potjo kažejo motnje v razvoju zarodka, moških gametofitov in korenin. Rastline ob zadostni koncentraciji kisika in prisotnosti svetlobe v fotosintetskih celicah, ki imajo fukcionalne kloroplaste, sintetizirajo L-serin in ga preko floema transportirajo do nefotosintetskih organov, kot so korenine, žile, prašniki in pestiči. Glikolatna pot je pomembna, saj za sintezo serina porabi glicerin, ki je rezultat razgradnje strupenega fosfoglicerata. Ta nastaja, ko encim RuBisCO kot substrat porablja kisik. PPSB pot pa je pomembna za sintezo serina v celicah, ki ne vršijo fotorespiracije, imajo odsotne ustrezne transporterje za prenos serina preko plazmaleme ali so preveč oddaljene od žilnega sistema. Encimi PPSB poti pa se aktivirajo tudi v fotosintetskih tkivih, in sicer ponoči ter ob visoki, koncentraciji ogljikovega dioksida, ki onemogoči potek fotorespiracije.

Marjeta Milostnik: Biologija hema v eritroidnih celicah sesalcev ter povezane bolezni

Hem je prostetična skupina, sestavljena iz protoporfirina IX z vključenim železovim (Fe2+) ionom. Je komponenta hemoproteinov, proteinov, ki imajo kot prostetično skupino vgrajen hem. Med nje sodijo hemoglobin, mioglobin, citokromi in encim katalaza. Biosinteza hema v celicah sesalcev je proces, ki vključuje 8 encimov. V eritroidnih in ostalih (neeritroidnih) celicah v organizmu je proces sinteze hema drugačen. V seminarju sem se osredotočila na biosintezo hema v eritroidnih celicah. Prva stopnja sinteze je nastanek δ-aminolevulinske kisline (ALA) iz glicina in sukcinat-CoA s kondenzacijo. Ta reakcija poteče v matriksu mitohondrija, katalizira pa jo encim ALAS (ALA sintaza) Vmesni intermediati se sintetizirajo v citosolu celice. Biosinteza hema se zaključi v matriksu mitohondrija z encimom ferokelatazo (FECH), ki v molekulo protoporfirina vgradi železov ion. Hem ima poleg vloge prenašanja in shranjevanja kisika v telesu tudi regulatorno vlogo v bioloških procesih med eritropoezo (proces zorenja eritrocitov). Motnje v biosintezi hema v procesu razvoja eritroblastov vodijo lahko do bolezni npr. sideroblastne anemije, prav tako pa lahko genetske napake v biosintezi hema vodijo do akumulacije intermediatov biosinteze, ki povzročijo bolezni znane pod skupnim imenom porfirije. V seminarju sem kot primer bolezni, ki se pojavijo pri nepravilni biosintezi hema opisala sideroblastno anemijo in eritropoetsko porfirijo, natančneje njene podzvrsti eritropoetsko protoporfirijo in kongenitalno eritropoetsko porfirijo ter predlagane načine zdravljenja teh bolezni.

Žan Fortuna: Grelin: Struktura in funkcija

Somatotropin je rastni hormon, ki se izloča iz prednjega režnja hipofize. Ima zelo pomembno vlogo, saj vpliva na rast razvoj in obnovo vseh telesnih tkiv prav tako pa tudi vpliva na metabolizem beljakovin, maščob in ogljikovih hidratov. Grelin je peptidni hormon, ki je bil odkrit kot ligand, ki se veže na receptor GHS (growth hormone secretagogue). Ob izražanju gena za grelin nastane najprej preprogrelin, ki se nato s cepitvijo vezi pretvori v neaktivno obliko grelina in C-grelin iz katerega nastane obestatin. Nastanek aktivne oblike grelina katalizira encim grelin-O-acil transferaza, ki pripaja na serin na položaju 3 iz N-terminalnega konca oktanoilno skupino. Največ ga nastaja v želodnih celicah nekaj pa tudi v hipotalamusu, trebušni slinavki in drugih. Njegove koncentracije so najvišje tik pred obrokom in se nato močno zmanjšajo. Najbolj poznana sta dva receptorja na katera se veže grelin; GHS-R1A in GHS-R1B. Prvi ima večjo vlogo saj deluje kot mesto vezave za grelin pri stimuliranju izločanja rastnega hormona. Prav tako pa je njegova pomembna naloga povečevanje apetita, do katere lahko pride po več signalizacijskih poteh.

Maša Gabrič: Funkcija serotonina v perifernih tkivih in celicah imunskega sistema

Serotonin je živčni prenašalec in hormon. Njegova sinteza je odvisna od encima triptofan hidrolaza. Vpliv serotonina v centralnem živčnem sistemu je center znanstvenih raziskovanj že desetletja, čeprav ta predstavlja le 5% vsega serotonina v telesu. Ostalih 95% je bilo do nedavnega ignoriranih. Večino serotonina sintetizirajo enterokromafinske celice, ki se nahajajo v črevesni sluznici. Serotonin ima v periferiji mnoge funkcije. Med drugim deluje na beta celice trebušne slinavke, maščobno tkivo, jetra... Signalizacija serotonina v periferiji je izjemno kompleksna, saj zanj obstaja vsaj 14 različnih vrst serotoninskih receptorjev, sintetizira se na mnogih različnih mestih ter deluje kot, avto-, para- in endokrinski faktor. Veliko celic imunskega sistema izraža sistem za proizvajanje in shranjevanje serotonina, ter se nanj odzivajo in/ali ga transportirajo. Med te celice spadajo tudi limfociti T, mastociti, dendritične celice in krvne ploščice. Veliko človeških kliničnih študij kaže na to, da serotonin in njegovo signaliziranje vplivata na periferni imunski sistem. Študije so pokazale, da imajo selektivni zaviralci ponovnega privzema serotonina, ki so skupina antidepresivov, vpliv na veliko funkcij celic imunskega sistema. Vplivajo na poliferacijo (rast in razmnoževanje), proizvajanje citokinov in moduliranje apoptoze. Obstajajo povezave med depresijo in prizadetim imunskim odgovorom ter povezave med vnetjem in depresijo, zato se pojavlja vprašanje ali sta imunost centralnega živčnega sistema in periferni imunski sistem med seboj res ločena ter ali lahko med seboj interagirata.