BIO2 Povzetki seminarjev 2021
POVZETKI SEMINARJEV BIOKEMIJA 2021/22
Klara Ažbe - Vpliv metabolitov Krebsovega cikla na fiziologijo in bolezni
Mitohondrij je celični organel, ki pomembno prispeva k delovanju celice. Njegova glavna naloga je proizvodnja energije, poleg tega pa ne smemo zanemariti vloge stranskih produktov, ki ob proizvodnji energije nastanejo. Pri pridobivanje energije ima pomembno vlogo Krebsov cikel, v katerem nastane kar nekaj metabolitov. Njihova pomembnost je bila prvotno prepoznana pri sintezi makromolekul (nukleotidov, proteinov, lipidov), kasneje pa se je izkazalo, da so tudi zelo pomembne signalne molekule, ki nadzorujejo modifikacije kromatina, hipoksični odziv, metilacije DNA in imunski odziv. Količina posameznega intermediata je v celici natančno regulirana, vendar pa se lahko zgodi, da pride do določene mutacije, na primer mutacije encima za razgradnjo metabolita, posledično pa se ta metabolit začne kopičiti v celici. To lahko privede do sprememb v fiziologiji celice in do različnih bolezni, kakšne bodo te spremembe in bolezni pa je odvisno od vrste metabolita. Med bolj vplivne metabolite spadajo acetil-CoA, α-ketoglutarat, sukcinat in fumarat, pomemben je tudi 2-hidroksiglutarat, ki sicer ni intermediat cikla TCA, vendar pa je povezan s ciklom tako, da se sintetizira iz α-ketoglutarata. Ugotovitve, kako povečane količine metabolitov vplivajo na celico in posledično na organizem ter bolezni, so pomembne predvsem za zdravljenje bolezni, zato se za prihodnost pričakuje, da bo še večja količina znanja na tem področju prenesena v klinično uporabo.
Pia Mencin - Akonitaza in njena vloga v celici
Načeloma pripisujemo določenemu proteinu eno funkcijo, poznamo pa tudi proteine, ki imajo dve popolnoma različni nalogi v celici. To so tako imenovani »moonlighting proteins« oziroma večnamenski proteini. Tak večnamenski protein je tudi citosolna akonitaza (cAcn). Ko je nanj vezana prostetična skupina: Fe-S kletka, deluje kot katalizator pretvorbe citrata v izocitrat. Ob razdružitvi Fe-S kletke deluje kot IRP1 (odzivni protein za železo). Ta ima zmožnost vezave na mRNA proteinov, ki sodelujejo pri metabolizmu železa, ter tako zagotavlja homeostazo železa v celici. Ob razdružitvi kletke cAcn in nastanku apoencima znanega kot IRP1 pride do konformacijskih sprememb v proteinu pri katerih nastane mesto za vezavo na IRE (odzivni element za železo), to je reža, ki na novo nastane med domenama 3 in 4 cAcn. Poleg citosolne poznamo tudi mitohondrijsko akonitazo (mAcn), ki je njena izooblika. Sodeluje v TCA ciklu, in sicer katalizira pretvorbo citrata v izocitrat, ter ščiti mtDNA pred oksidativnimi poškodbami. Proteina sta tarča ROS, ti ju poškodujejo (oksidirajo) in inaktivirajo. mAcn ob inaktivaciji z ROS posredno inhibira nastanek ROS v mitohondriju in tako deluje kot regulator oksidativnega stresa. Za preprečevanje kopičenja oksidirane mAcn v mitohondriju poskrbi Lon proteaza. Izocima mAcn ter cAcn sta še en izmed mnogih dokazov kako natančno nadzorovano in prepleteno je delovanje procesov v celici.
Marko Kovačić - Vloga citokinov poddružine IL-1 pri regulaciji glikolize in njihov vpliv na bolezni, povezane z glikolizo
Citokini so proteini z majhno molekulsko maso (približno 5-25 kDa), ki so pomembni v celičnem signaliziranju. Delujejo tako, da se vežejo na specifične membranske receptorje in s tem regulirajo transkripcijo genov ali njihovih transkripcijskih faktorjev. Tako sprožijo imunski odziv na vnetje, infekcijo ali na druga stanja. S svojimi signalnimi mehanizmi kontrolirajo rast in aktivnost drugih celic imunskega sistema ter krvnih celic. Interlevkini so skupina citokinov, ki imajo različne funkcije, predvsem so pomembni pri komunikaciji med celicami imunskega sistema, pri vnetnih in imunomodulatornih procesih. Citokini IL-1a, IL-1β, IL-1Ra in IL-33 so zelo pomembni člani družine interlevkinov interlevkin-1 (IL-1). Številne raziskave so pokazale, da je ta poddružina interlevkinov pomembna pri regulaciji glikolize, tj. poti, ki je pomembna za pridobivanje energije v obliki ATP. Glikolizo lahko regulirajo na nivoju vnosa glukoze v celice ali pa na nivoju reguliranja glikolitičnih encimov, ker se njihove signalne poti prepletajo s signalnimi potmi, ki so ključne pri regulaciji glikolize. Disregulacija glikolize lahko vodi do številnih bolezni (rak, diabetes tipa 2, reumatoidni artritis, osteoartritis, astma), poddružina IL-1 pa z regulacijo glikolize lahko vpliva na potek le-teh. Vpliv na delovanje citokinov IL-1a, IL-1β, IL-1Ra in IL-33 tako daje številne možnosti pri zdravljenju z glikolizo povezanih bolezni in prav to je predmet številnih raziskav.
Janja Bohte - Vloga in regulacija aerobne glikolize pri hepatocelularnem karcinomu
Rak jeter je šesta najpogostejša oblika raka na svetu. Kar 90% primarnih rakov jeter predstavlja hepatocelularni karcinom (HCC). Za zdravljenje te bolezni se med drugim uporabljalo zdravila za zaviranje specifičnih signalnih poti, ki so odgovorne za rast tumorja. Tako zdravilo je sorafenib, zaviralec tirozin kinaze, na katerega organizem zaradi povečane aerobne glikolize v nekem časovnem obdobju razvije odpornost. Aerobna glikoliza oziroma Warburgov učinek je pojav, ko tumorske celice pretvarjajo glukozo v laktat kljub zadostni količini kisika. Prehod z metabolične poti oksidativne fosforilacije na pot glikolize pri HCC spodbuja celično proliferacijo ter ponuja ugodno mikrookolje za napredovanje tumorja. Odgovorna je za regulacijo invazije, metastaze, angiogeneze in odpornosti na zdravila pri HCC. Mehanizem Warburgovega učinka je kompleksen, pomembno vlogo pa imajo trije encimi, ki sodelujejo v sami presnovi glukoze: heksokinaza 2 (HK2), fosfofruktokinaza 1 (PFK1) in piruvat kinaza tipa M2 (PKM2). Ti so regulirani na več načinov in s številnimi transkripcijskimi faktorji ter metaboličnimi potmi, kot so AMPK, PI3K/Akt metabolična pot, HIF-1α, c-Myc ter nekodirajoče RNA. Zaradi pomembne vloge glikolize pri napredovanju tumorja, je usmerjanje na glavne dejavnike na tej poti, kot je inhibicija HK2, PFK ali PKM2, ključnega pomena za razvoj novih terapevtskih pristopov za zdravljenje HCC.
Urša Štefan - Signalizacija STING - obseg delovanja in povezava z rakavimi obolenji
Pojav dvovijačne DNA v citosolu je v celici največkrat pokazatelj celične abnormalnosti – virusne okužbe, poškodbe dednega materiala, oksidativnega stresa ali rakave transformacije. Celice so zato razvile načine zaznavanja prisotnosti DNA v citosolu. Eden izmed takšnih je signalna pot STING. Protein ciklična GMP-AMP sintetaza po vezavi z DNA sintetizira cGAMP, ki aktivira protein STING, vezan v membrani endoplazmatskega retikuluma. Ta se transportira do Golgijevega aparata, kjer mu vezava kinaze TBK1 omogoča aktivacijo transkripcijskih faktorjev IRF3 in NF-κB za citokine. Poleg odziva na citosolno DNA protein STING sodeluje tudi v regulaciji celičnega metabolizma, celičnega cikla, pri indukciji avtofagije, regulaciji ravni kalcija in kot senzor poškodb DNA. Zaradi svojega velikega obsega delovanja je signalna pot STING tarča razvoja številnih zdravil, ki pa je do zdaj bil le delno uspešen. Članek opiše signalno pot STING, njene funkcije v celici in na kratko povzame vlogo signalne poti pri zdravljenju rakavih obolenj.
Hana Glavnik - S-glutationilacija proteinov kot globalni inhibitor celičnega metabolizma za zmanjšanje občutljivosti signalov vodikovega peroksida
S-glutationilacija proteinov ima v celici pomembno vlogo. Ob zvišanju koncentracije reaktivnih kisikovih spojin (ROS), se v celici vzpostavi stanje oksidativnega stresa. Ker so za celico te spojine toksične, je razvila mehanizme, ki ji pomagajo uravnavati njihovo koncentracijo in zaščitijo ostale spojine v celici pred ireverzibilno oksidacijo. Najbolj pomembna spojina med ROS je vodikov peroksid, ki ima poleg toksičnih vplivov tudi lastnosti sekundarnega sporočevalca. Ob nastopu oksidativnega stresa v celici in povišane koncentracije vodikovega peroksida, zaznata signale encima GRX1 in GRX2, ki glutationilirata proteine z vezavo glutationa (GSH) na tiolne skupine cisteinov (-SH) in jih tako zaščitita pred poškodbami. Hkrati se s potekom S-glutationilacije aktivirajo tiste metabolične poti, pri katerih nastajajo antioksidanti, največkrat NADPH, ki pomagajo razgraditi vodikov peroksid in ostale ROS spojine. Tiste poti, pri katerih nastajajo ROS spojine so inhibirane s strani S-glutationilacije, dokler ne pride do signala, ki ga sprejmeta GRX1/2. To sproži njune deglutationilacijske aktivnosti in z deglutationilacijo encimov se stanje v celici se normalizira in metabolične poti lahko potekajo nemoteno.
Tinkara Butara - Transmembranska signalizacija v bakterijskih kemoreceptorjih
Kemotaksija je oblika gibanja, kjer se organizem giba k ugodnemu kemijskemu gradientu ali stran od toksičnega oziroma neugodnega. Oblika gibanja je značilna za premikajoče se bakterije in arheje. Kemotaksija igra pomembno vlogo pri iskanju hrane, oblikovanju biofilma in tudi pri patogenezi. Takšno gibanje, s prepoznavanjem različnih kemijskih zvrsti, nadzorujejo kemoreceptorji. To so transmembranski proteini, ki vežejo snovi iz okolice in tako sprožijo nadaljnjo signalizacijo znotraj celice, ta pa vodi do spremembe v rotaciji bička. Vezava ugodne signalne molekule vodi do konformacijskih sprememb v kemoreceptorju, ki preprečijo avtofosforilacijo kinaze CheA, ki omogoča fosforilacijo proteina CheY. Fosforiliran CheY se namreč veže na motor bička in tako spremeni njegovo rotacijo iz nasprotne smeri urinega kazalca v smer urinega kazalca. Ko biček rotira v smeri urinega kazalca, to spodbudi naključno gibanje v prostoru, ki na novo orientira bakterijsko celico. Če biček rotira v nasprotni smeri urinega kazalca, pa se celica giba naravnost proti ugodnemu kemijskemu gradientu. Prilagoditev na signal nadzorujejo regulatorni proteini (CheR, CheB, za zaključek signala pa je pomemben protein CheZ, ki hidrolizira CheY-P. Kemoreceptorji se nahajajo na polih bakterijske celice in se združujejo v skupke, kar predstavlja dodatno možnost prilagoditve na kemijski signal.
David Valte - Jedrni hormonski receptorji in izražanje genov
Jedrni hormonski receptorji (NHR) so poleg g-proteinov, receptorjev z encimsko aktivnostjo in ionskih kanalčkov le še eden od načinov biosignalizacije, ki pa se po načinu delovanja od drugih precej razlikuje. Jedrni hormonski receptorji neposredno vplivajo na transkripcijo in tako posledično tudi na izražanje genov. Z vezavo ligandov, kot so na primer vitamin d, retinoidni hormoni, tiroidni hormoni in steroidi, na receptor, pride na hormonskih receptorjih do konformacijskih sprememb. Spremembe v konformaciji receptorja pa omogočajo interakcije receptorja s specifičnimi sekvencami DNA. Te sekvence imenujemo hormonski odzivni elementi HRE/HREs, HRE se ponavadi nahajajo znotraj promotorja tarčnega gena, na teh mestih NHR delujejo kot aktivatorji transkripcije DNA. Transkripcija DNA povzroči nastanek mRNA z zapisom za nastanek proteinov, katere celica potrebuje, preko teh pa se lahko odzove na zunanje motnje. Prepoznavo zaporedij HRE in vezavo na DNA omogoča specifična sestava jedrnih receptorjev. Te so sestavljeni iz večih domen, vsaka od teh ima specifično funkcijo brez katere delovanje NR ni mogoče. Posebne domene omogočajo prepoznavo HRE, vezavo na DNA in dimerizacijo z drugimi NR. Na hormonske odzivne elemente se lahko NHR vežejo v obliki monomerov, lahko pa se NHR-ji vežejo drug z drugim, tako nastajajo dimeri. Dimeri omogočajo drugačne afinitete za vezavo z DNA.
Alliana Kolar - Pomen upravljanja z agonisti, antagonisti in signalnimi modulatorji receptorjev abscizinske kisline (ABA) v agronomiji
Abscizinska kislina (ABA) je naravno prisoten rastlinski hormon, katerega koncentracija se poviša, ko je rastlina pod vplivom stresa in se na stres tudi odzove. Igra vlogo pri zapiranju listnih rež, ko rastlini primanjkuje vode, inhibira kalitev, spodbuja dormanco, vpliva na cvetenje, staranje listov, zorenju plodov ipd. Ker je sintetična ABA nestabilna in ob zunanjem nanosu ne pokaže vpliva na rastlino, je potrebno z modeliranjem antagonistov oziroma agonistov sintetizirati analoge, ki bi bodisi promovirali/oponašali ali zavirali njeno delovanje. Z njimi bi agronomi lahko manipulirali na delovanje rastline in imeli nadzor nad njim, kar bi posledično prineslo večji donos zaradi večje količine in kakovosti proizvodov. Za to pa je potrebno dobro poznati molekulo in njeno biokemijsko delovanje ob signalizaciji in tudi druge spojine, s katerimi regulira procese v rastlini. Ker pa je to področje še dokaj neraziskano in nepojasnjeno, je zelo težko najti prave analoge in dodatno sintetizirati še boljše. Vendar pa po odkritju sintetične molekule pirabaktin, ki je delovala kot primeren agonist, so odkrili še 14 receptorjev ABA, imenovanih PYR (Pyrabactin Resistance)/PYR-like/(RCARs)Regulatory Components of ABA Receptors in s tem še boljše razumeli delovanje ABA in njene signalizacije.
Vse daljša sušna obdobja, visoke temperature in nizka vlažnost, od pritrjenih organizmov zahtevajo prilagoditve, s katerimi lahko izboljšajo uporabo energije in kemijskih virov v raznovrstnih razmerah. Kot mehanizem, ki omogoča nadzor nad ravnotežjem med izgubo vode in izmenjavo plinov, so rastline v krovnih tkivih razvile aktivno regulirane odprtine – reže. Reže so ključne za fiksacijo atmosferskega ogljika pri fotosintezi, hkrati pa rastline zaradi rež izgubijo 95 % vode v ozračje. Regulacija premikanja listnih rež je ključna za uspešno rast in razvoj rastline. Premikanje rež je tesno povezano z zaporedjem kompleksnih procesov zaznavanja, prenosa in uravnavanja signalov v celicah zapiralkah. Vodikov sulfid (H2S) uravnava premikanje celic zapiralk in sodeluje pri uravnavanju in prenosu signalov v organizmih ter tako sodeluje pri prilagajanju rastline na spremembe v okolju in odzivih na abiotski oziroma biotski stres. Novejše študije pri navadnem repnjakovcu (Arabidopsis thaliana) so pokazale, da zunanji H2S spodbuja zapiranje listnih rež, pri čemer sodeluje s fitohormoni in signalnimi molekulami. Glavna signalna pot, pri kateri sodeluje, je persulfidacija proteinov – post-translacijska modifikacija pri kateri so tiolne skupine cisteinskih ostankov modificirane v persulfidne. Sodeluje tudi pri uravnavanju aktivnosti ionskih kanalčkov v celicah zapiralkah, ki so ključni pri nadzoru premikanja listnih rež in pomaga omiliti oksidativni stres z vplivom na koncentracijo reaktivnih kisikovih zvrsti v celicah zapiralkah.
Andraž Rotar - Vloga signalne poti JAK/STAT in njeni inhibitorji pri človeških boleznih
Signalna pot kinaze janus (angl. janus kinase-JAK) in signalnega prenašalca in aktivatorja transkripcije (angl. signal transducer and activator of transcription-STAT), krajše JAK/STAT, je prisotna v večini večceličnih organizmih. Mehanizem poti je eleganten in presenetljivo preprost način, s katerim zunajcelični faktorji povzročijo gensko izražanje. Prepisani geni so nujni pri bioloških procesih kot so celična rast, diferenciacija, apoptoza in imunskem odzivu. Signalizacija JAK/STAT je v celici močno regulirana. Primarni regulatorji spadajo v tri skupine, in sicer med zaviralce citokinske signalizacije (angl. suppressor of cytokine signaling-SOCS), proteinske inhibitorje aktiviranih STAT (angl. protein inhibitors of activated STAT-PIAS) in protein tirozinske fosfataze (angl. protein tyrosine phosphatase-PTP). Če se v organizmu pojavi okvara signalne poti ali njene regulacije to privede do raznih avtoimunih bolezni kot so revmatoidni artritis, Parkinsonova bolezen ter multipla skleroza. Ker pa pot nadzira tudi celični cikel, lahko mutacije genov, odgovornih za sintezo sestavnih delov poti, privedejo do rakavih obolenj. Da bi se z temi patološkimi stanji lahko spopadali, raziskovalci z veliko vnemo iščejo nove vedno boljše inhibitorje signale poti. Do ne daljnega smo poznali le inhibitorje za JAK, sedaj pa jih razvijajo tudi za STAT. V seminarski nalogi so predstavljeni vsi zgoraj našteti proteini, patološka stanja povezana z JAK/STAT, ter inhibitorji za njihovo zdravljenje.
Pia Špehar - Integrini in njihova vloga pri vezikularnem transportu
Integrini so adhezijski receptorski proteini, zgrajeni iz dveh podenot. Imajo mnogo različnih funkcij, in sicer povezujejo citoskelet in zunajcelični matriks, s tem posledično povežejo notranjost celice z njeno okolico. Delujejo kot prenašalci signalov in spodbujevalci celične proliferacije in preživetja. Sodelujejo pri imunskem odzivu, apoptozi, celični diferenciaciji, mnoge raziskave pa so pokazale, da so ključni tudi pri signalizaciji in regulaciji vezikularnega transporta. Ključno vlogo imajo pri eksocitozi biosintetskih in sekretornih veziklov, saj nase vežejo mikrotubule in preko njih usmerjajo vezikle do celične površine. Sodelujejo tudi pri procesu degranulacije v trombocitih in levkocitih, pri agregaciji trombocitov in posledično pri hemostazi, ki je prva stopnja celjenja ran. V citotoksičnih limfocitih prepoznava antigena na tarčni celici povzroči sidranje mikrotubulov na integrine. Ti se nato povežejo z medcelično adhezijsko molekulo in tako sprožijo prenos signala za celično smrt tarčne celice. V trombocitih pa integrin-posredovana degranulacija α-granul omogoči agregacijo trombocitov in s tem nastanek krvnega strdka, ki zaustavi krvavitev. Integrini sodelujejo tudi pri endocitozi, in sicer pri vnosu virusov in zunajceličnih veziklov v celico. V celico se lahko prenese virus, vsebina veziklov ali pa samo signal, ki sproži nadaljnje procese znotraj celice. Pomembni so tudi za prenos signalov pri endocitotskem recikliranju receptorjev tirozin kinaz (RTK).
Tina Urh - Nevrotransmiterji, agonisti in antagonisti receptorjev kot tarča zdravljenja
Nevrotransmiterji acetilholin, norepinefrin, dopamin, serotonin, subtanca P, GABA in glutamat posredujejo stimulatorne ali inhibitorne živčne funkcije preko vezave na specifične receptorje. Izločajo se iz avtonomnih živcev, ganglijev, nadledvične žleze, rakavih celic in celic imunskega sistema. Spremenjena komunikacija med živčnim in imunskim sistemom in uporaba receptorskih agonistov/antagonistov je vedno pogosteje tarča zdravljenja nevrodegenerativnih, imunopatoloških in avtoimunskih bolezni. E in NE sta stresna hormona in interagirata z α in β adrenergičnimi receptorji; aktivacija β2-AR (agonist izoprotenerol) spoodbuja rast tumorja. Blokira jo antagonist propranolol. GABA je pomirjevalo in antidiabetično sredstvo, stimulira rakavo proliferacijo preko GABAA; A receptorski agonist je muscimol. Vendar pa je vpliv GABA odvisen od tipa raka in receptorja. Serotonin (5-HT) ima vlogo vazokonstriktorja; proizvajajo ga imunske celice. Antagonisti 5-HT2AR imajo antipsihotične in antidepresivne lastnosti. Povečanje števila receptorjev 5-HT1A kaže na zaviranje izločanja serotonina in posledično povečano depresivnost. Dopamin oz. agonisti DA receptorjev izkazujejo inhibitorni efekt na rast tumorja. Neselektivni agonisti so učinkoviti za zdravljenje bolezni CŽS. Tudi vloge dopamin receptorjev so specifične glede na tip tumorja. Substanca P spada v družino nevropeptidov in spodbuja razvoj raka. Inhibicija receptorja NK-1 s specifičnimi antagonisti povzroči antitumorske učinke. Glutagonski agonisti lahko sprožijo smrt T celic, odvečni Glu vpliva na razvoj epilepsije in raka. Za zdravljenje bi se lahko uporabljalo inhibitorje mGluR1.
Katja Resnik - Signalna omrežja, ki povzročajo raka
Normalno delovanje vsake posamezne celice in posledično organizma kot celote nam omogočajo številni procesi, kjer je ključnega pomena njihova regulacija. Tako lahko spremenjene signalne poti, ki v naših celicah uravnavajo predvsem procese celične proliferacije, diferenciacije, apoptoze in na splošno celičnega cikla privedejo do številnih bolezni, med drugim tudi do razvoja raka. Dve ključni poti, ki sta pri večini človeških oblik raka napačno regulirani sta signalni poti RAS in APC. RAS proteini so vrsta G proteinov, ki regulirajo normalen potek celičnega cikla preko povezovanja z efektorskimi proteini. Onkogene oblike RAS proteinov, ki so posledica mutacij, povzročijo njihovo nenehno aktivnost, kar vodi v transformacijo signalne poti. Ta se odraža v izražanju genov, ki se sicer naj ne bi izražali, kar lahko vodi v nenehno spodbujanje celične proliferacije. Po drugi strani pa do podobnega učinka pride tudi zaradi napak v signalni poti APC, ko okvarjen protein APC ne more več opravljati funkcije zmanjševanja koncentracije ključnega proteina za regulacijo in prehod iz faze celične proliferacije v fazo diferenciacije in staranja celic. Proučevanje takšnih signalnih poti nam omogoča spoznavanje vplivov določenih mutacij na posamezne procese in njihovo prispevanje k razvoju raka. Pomembno je le, da na signalne poti gledamo kot na prepletena omrežja, kar lahko ključno prispeva k razvoju uspešnih zdravil in metod zdravljenja omenjene bolezni.
Nuša Kos Thaler - Motnje metabolizma glikogena in njihove posledice
Glikogen je makromolekula, sestavljena iz enot glukoze, ki jo najdemo predvsem v jetrih in mišicah. Njegov metabolizem je ključnega pomena za pridobivanje in shranjevanje energije v človeškem telesu. Če ne deluje pravilno, lahko povzroča različne bolezni, ki jim s skupnim imenom rečemo bolezni kopičenja glikogena (glycogen storage diseases – GSD). Te so praviloma genetske in povezane z mutacijami genov, ki kodirajo encime za sintezo, razgradnjo ali regulacijo dolžine glikogenskih verig. Pri bolezni kopičenja glikogena tipa I je mutiran encim α-glukoza-6-fosfataza, ki katalizira pretvorbo iz glukoze-6-fosfata v glukozo, kar lahko povzroči hipoglikemijo pacientov. Pri bolezni kopičenja glikogena tipa II je mutiran encim za razgradnjo glikogena v lizosomu (kisla α-glukozidaza). Zaradi neaktivnosti encima se glikogen ne more razgraditi in se nalaga v lizosomih. Če ti počijo, lahko poškodujejo celico, kar privede do mnogih okvar v telesu, predvsem do progresivne mišične oslabelosti. Zelo poseben tip bolezni je Laforina bolezen, kjer se pokaže pomembnost glikogena še v drugih organih, možganih. Pri njej se zgodijo mutacije na genih za laforin in malin, ki skupaj regulirata dolžine stranskih verig glikogena. Pogosta posledica so epileptični napadi. Kljub mnogim raziskavam na tem področju najučinkovitejših rešitev za zdravljenje omenjenih bolezni še nismo odkrili.
Karidia Kolbl - Metabolizem možganskega glikogena; povezava z motnjami spanja in glavobolom
Povezava med funkcijo spanja in nevropsihiatričnimi boleznimi, kot je depresija, ter nevrološkimi motnjami v obliki migren, je danes raziskovano a precej neopredeljeno področje. Nedavne študije so pokazale, da med spancem obnavljamo zaloge glikogena, ki jih med budnostjo porabimo. Kasneje pa so ugotovili, da pomanjkanje spanca povzroča povišano količino možganskega glikogena, kar opisuje “glikogenetska” hipoteza. Ta pravi, da sinteza in poraba glikogena potekata med budnostjo so časno, medtem ko upad prenosa vzdražnostnih signalov med nevroni v stanju spanja ustvarja neravnovesje. Zmanjšana aktivnost se odraža v kopičenju glikogena med spanjem. Njegova vloga je namreč energijsko zalagati celice, še posebej med aktivno nevrološko signalizacijo (sinaptične povezave) in s tem vzpostavljati koncentracijo kalija in glutamata. Pri osebkih, ki pa jim spanca primanjkuje, prihaja do transkripcijskih sprememb, kar lahko povzroča migrene. Njihova raven možganskega glikogena je namreč znatno manjša in so posledično nezmožni ohranjati ustrezne količine kalija in glutamata znotraj in zunaj celic. To se odraža v kortikalni depolarizaciji, ki se širi po možganski skorji med živčnimi vlakni in se elektrofiziološko gledano povezuje z avro (drugo fazo) migrene. Namen seminarske naloge je torej pregled nekaterih ugotovitev in domnev v zvezi z glikogenezo in glikogenolizo, ter posledicami njune aktivnosti.
Zarja Weingerl - Sukcinat in njegova vloga v metabolizmu
Sukcinat ima v Krebsovem ciklu vlogo enega od intermediatov. Gre za dianion dikarboksilne kisline, torej se od sukcinske kisline razlikuje le v številu dveh H atomov na karboksilnih skupinah. Njegova vloga v metabolizmu pa ni omejena le na Krebsov cikel. Je namreč pomemben medcelični komunikator ter vpliva na vnetni odziv organizma. Veže se na receptor GPR91, ki je eden od regulatornih modulatorjev pri različnih podskupinah celic, in sodeluje pri regulaciji krvnega tlaka. Sukcinat je lahko eden od vzrokov za nastanek psevdohipoksičnega stanja, ki nastane zaradi aktivacije hipoksijske signalne poti kljub zadostni meri kisika. Deluje lahko kot kemoatraktant (snov, ki inducira premike). Zaradi njegove povezave z GABA šantom (poteka tudi v anaerobnih pogojih) pa sinteza sukcinata ni odvisna le od anaerobnih pogojev, ki so potrebni za delovanje Krebsovega cikla. Sukcinat deluje kot promotor metilacije DNA, ter vpliva na potek sukcinilacije. Sukcinilacija je posttranslacijska modifikacija pri kateri pride do vezave sukcinilnih skupin na lizinske ostanke. Da je zmožen opravljati vse te in še mnoge druge naloge igra pomembno vlogo njegov transport. Transportira se lahko preko obeh membran mitohondrija, ter tako prispe v citosol, možen pa je tudi njegov transport v medcelični prostor.
Ena Kartal - Metabolizem lipojske kisline in mitohondrijska redoks regulacija
Lipojska kislina je kofaktor mitohondrijskih multiencimskih kompleksov, ki vsebuje žveplo, in je kovalentno vezan z encimom preko lizina. Prav zaradi tega, ker se nahaja v vsaki celici v našemu organizmu in kot kofaktor sodeluje pri nastanku energije organizma, je predmet različnih raziskav. Ključna njegova funkcionalna lastnost je, da se lahko podvrže redoks reakcijam. Po vsaki reakciji kjer sodeluje lipoilni kofaktor z svojo disulfidno obliko, ki deluje kot akceptor elektronov, mora potekati reoksidacija dihidrolipoamida, ki jo katalizira flavoencim lipoamid dehidrogenaza. Do danes je lipojska kislina spregledan kofaktor mitohondrijskih multiencimskih kompleksov. Ko so jo prvič izolirali iz živalskih jeter, so jo primerjali z vitaminom, ker je povezana z biosintezo maščobnih kislin, SAM (ki sodelujejo pri biosintezi biotina) in biosintezo železo-žveplovega žepka z oksidativno sposobnostjo cikla trikarboksilnih kislin. Danes se uporablja tudi kot prehransko dopolnilo. Pomanjkanje LA kofaktora vodi do disfunkcije bistvenih encimskih kompleksov, ki sodelujejo v mitohondrijskem metabolizmu, kar provzroča različne bolezni. Za zdravljenje bolzni, ki nastajajo zaradi pomanjkanja regulacije lipoilacije encimov, so še vedno potrebne dodatne raziskave, ker še obstajajo neodgovorjena vprašanja glede reciklažne poti pri biosintezi LA pri ljudeh.
Sara Jerič - Vpliv intermediatov Krebsovega cikla na metiliranje histonov in DNA ter posledično na proces staranja
Intermediati cikla citronske kisline imajo pomembno vlogo pri regulaciji epigenetskih in neepigenetskih sprememb. Pri tem so najbolj pomembni 2-oksoglutarat, sukcinat in fumarat, ki z aktivacijo oz. inhibicijo vplivajo na veliko družino encimov dioksidaz, ki so odvisne od 2-oksoglutarata (2-OGDO). Ti encimi pri regulaciji neepigenetskih sprememb vplivajo na sintezo kolagena in nadzorujejo količino kisika v celici (npr. Sprožijo primeren odziv, če pride do hipoksije). Pri regulaciji epigenetskih sprememb pa 2-OGDO encimi vplivajo na metilacijo DNA in histonov ter posledično transkripcijo in izražanjem genov. Metilacija DNA poteka z encimoma DNA metiltranferaza in DNA demetilaza, metilacija histonov pa z encimoma histon metiltransferaza in histon demetilaza. Spremembe pri metilaciji DNA in histonov povzročijo tudi spremembe pri kromatinu, kar pa povezujemo s procesom staranja. S staranjem se torej zmanjša količina obnovitvenih procesov (npr. ob staranju matične celice zmanjšajo količino popravil poškodb tkiv). Proces staranja ni točno programiran v celici, temveč je naključen degradirajoč proces, ki so ga sprožile epigenetske spremembe. Intermediati Krebsovega cikla pa lahko povzročijo tudi epigenetske spremembe, ki se kažejo pri boleznih povezanih s staranjem, npr. Alzheimerjeva bolezen. Čeprav vloga intermediatov Krebsovega cikla in njihov mehanizem pri procesu staranja še ni točno določen, lahko zagotovimo, da predstavljajo enega kjučnih regulatorjev epigenetskih sprememb, ki pa vplivajo na proces staranja.
Nik Vidmar - Presnova, učinki ter bolezenska stanja kot posledica povišanih koncentracij ketonskih telesc
Ketonska telesca nastajajo v jetrih v okoliščinah, ko je prisotnost glukoze prenizka za normalno delovanje organov, kot so na primer možgani. Predstavljajo jih molekule acetoacetata, ki nastaja pri presnovi maščobnih kislin ob pomankanju glukoze, 3-β-hidroksibutirata, ki nastaja v mitohondrijih jetrnih celic in acetona. Najpomembnejša med ketonskimi telesci sta acetoacetat in 3-β-hidroksibutirat, saj se transportirata kot vir energije iz jeter v druga tkiva. Tretje ketonsko telo aceton ni zelo pomembno, saj se ne porablja kot vir energije in se preko pljuč izloča iz telesa. Ketonska telesca so pomembna zato, ker pripomorejo k varčevanju glukoze in zmanjšujejo proteolizo v času, ko je glukoze v telesu premalo, kar pomaga pri ohranjanju zdravja in funkcionalnosti telesa. Nekateri organi, kot so možgani, niso zmožni uporabiti maščobnih kislin kot vir energije, zato uporabijo ketonska telesca, ki so alternativni vir energije v primeru daljše lakote ali posta. Uravnavajo tudi nivo sproščanja inzulina in povzročijo peroksidacijo lipidov. V nižjih koncentracijah se v krvi neprestano nahajajo pri zdravih ljudeh. Njihove koncentracije se delno povečajo pri dolgi telovadbi in postu. Povišana koncentracija ketonskih telesc je lahko posledica zastrupitve, na primer z alkoholom, kar vodi do alkoholne ketoacidoze. V primeru diabetesa pa lahko povišana koncentracija vodi do diabetične ketoacidoze. Tako stanje je zelo nevarno in lahko, če ga ne zdravimo, privede do smrti.
Gašper Struna - Oksidacija maščobnih kislin v peroksisomih
Oksidacija maščobnih kislin je pomemben proces, ki je vključen tako v anabolne kot katabolne metabolične poti. Ta proces poteka v mitohondrijih, kjer ima predvsem katabolno vlogo, ter v peroksisomih, kjer pa ima bolj anabolno vlogo. β-oksidaciji maščobnih kislin sta v obeh organelih zelo podobni. Obstajajo pa tudi mnoge razlike. Geni za encime, ki sodelujejo pri oksidaciji v posameznem organelu, so različni. V prenosu maščobnih kislin skozi membrano sodelujeta različna transporterja. V prvem koraku β-oksidacije se peroksisomski FADH2 takoj oksidira nazaj, pri tem pa elektrone sprejme kisik, medtem ko pri mitohondriju vstopi v elektronsko prenašalno verigo. Multifunkcijski protein (MP) pri peroksisomu za razliko od mitohondrijskega ne vsebuje tiolazne aktivnosti; ima pa peroksisom dva MP, pri čemer eden lahko reagira tudi z D-izomeri β-hidroksiacil-CoA. V peroksisomu se maščobne kisline le delno oksidirajo, dokončna oksidacija poteče v mitohondriju, lahko pa oksidacija maščobnih kislin v peroksisomu služi le skrajševanju verige v anabolnih poteh, na primer pri biosintezi nekaterih lipidov. Peroksisomska oksidacija je predvsem pomembna pri oksidaciji dolgoverižnih in razvejanih maščobnih kislin. Veliko podrobnosti o oksidaciji v tem organelu pa je še vedno nepojasnjenih ali pa za njih obstajajo le modeli kot na primer pri načinu reoksidacije NADH in transportu acil-CoA skozi membrano. Pomembnost tega procesa pa nakazujejo tudi številne bolezni povezane s peroksisomsko β-oksidacijo, zaradi česar je razumevanje tega procesa zelo pomembno.
Maščobe poleg ogljikovih hidratov predstavljajo pomemben vir energije za delovanje naših organizmov. Maščobne kisline (MK) se v mišicah oksidirajo in vodijo do nastanka ATP molekul. Poznavanje mehanizma oksidacije MK omogoča lažje razumevanje regulacije procesa pod vplivom različnih zunanjih dejavnikov. Med pomembnejše regulatorne proteine štejemo maščobno-kislinsko translokazo CD36, ki se nahaja v sarkolemi in regulira vnos MK v mišične celice, in karnitin-aciltransferaze (CPT1, CPT2 in CACT), ki nadzirajo vnos MK v mitohondrij. Pri procesu β-oksidacije maščobnih kislin je pomemben encim β-hidroksi-acil-CoA dehidrogenaza, ki omejuje hitrost reakcije. Dokazali so, da vzdržljivostna zmerna vadba in povečan vnos maščob pozitivno vplivata na regulacijo proteinov, ki so vključeni v proces oksidacije. Maščobne kisline in krčenje skeletnih mišic v tem primeru delujejo kot signali, ki navidezno inducirajo izražanje beljakovin v metabolnih poteh lipidov in s tem povečajo presnovno sposobnost maščobnih kislin. Pomembni signalni receptorji so jedrni transkripcijski faktorji PPAR, ki vplivajo na izražanje genov za regulatorne proteine. V zadnjem času se zelo razvija farmacevtsko področje vadbene mimetike (ang. exercise mimetics). Z različnimi zdravili in prehranskimi dodatki želijo posnemati pozitivne učinke vadbe na organizem in tako olajšati poteke določenih bolezni ter zmanjšati delež ljudi s prekomerno telesno težo. Hkrati pa z razvojem takšnih zdravil prihaja tudi do dopinških zlorab v vrhunskem športu.
Urša Zevnik - Genetske napake mitohondrijske oksidacije maščobnih kislin in karnitinskega transporta
Mitohondrijska oksidacija maščobnih kislin je ključen metabolni proces za zagotavljanje energije, ko se izpraznijo zaloge glikogena, za nekatere procese pa predstavlja preferenčni vir energije tudi, ko je glukoze dovolj. Za skoraj vse proteine, ki sodelujejo v procesu β-oksidacije maščobnih kislin ali karnitinskemu transportu le teh v mitohondrij, so znane genetske napake, ki povzročijo pomanjkanje ali zmanjšano aktivnost teh proteinov. Popolna odsotnost večinoma vodi v smrt v prvih dneh življenja, za delno pomanjkanje pa so značilna srčna, mišična in ledvična obolenja ter pogoste hipoglikemije. Simptomi so odvisni od posameznika, stopnje pomanjkanja in vrste okvarjenega proteina. So posledica porušene energijske homeostaze in nabiranja toksičnih metabolitov. Trajno zdravilo ne obstaja, zdravljenje pa temelji na preprečevanju katabolizma z izogibanjem postenja ali naporne fizične aktivnosti in na dieti z manjšim deležem maščob. Na voljo so tudi zdravila, ki na različne načine, na primer z obnavljanjem metabolitov cikla citronske kisline ali spodbujanjem transkripcije encimov β-oksidacije lahko omilijo simptome, vendar je njihova učinkovitost omejena. Kljub zanesljivim metodam diagnostike in presejalnim testiranjem novorojenčkov smrtnost zaradi teh bolezni ostaja visoka.
Tina Javeršek - Nedavni napredek pri zdravljenju hiperamoniemije
Hiperamoniemija (HA) je stanje povišane koncentracije amonijaka v krvi, ko pride do neravnovesja med količino nastalega in odstranjenega amonijaka. Ta se v naravi nahaja predvsem v reducirani obliki kot amonijev ion NH₄⁺. Vzroka za nastanek HA sta največkrat prekomerno nastajanje odvečnega amonijaka v debelem črevesu in nezadostno razstrupljanje pri motnjah v ciklu uree. Razlikujemo med primarno in sekundarno (pridobljeno) HA. Za zdravljenje se uporablja predvsem laktuloza, sintetični disaharid, ki se v našem telesu ne presnavlja. Pogosto je tudi zdravljenje z antibiotikom rifaksiminom, ki inhibira sintezo bakterijske RNA in tako preprečuje rast bakterij, ki proizvajajo encim urezo. Ta katalizira hidrolizo sečnine, pri tem pa nastajajo amonijevi ioni. Pri visokih koncentracijah imajo toksične učinke in lahko povzročijo ireverzibilne okvare centralnega živčnega sistema. Natrijev benzoat in fenilacetat nase vežeta glicin in glutamin, nastala hipurat in fenilacetilglutamin pa se izločata z urinom. Kot sredstva za zdravljenje hiperamoniemije se uporabljajo še aminokisline z razvejano verigo, L- arginin, L-citrulin in karglumova kislina. Ob akutnem povišanju koncentracij amonijaka v krvi se ta odstranjuje s hemodializo, s čimer v najkrajšem možnem času dosežemo znižanje njegovih koncentracij. Genska in celična terapija obljubljata učinkovit pristop pri zdravljenju, vendar so potrebne še številne raziskave na tem področju.
Klara Kočman - Bowman-Birkov inhibitor
Bowman-Birkov inhibitor, inhibira tako tripsin kot tudi α-kimotripsin. Z njima tvori kompleks 1:1 oz. 1:1:1 ko sta na inhibitor vezana oba encima. Reakcijsko mesto za inhibicijo tripsina se nahaja na mestu Lys 16–Ser 17, za inhibicijo kimotripsina pa na mestu Leu 42–Ser 44. Naloga tripsina in kimotripsina je cepitev večjih peptidov na manjše peptide v trebušni slinavki. Bowman-Birkov inhibitor najdemo v nekaterih travniških rastlinah in vseh stročnicah, predvsem v soji. Uživanje surove soje lahko vodi do hipertrofije trebušne slinavke pri živalih. Je tudi zelo učinkovit pri preprečevanju karcinogeneze, zato iščejo način kaki bi lahko z Bowman-Birkovim inhibitorjem preventivno preprečevali raka brez toksičnosti za maligne celice in vitro. V soji pa najdemo tudi Bowman-Birkovem inhibitorju podoben Kunitzov inhibitor. Znanstveniki so ugotovili, da sta Bowman-Birkovemu inhibitorju v določenih sekvencah podobna tudi inhibitor limskega ter vrtnega fižola. Bowman-Birkov inhibitor se lahko zaradi svojih sedmih disulfidnih vezi cepi na več različnih peptidov, ki ohranijo svojo inhibitorno aktivnost. Inhibitor se v raztopinah z visoko koncentracijo inhibitorja med seboj reverzibilno poveže v dimere in trimere, kar lahko vidimo tudi pri inhibitorju, izoliranem iz soje, ki je v obliki trimera.
Miha Razdevšek - Motnje razgradnje glicina in njihove posledice
Glicin je najmanjša aminokislina, ki se razgrajuje po treh poteh. Pri ljudeh je najpogostejša razgradnja z glicin cepitvenim encimom (glycine cleavage enzyme, GCE). Ta encim je sestavljen iz štirih proteinov, ki glicin pretvarjajo v CO2 in NH4+. Ko pride do mutacij GCE, se glicin po tej poti ne more več razgrajevati in se posledično kopiči v celici. To stanje imenujemo neketotska hiperglicinemija (nonkertotic hyperglicemia, NKH). V eni izmed metabolnih poti, ki se pri takšnih pogojih aktivirajo nastane zelo reaktivna molekula metilglioksal (MGO). MGO se kovalentno poveže s proteini in DNA, kar imenujemo glikacija. Produkte, ki pri tem nastanejo pa končni produkti napredovane glikacije (advanced glycation end products, AGE). Primarno se MGO poveže z argininom na proteinih in deoksigvanozinom na DNA. Glikacija proteinov vpliva na izgubo njihove funkcije in povezavo ekstracelularnih ter intracelularnih proteinov. Reakcija z DNA pa predstavlja nevarnosti povezane z genomsko nestabilnostjo. Povišane vrednosti MGO se povezuje z boleznimi staranja, diabetesom, debelostjo, rakom in nevrodegenerativnimi boleznimi. Izziv predstavlja predvsem razumevanje pomena MGO pri normalnem fiziološkem stanju, koncentracija, pri kateri postane MGO toksičen in možnost uporabe MGO za specifično diagnostiko bolezni.
Jan Trebušak - Vloga Karbamoil Fosfat Sintetaze 1
Karbamoil fosfat sintetaza 1 (CPS1) je kompleksen, večdomenski ter evolucijsko konservativen encim, ki katalizira prvo reakcijo v ciklu uree. Encim je sestavljen iz okoli 1500 aminokislin in ima dve katalitični mesti na katerih poteka fosforilacija substratov, njegov alosterični efektor pa je N-acetil-L-glutamat (NAG). Ker reakcije na CSP1 predstavljajo ‘vstopni’ korak v cikel uree ima vsakršna okvara lahko hude posledice. Najočitnejši simptom je akutna hiperamonemija oz. povišanje koncentracije amoniaka v krvi, ki lahko ob kronični izpostavitvi vodi v nevrodegenerativna obolenja. Čeprav je hiperamonemija glavni in najbolj akutni zaplet pri okvari CSP1, pa ni edini. Raziskave so pokazale, da ima CSP1 vpliv tudi na nastanek in rast raka, razvoj kardiovaskularnih obolenj in tudi zmožnost posameznikov za vzdrževanje konstantne telesne mase. Trenutne oblike zdravljenja vključujejo strogo izogibanje aminokislinam v prehrani in uživanje dodatkov, ki nase vežejo dušik iz organizma. Naprednejše oblike zdravljenja, kot so genska terapija in jemanje analogov NAG, ki bi spodbudili delovanje tudi nepravilno delujoče CSP1 so v začetnih fazah kliničnih testiranj. Pri genskem zdravljenju predstavlja težavo tudi to, da je večina inaktivirajočih mutacij na CSP1 specifičnih za posamezne družine ali majhne populacije, kar pomeni, da vsaka od the potrebuje posebaj prilagojeno zdravljenje. Na tem področju je potrebno opraviti še veliko raziskav, da bi odkrili zdravilo za nedelujočo CSP1.
