Integrace fyziologických funkcí za různých okolností Jana Svačinová EXAMS ARE COMING… Regulace Adaptacevs. • Rychlé fyziologické změny probíhající po předem připravených drahách vyvolané jednorázovým podnětem • Rychlá odpověď organismu na jednorázový podnět • Biologicky výhodné fyziologické změny způsobené kvalitativně odlišnými ekologickými faktory • Úprava (zefektivnění, posílení/oslabení) regulačních mechanismů • Pomalá odpověď organismu na dlouho trvající nebo pravidelně se vyskytující podnět (ekologické faktory) Klíčový rozdíl mezi regulací a adaptací je ČAS • Působení podnětu • Odpovědi organismu Regulace Adaptace • Regulační mechanismus je vrozený • Adaptací se upravuje jeho efektivita (síla odpovědi) Evoluce • Přenos změn do dalších generací (geneticky, epigeneticky) fyziologie paralelní feedback Zapojení systémů sériové zpětnovazební vstup výstup výstup výstupvstup Vliv na systém pozitivnínegativní Systém je inhibován, výstup snižován Systém je aktivován (excitován), výstup zvyšován Pozitivní vs. negativní zpětná vazba výstupvstup výstupvstup Pozitivní • Cílem je rychle excitovat systém, rychle zvýšit parametr pro uskutečnění nějakého děje • Vychyluje systém z homeostázy • Je dočasná, musí být ukončena • Například zesílení kontrakcí u porodu, zvýšení intracelulárního Na u akčního potenciálu (málo příkladů) Negativní • Je podstatou regulace • Cílem je stabilizovat fyziologický parametr (dle potřeb organismu), tlumit výchylky parametru • Udržuje homeostázu • Pracuje stále • Všechny fyziologické regulace (hormonální, nervové – všechny reflexy,…) Řízení vs. regulace výstupvstup Vstup z nadřazených řídících center (nebo receptoru, který není zpětnovazebně vázán na soubor systémů) nebo Cíl: změna výstupu (fyziologického parametru) Regulace je založena na negativní zpětné vazbě Cílem je stabilizace a tlumení výchylek daného fyziologického parametru: dojde-li ke zvýšení fyziologického parametru, tento zvýšený parametru utlumí systém zvyšující parametr (inhibiční vliv) Regulace je většina fyziologických dějů Jen mezi námi, řízení je často regulace vytržená z kontextu X Y Y Y X-Y X-Y < 0 → ↓Y X-Y > 0 → ↑Y Typy regulací podle druhu sytému 1. Lokální/autoregulační fyzikální nebo chemická, orgány autonomně regulují svoji funkci , rychlá odpověď 2. Metabolická taky autonomní, regulace funkce orgánů na základě produkce metabolitů, rychlá odpověď na změnu produkce metabolitů 3. Hormonální • Endokrinní • Parakrinní • Autokrinní 4. Nervová Výsledný efekt je součtem vlivu všech systémů, které se můžou podporovat nebo vzájemně rušit Příklad – regulace průtoku krve orgánem 1. Lokální autoregulace: myogenní autoregulace 2. Metabolická autoregulace: změny pCO2 a pO2, pH, K, adenosinu atd. při zvýšené metabolické aktivitě orgánu vede k vazodilataci 3. Hormonální • endokrinně: adrenalin, angiotensin • parakrinně: histamin, serotonin 4. Nervově: sympatická inervace cév Typy regulací podle rychlosti 1. Rychlé – rychlá odpověď, ale taky větší šance na „přestřelení odpovědi“, můžou se rychle vyčerpat, často zprostředkované nervovým systémem, také autoregulace bývají rychlé 2. Pomalé – pomalejší odpověď, přesnější nalezení homeostázy/stability, větší kapacity, nejčastěji hormonální, ale i jiné (např. tlaková diuréza) Vývoj regulace parametru funguje na mnoha časových škálách zároveň Příklad – regulace krevního tlaku 1. Rychlá odpověď – baroreflex 2. Pomalá – regulace volémie pomocí ADH Regulace acidobazické rovnováhy pH = - log [H+] Jeden z úzce regulovaných parametrů homeostázy – výchylky pH vedou k disfunkci metabolických drah a mění funkci (konformaci) bílkovin • Intracelulární pH má větší rozmezí v závislosti na funkci buňky • Extracelulární pH - mezibuněčné i v krvi – má úzké rozmezí 7.4 +- 0,04 (lehce vyšší ve venózní krvi než v arteriální kvůli pCO2) • Regulační mechanismy • Chemické – pufry: směs slabých kyselin a jejich solí, které snadno vážou nebo uvolňují H+, okamžitá regulace pH, má omezenou kapacitu • Podle složení: Hydrogenuhličitanové/Nehydrogenuhličitanové • Podle umístění: Intracelulární/extracelulární • Fyziologické (dle orgánu) – ovlivňují vylučování H+ z těla – ledviny a plíce Pufrovací systémy • Hydrogenuhličitanový (pufrovací kapacita 24 mmol/l) • HCO3 - a H2CO3 v poměru 20:1 • Bílkovinný systém (pufrovací kapacita 15 mmol/l) • Plazmatické nebo intracelulární bílkoviny (amfolyty – podle prostředí přijímají nebo uvolňují H+) – za normálního pH se chovají jako slabé kyseliny • V krvi např. albumin • Hemoglobinový systém (kapacita 7 mmol/l) – • Plíce: navázáním O2 na Hb v plicích se uvolňuje H+, ten reaguje s HCO3 - v plazmě za vzniku CO2 a H2O, CO2 je následně vydýchán • Tkáň: Hb odevzdá O2 tkání a přijímá H+, lehce tak koriguje pH kyselejší tkáně • Fosfátový systém (slabá 2mmol/l) • Dihydrofosfát a monohydrofosfát (HPO4 2- H2PO4 -) • nejdůležitější intracelulární pufrovací systém • v krevní plazmě slabá pufrovací funkce • důležitý při vylučování H+ močí (korekce kyselosti výsledné moči) Regulace acidobazické rovnováhy ledvinami Pomalejší ale dlouhodobější regulace pH, která úspěšně doplňuje rychlé pufrovací mechanismy (pufry mají ale omezenou kapacitu) • Vylučování fixních kyselin močí (HCl, H2SO4, H3PO4, kys. mléčná), které jsou v krvi ve formě sodných nebo draselných solí a které organismus nedokáže zpracovat nebo jinak odstranit – při vylučování těchto kyselin ledvinami se K a Na vyměňují za H+ • Regulace plazmatické koncentrace HCO3 H2O+CO2 ↔ H2CO3 ↔ HCO3 - + H+ • HCO3 - je do primární moče vylučován ve velkém množství (dle koncentrace v plazmě) – je potřeba zpětná resorpce, aby bylo zabráněno ztrátám • 80 – 90% HCO3 - je vychytáváno s resorbováno v primárním tubulu – primární účel je zabránění ztrátám • Na konci distálního tubulu a ve sběracím kanálku je upravováno výsledné pH moči dle potřeb regulace plazmatického pH – • novotvorba HCO3 - (z vody a CO2) a jeho přesun do krevní plazmy, • pumpování H+ do moči, kde se váže na NH3, HPO4 2- nebo H2PO4 - (moč má pro volné H+ omezenou kapacitu), už neslouží primárně k vychytávání HCO3 • pH moči může být v rozsahu až 4,5 - 8 Regulace acidobazické rovnováhy ledvinami - proximální tubulus Lumen tubulu Buňka proximálního tubulu Krev H+HCO3 - + H2O + CO2 CO2 + H2O karbonátdehydratáza HCO3 -H + + 3Na + 2K +ATP Na jeden Na+, který se dostane do buňky tubulu, je do krve vyloučen jeden HCO3 - a do tubulu vyloučen jeden H+ V proximálním tubulu se z moči resorbuje 80 – 90 % HCO3 - (prevence ztrát) • Nízké pH plazmy → málo HCO3 ve filtrátu → reabsorbuje se všechen • Vysoké pH plazmy → hodně HCO3 - ve filtrátu → překročí se renální práh pro reabsorpci HCO3 - (protože je méně H + k sekreci) → více HCO3 - v moči Na + Na + H + Na + H + V kontransport HCO3 - a Na+ z buňky do intersticia (trochu neintuitivní představa) je hnán koncentračním gradientem HCO3 - H2CO3 H2CO3 HCO3 H+ odhází močí jako součást vody HCO3 - odhází do intersticia a pak do krveATP H +nebo +CO2 může do buňky vstoupit odkudkoliv, třeba i z krve – pak je to novotvorba HCO3 -, který jde zpět do krve, a H + se sekretuje do moči Regulace acidobazické rovnováhy ledvinami - proximální tubulus (to stejné zobrazené trochu jinak) Lumen tubulu Buňka proximálního tubulu Krev HCO3 - + H2O + CO2 CO2 + H2O karbonátdehydratáza HCO3 -H + + 3Na + 2K + ATP Na jeden Na+, který se dostane do buňky tubulu, je do krve vyloučen jeden HCO3 - a do tubulu vyloučen jeden H+ V proximálním tubulu se z moči resorbuje 80 – 90 % HCO3 - (prevence ztrát) • Nízké pH plazmy → málo HCO3 - ve filtrátu → reabsorbuje se všechen • Vysoké pH plazmy → hodně HCO3 - ve filtrátu → překročí se renální práh pro reabsorpci HCO3 - (protože je méně H + k sekreci) → více HCO3 - v moči Na +Na + H + V kontransport HCO3 - a Na+ z buňky do intersticia (trochu neintuitivní představa) je hnán koncentračním gradientem HCO3 - H2CO3 H2CO3 H+ odhází močí jako součást vody HCO3 - odhází do intersticia a pak do krve HCO3 - ATP H + nebo HCO3 - přichází z primárního filtrátu CO2 difunduje po koncentračním gradientu H2O H+ zachytí HCO3 - +CO2 může do buňky vstoupit odkudkoliv, třeba i z krve – pak je to novotvorba HCO3 -, který jde zpět do krve, a H + se sekretuje do moči Regulace pH ledvinami – spolupráce jater a ledvin Lumen tubulu Buňka proximálního tubulu Krev Na+ 3Na + 2K +ATP glutamin glutaminglutamin 3CO22 NH4 + 2 HCO3 -+ + Na+ glutamináza Pokud je NH4 + odvedeno v podobě glutaminu či nevázané (v obou případech NH4 + odchází močí), zůstává v játrech volné i HCO3 - , který může sloužit jako pufr a vázat H + Odbourání bílkovin v játrech vede k tvorbě HCO3 - a NH4 + : NH4 + odchází do ledvin v podobě: • většina NH4 + zabudována do močoviny: 2HCO3 - + 2NH4 + → močovina + CO2 + 3H2O (NH4 + odchází z těla v močovině) • méně NH4 + zabudovaná do glutaminu (glutamát- + NH4 + ) – v ledvinách je glutamin opět rozložen a NH4 + odchází v této podobě • troška NH4 + je do ledvin a do moče exportována nezabudovaná do sloučeniny (fakt jen málo, je toxický) 2 NH4 + Při poklesu pH: • vzroste podíl NH4 + exportovaného z jater v glutaminu – více HCO3 zanechaného v játrech, H+ jsou odvedené močí vázané v NH4 + • z glutamátu v ledvinách vzniká další 2 HCO3 -, který přechází do krve Na+ Na+ NH3 + H+ Na+ NH3 NH3 + H+ nebo ven močí NH4 + Regulace acidobazické rovnováhy ledvinami Lumen tubulu Krev Cl-ATP pH v tubulu • Primární filtrát: 7,4 • Pozdní proximální tubulus: 6,6 • Výsledná moč max: 4,5 – 8,2 Fosfátový pufr HPO42- a H2PO4- (4:1) v distálním tubulu a sběracím kanálku váže vylučované H+ Sběrací kanálek (vmezeřená buňka typ A) Nízké pH: novotvorba HCO3 - z CO2 z krve, sekrece vzniklého do H+ moči Vysoké pH: sekrece HCO3 - do krve K+ ATP H+ ATP HPO42- NH3 H2PO4 + H+ CO2H2O + karbonátdehydratáza HCO3 -H + + H2CO3 CO2 Sběrací kanálek (vmezeřená buňka typ B) Cl- ATP HCO3 - H+ ATP Na+ Při přebytku alkálií Kapacita moči pro H+ je limitovaná, H+ se váží na: Konec distálního tubulu a sběrací kanálek: definitivní úprava pH moči Amoniak: V buňkách sběrných kanálků je NH4 + a NH3 v rovnováze. NH3 difunduje do lumen kanálku a váže tam volné H+ udržuje se tak koncentrační gradient pro difuzi NH3 Termoregulace Aktivace chladem • Zvýšení produkce tepla • Snížení výdej tepla Aktivace teplem • snížení produkce tepla • zvýšení výdeje tepla HYPOTHALAMUS posterior hypothalamus: reakce na chlad anterior hypothalamus: reakce na teplo Neurony • Preoptical area - termorecepce • Regio hypothalamica anterior – set point • Posterior/anterior hypotalamus – reakce na chlad/teplo Jádro (dutina břišní, hrudní, lebeční) – homeotermní - stabilní teplota 37 °C (podle některých zdrojů 37,5 +-0.5°C) Periferie („čouhající“ oblasti těla) – poikilotermní – větší variabilita, rozdíl periferie může být až desítky stupňů oproti jádru Hlavní tepelné zdroje – mozek, játra, srdce, pracující sval • Teplota je vnímána dvěma typy smyslových orgánů: jedny reagují maximálně na teploty o něco málo vyšší, než je tělesná teplota, druhé na teploty o něco nižší, než je tělesná teplota. První z nich jsou čidla pro teplo a druhé čidla pro chlad. • Na kůži existují odděleně místa citlivá na chlad a na teplo. Přitom je 4–10krát více míst citlivých na chlad než na teplo. Chladové receptory reagují v rozmezí teploty mezi 10–40 °C a tepelné receptory v rozmezí 30–49 °C. • Na změnu teploty také reagují receptory bolesti. Receptory bolesti jsou stimulovány pouze při extrémní teplotě nebo extrémním chladu, a proto jsou zodpovědné spolu s chladovými a tepelnými receptory za pocity pálení a mrznutí. Termorecepce 10 15 20 25 30 35 40 45 50 555 2 4 6 8 10 Teplota [◦C] Početimpulzůzasekundu Chladové receptory Tepelné receptory Chladová bolest Pálivá bolest * Guyton & Hall, Textbook of Medical Physiology, 2001 Termorecepce • Krauseho tělíska: • oválná, složená z větvení jednoho dendritu mezi Schwannovými buňkami, obalené epineuriem • receptory chladu • Ruffiniho tělíska: • jedno nervové vlákno silně rozvětvené a obalené pouzdrem • receptory tepla • Poměr tepelných receptorů k chladovým 1 : 3-10; v různých částech těla je hustota receptorů různá (15-25 chladových receptorů na 1 cm2 v ústech a 3-5 chladových receptorů na 1 cm2 na prstu). Termoreceptory (obecně) se nachází nejenom v kůži ale i v hypotalamu, v orgánech dutiny břišní a kolem velkých cév v horní části břicha a hrudníku (reagují více na snížení než zvýšení teploty) a podílí se na termoregulaci. Stejně tak i chemoreceptory (glomus caroticum) registrují změny teploty krve. Termoregulace Mechanismy tepelných ztrát Výměna tepla s prostředím Mechanismy • Záření (radiace) • Kondukce (vedení) – odvádění tepla kontaktu s pevným tělesem • Konvekce (proudění) – vzduch/voda při kontaktu s tělem přebírá teplo a prouděním odvádí teplo od těla • Vypařování (evaporace) Pocitová teplota v závislosti na větru Reakce na zvýšenou teplotu Reakce na zvýšenou teplotu Mimovolní mechanismy • Inhibice sympatického vlivu na cévy na povrchu těla: vazodilatace a cirkulace teplé krve z jádra na povrch (až 30% srdečního výdeje) • Arteriovenózní anastomózy – jejich dilatace převádí arteriální krev rovnou do povrchových žilních pletení (zčervenání kůže, mimo jiné prevence otoků) (pokles periferní rezistence může vést k významnému poklesu krevního tlaku - mdloby) • Pocení – aktivace sympatických cholinergních jader inervujících potní žlázy • Inhibice tvorby tepla Volní mechanismy - chování • Snížení pohybové aktivity, vyhledání stínu nebo chladu, chladné nápoje, větší přísun tekutin (kompenzace ztrát vody pocením), atd… Reakce na sníženou teplotu Reakce na sníženou teplotu Mimovolní mechanismy • Vazokonstrikce v kůži (jádro pod 36,8°C) : Stimulace sympatických center zadního hypotalamu • Piloerekce (husí kůže) – sympatiku způsobí kontrakci drobných svalů vázaných na ochlupení dojde k jeho vzpřímení – málo efektivní, evoluční relikt • Zvýšení tvorby tepla • Svalový třes (jádro pod 35,5°C) – primární motorické centrum třesové termogeneze v zadním hypotalamu (v teple je inhibováno, aktivace při poklesu teploty) – vzruchy se přenáší na motoneurony předních rohů míchy – zvýšení citlivosti na podněty ze svalových vřetének – opakující se zvýšení svalového tonu (vzestup tepla až 15x) • Chemická termogeneze (jádro pod 36°C) – (beta adrenergní regulace) tvorba tepla v hnědém tuku (elektronový gradient v mitochondriích netvoří ATP ale teplo) – významný u novorozenců, ale hnědý tuk je přítomný i u některých dospělých kolem krku a lopatek • Snížená teplota v oblasti area preoptika vyvolá uvolnění tyreoliberinu z hypotalamu a aktivaci štítné žlázy a zvýšení syntézy tyroxinu – zvýšení metabolismu, zvýšení tvorby tepla – nastává až po několika dnech až týdnech v chladu – souvisí s aklimatizací v chladovém prostředí Volní mechanismy - chování • Zvýšení pohybové aktivity, schoulení se (snížení povrchu pro únik tepla), oblečení, přesun do tepla Horečka Pyrogeny produkované buňkami imunitního systému dočasně přenastaví „set point“ v hypotalamu na vyšší hodnotu Subjektivně je vyvolán pocit zimy a následují odpovídající reakce – svalový třas (zimnice), změna chování,… Adaptace na teplo a chlad • Větší produkce potu • Větší produkce aldosteronu zabraňuje ztrátě Na potem Reakce na krvácení Reakce na krvácení • Fyziologické kompenzační mechanismy nastupují s různou rychlostí • Podnětem nástupu těchto mechanismů je hypovolémie, hypotenze nebo ischemie (a jejich kombinace), které aktivují sympatikus – sympatikus ve spolupráci s jednotlivými přímými regulačními cestami spouští další komplenzační mechanismy • Síla odpovědi záleží na objemu krevní ztráty • Ztráta krve nad cca 15% krve – hrozí rozvoj hemoragického šoku (jen pro představu, je to individuální, různé zdroje, asi jsou někde guideliny) • Šok: závažný stav organismu, jehož příčinou je nepoměr mezi velikostí cévního řečiště a množstvím obíhající tekutiny • Jinými slovy - nabídka kyslíku (především) neodpovídá poptávce Odpovědi na větší ale regulovatelné krvácení (cca víc jak darování krve, méně jak 40%) • Baroreflex (reaguje okamžitě) • ↓žilní návrat→ ↓ plnění komor→ ↓ systolický objem (SV)→ ↓ krevní tlak (TK)→registrace baroreceptory→baroreflex: aktivace sympatiku a inhibice parasympatiku→ • ↑srdeční frekvence → zachování TK • ↑síla srdečního stahu→ zachování TK • Arteriokonstrikce → zvýšení arteriální rezistence → zachování TK, omezení dalšího krvácení, centralizace oběhu (přesun krve z GIT, ledvin, kůže, periferie obecně) • Venokonstrikce → redistribuce objemu krve z kapacitního řečiště (obsahuje až 50% krve) → zachování žilního návratu • RAAS (reaguje po minutách) • ↓ Průtok krve ledvinami → renin →… →angiotensin II →aldosteron • angiotensin II →vazokonstrikce →zachování TK, centralizace oběhu → stimulace vyplavení ADH • Aldosteron → resorpce Na+ → zachování volémie • ADH (reaguje po minutách) • Sympatická aktivace, angII, hypovolémie, ↑osmolarita (důsledek aldosteronu) → sekrece ADH → vazokonstrikce, ↑ resorpce vody v ledvinách →zachování TK a volémie • erytrocyty – ischemie ledvin → erytropoetin - první vyplavení retikulocytů relativně rychle, další krvetvorba dny • trombocyty – jsou vyčerpané ztrátou krve a srážením • leukocyty • plazmatické bílkoviny, hlavně albumin a koagulační faktory (dny) Reakce na krvácení – symptomy • Příklad je uveden při absolutním objemu krve 5 000 ml u 70 kg muže (je zřejmé, že drobnou vetchou stařenku položí na lopatky mnohem menší ztráta krve) • Reakce jsou samozřejmě individuální, zhoršená výchozí kondice a každá další komplikace stav zhoršují Stupeň krevní ztráty I. třída II. třída III. třída IV. třída % ztracené krve do 15% do 30% do 40% nad 40% Krevní ztráta Do 750 ml 750 – 1000 ml 1500 – 2000 ml nad 2000 ml Srdeční frekvence Do 100/min 100 – 120/min 120 – 140/min nad 140/min Systolický tlak normální normální snížený Snížený, neměřitelný Kvalita pulzu normální oslabený oslabený Slabý, nehmatný Kapilární návrat normální nad 2 s nad 2 s Není Dechová frekvence 14 – 20/min 20 – 30/min na 30/min nad 35/min Diuréza nad 30 ml/hod 20 – 30 ml/hod 5 – 30 ml/hod zanedbatelná Fce CNS normální úzkost Úzkost, zmatenost Zmatenost, nereaktivita Reakce na krvácení parameter rest workload CO (l/min) 5-6 HR (t/min) 70 SV (ml) 70 SBP (mmHg) 120 DBP (mmHg) 70 25(35) 210 (250-190) 115↑ ↑ or ═ or ↓ REACTION OF CARDIOVASCULAR SYSTEM TO WORKLOAD 115 ... reserve = maximum .../resting… METABOLISM RESPONSE TO WORKLOAD Adaptace KVS na zátěž Atletické srdce: • „Fyziologická“ hypertrofie + dilatace – větší síla stahu a objem komor (dostatečná vaskularizace svalu) • Větší objemová rezerva, větší klidový i maximální systolický objem (1,5x) • Vyšší chronotropní rezerva (zesílený parasympatický tonus) Adaptace svalu na zátěž Silová zátěž • Hypertrofie vláken IIB, ↑aktivita myokinázy (ADP + ADP →ATP + AMP) Rychlostní zátěž • ↑obsah a utilizace ATP CP, hypertrofie vláken IIB Vytrvalostně rychlostní zátěž • ↑aktivita glykolytického systému, ↑utilizace glykogenu vláken II, ↑pufrovací kapacita Zátěž vytrvalostní • ↑mitochondríí, ↑aktivita enzymů dýchacího řetězce, ↑kapilarizace, hypertrofie I, ↑hladina svalového glykogenu, ↑aktivita lipázy • Svalové vlákno I: pomalá, červená, vysoký obsah myoglobinu, velká oxidační kapacita, málo unavitelné • Svalové vlákno IIA: rychlá oxidační glykolytická (červená), střední oxidační kapacita, rychlá kontrakce, středně rychlá unavitelnost • Svalové vlákno II B: rychlá glykolitická vlákna s nízkou oxidační kapacitou (bílá), vysoká glykolytická kapacita, rychlá kontrakce, rychlá únavnost Metabolismus svalu - restituce ATP Myokinázová reakce • (ADP + ADP →ATP + AMP) Lohmanova reakce • CrP + ADP + H+ → Cr + ATP + H2O Glykolytická fosforylace (anareobní) • Štěpení glukózy bez přítomnosti kyslíku • Glukoza → laktát + 2ATP Oxidační fosforylace • Odbourávání látek (glu, laktát, volné mastné kyseliny, AMK) za přítomnosti kyslíku • Glukoza + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 36ATP Nikdo se nemůže naučit na zkoušku z fyziologie za jeden týden… …jestli nechcete skončit jako oni…