Fyziologie živočichů (a člověka) Bi2BP_FYZP, Bi2BP_FYZL III. ročník 1/0/2 Zk, z (SP nebo AV) Zk – písemná podle aktivity, ústní (hormony, vitamíny) doc.RNDr. B. Rychnovský, CSc. doc.RNDr. Žákovská, Ph.D. [USEMAP] Předmět Fyziologie živočichů Organické a anorganické látky jako součást tkání, orgánů Homeostáza Dýchací soustava Trávicí soustava Vylučovací soustava, osmoregulace, termoregulace Srdce a cévní systém Hormony Nervová soustava Reprodrukční soustava [USEMAP] Fyziologie - věda o procesech, dějích probíhajících v živých organismech (živé buňce, rostlině, živočichovi, člověku) ► živočišná fyziologie ► fyziologie člověka F = věda o funkcích živého organismu = analýza funkcí živého organismu = věda, která se zabývá životními projevy a činností živých organismů = věda, která studuje průběh jednotlivých životních dějů, hledá vzájemné souvislosti a příčiny proč děje probíhají = dynamická věda popisující a vysvětlující činnost živého organismu zkoumá závislost činnosti živých organismů na stavu vnějšího a vnitřního prostředí = zkoumá zákonitosti životních procesů, studuje vývoj funkcí v ontogenezi, jejich evoluci a kvalitativní zvláštnosti různých představitelů rostl. i živočišné říše. Objasňuje vzájemnou souvislost jednotlivých procesů v organismu a souvislosti mezi organismy a okolním prostředím = věda, ve které jsou objektem zkoumání základní mechanizmy organismů = syntéza fyzikálních a chemických metod v biologii Vyniká funkční stránka organismu, rozbor jednotlivých procesů, ale i syntéza do celku. Podle objektu zkoumání: f. rostlin f. živočichů – hmyzu x obratlovců (i nižší kategorie), f. člověka (humánní, lékařská fyziologie) f. bakterií – moderní progresivní oblast buněčná fyziologie f. jednotlivých skupin F. živočichů – obecná (celkový obraz fyziologie živočichů) - srovnávací (studium funkce z hlediska fylogeneze) - speciální (jeden fyziologický jev) Normální x patologická fyziologie, teoretická x praktická fyziologie Praktický význam – humánní, veterinární medicína, psychologie Překrývání vědních oborů: evoluční f., fyziologická embryologie, ekologická fyziologie, paleofyziologie Hlavní metoda fyziologie – p o k u s → všechny poznatky fyziologie [USEMAP] Počátek fyziologických výzkumů – 2. polovina 18. století Jiří (Georgius ) Procházka (1749-1820), Jan Evangelista Purkyně (1787-1869) (Wroclav), Edward Babák (1873-1926), Praha, po I. sv. v. Brno Žáci: Tomáš Vacek (1899-1942), prof. Laufberger (1890-1986), Prof. Vladimír Janda (1900-1979), Prof. Janda (-1996) – brněnská škola [USEMAP] Literatura: Berger, J. a kol.: Fyziologie živočichů a člověka. Tobiáš Havl.Brod 1995. Jánský, L., Novotný, I.: Fyziologie živočichů a člověka. Avicenum Pha, 1981. Hruška, M.: Fyziologie živočichů a člověka pro učitele I a II. Gaudeamus Hradec Králové, 1994. http://biologie-psjg-hkuhk.webnode.cz/news/hrujska-m-fyziologie-zivocichu-a-cloveka-i-a-ii-dil-verz e-2009/ http://biologie-psjg-hk-uhk.webnode.cz/news/fyziologie-zivocichu-a-cloveka-i-dil-verze-2012- Campbell, N. A., Reece, J. B.: Biologie. 2006. Petrásek, R., Šimek, V., Janda, V., Fyziologie adaptací u živočichů a člověka. Brno, MU 1992. Rajchard, J.: Základy ekologické fyziologie obratlovců. České Budějovice, JčU1999. Reece, W.O.: Fyziologie domácích zvířat. 1998. Rosypal S. a kol.: Nový přehled biologie. Scientia, 2003. Šimek, V., Petrásek, R.: Fyziologie živočichů a člověka. PřF MU Brno 1996. Trojan a kol., Lékařská fyziologie, Grada 1995/6 nebo 2000. Vácha, M. a kol.: Srovnávací fyziologie živočichů. Brno, MU (2008) 2010. http://www.sci.muni.cz/ksfz/vyuka.html [USEMAP] LÁTKOVÉ SLOŽENÍ ORGANISMŮ Prvky v jednoduché formě, jednoduchých, ale i složitých sloučeninách. Biogenní prvky – tj. prvky obsažené v živé hmotě – asi 60 A.1. Prvky ve větších množstvích: O – 65 %, C – 21 %, H – 10 %, N – 3 %, Ca – 2%, P – 1 % 2. P. v malých množstvích: Cl, F, S, K, Na, Mg, (Al) 3. P. v nepatrných množstvích: Fe,Cu,Si,Mn,Zn,Br (B,Sr,Ti,Ba,F,Rb,Se,Mo,I,Hg,Ra) 4. P. ve stopách: As,Li,Pb,Sn,Co,Ni B. Makroelementy (10 – 10-2) (po Fe) Mikroelementy (10-3 – 10-5) (po I) Ultramikroelmenty (<10-5) (Hg, Ra a další) [USEMAP] C. I. Invariabilní (ve všech živých organismech) a) makrobiogenní (1-60%) O,C,H,N,Ca,P b) oligobiogenní (0,05-1%) Mg,S,Cl,Na,K,Fe c) mikrobiogenní (<0,05%) Cu,Co,Zn,Mn,F,I,Mo II. Variabilní (jen u některých skupin) a) mikroprvky Br,Si,B b) stopové prvky Li,As D. Stálé prvky prvotní (1-60%) O,C,H,P (nepostradatelné) " " druhotné K,Na,Mg,Ca,Fe,S,Cl " " mikrosložky (<0,05%) Cu,Mn,B,Si,F,I (ve všech form.) Nestálé prvky druhotné (jen u některých, i více) Zn,Ti,V,Br " mikrosložky (jen u některých) Li,Rb,Cs,Ag,Be,Sr,Ba, Cd,Al,Ge,Sn,Pb,As,Cr,Mo,Co,Ni Kontaminující He,Ar,Hg,Tl,Bi,Se,Au [USEMAP] Tab. 1: Průměrné prvkové složení těl suchozemských živočichů Prvek % Prvek % Prvek % Prvek % O C H 70 18 10 Ca N K Si P Mg S Cl Na Al Fe 5 . 10-1 3 3 1,5 7 . 10-2 5 4 2 2 2 2 Mn B Sr Ti Zn Li Cu Ba 7 . 10-3 1 1 8 . 10-4 3 1 1 1 F Br Rb Se Ni As Mo Co I Hg Ra 8 . 10-5 8 5 5 3 3 2 1 1 1 . 10-7 1 . 10-12 [USEMAP] Tab. 2: Průměrné prvkové složení lidského organismu Prvek % Prvek % Prvek % Prvek % O C H N Ca 65 18 10 3 1,6-2,2 P K S Cl Na Mg Fe 0,8–1,1 3,5.10-1 2,5 1,5 1,5 5 . 10-2 4 . 10-3 Mn Cu I Co 3.10-4 1,5 4.10-5 4 Zn F Ni stopy “ “ [USEMAP] Funkce: OCHN – nepostradatelné O oxidace, C řetězení, H energetické hospodaření, N složka bílkovin Ca – regulátor enzymatické aktivity, metabolismus kostí P – přenašeč energie, metabolismus cukrů Cl – chloridy v tekutinách F – zpevňující opornou soustavu S – bílkoviny K – vnitrobuněčná tekutina Na – mimobuněčná tekutina Mg – nervosvalová dráždivost Fe – oxidační děje – dýchací barvivo Cu – enzymy, dýchací barvivo I – jodované tyroziny pro metabolismus Br – inhibitor nervových procesů Mn – aktivátor enzymů Zn – inhibitor nukleotidáz Co – krvetvorba, B12 [USEMAP] polár voda polár voda Voda Základní substrát v živé hmotě. Největší část těla organismů. a) Fylogenetickým vývojem se obsah vody snižuje b) Aktivní tkáně s větším obsahem vody c) Ontogenetickým vývojem se obsah vody snižuje [USEMAP] Tab. 3: Podíl vody v některých živočišných organismech Organismus Obsah vody (%) Chobotnice Trepka Dešťovka Pstruh Skokan Rak Myš Až 99 90 88 84 80 74 67 Člověk 60 – 70(80) [USEMAP] Tab. 4: Obsah vody v orgánech, tkáních a tělesných tekutinách dospělého člověka Orgán, tkáň, tekutina Obsah vody (%) Tuk Kosti Játra Kůže Mozek – bílá hmota Mozek – šedá hmota Svaly Srdce Vazivo Plíce Ledviny Krev Krevní plazma Žluč Mléko Moč Slina Pot 25 – 30 16 – 46 70 72 70 84 76 79 60 – 80 79 82 83 92 86 89 95 99,4 99,5 [USEMAP] Funkce vody: 1. Rozpouštědlo, ionizace solí, zásad, kyselin, osmotické jevy 2. Disperzní fáze pro koloidy (bílkoviny, glykogén) 3. Reakce prostředí (koncentrace H+ a OH- iontů) 4. Termoregulace živočichů Přísun vody x ztráty vody voda přesun Voda Člověk 70 kg (42 kg vody) denní ztráty: 1 500 ml moč 150 ml stolice 900 ml výpar Doplňování: potrava 800 (– ) ml nápoje 950 (– ) ml metabolická voda 250 ml [USEMAP] Anorganické látky (soli) a) rozpustné b) nerozpustné Organické látky Základ: řetězce atomů C (otevřené, cyklické) Uhlovodíky – C a H, nepolární látky, nerozpustné ve vodě, rozpustné v organických rozpouštědlech Polarita funkčních skupin – většina organických látek jedna a více funkčních skupin s polárními vlastnostmi (tj. schopnost tvorby vodíkových vazeb) nebo elektrolyticky disociovat. [USEMAP] SACHARIDY Výsledek obrázku pro sacharidy Výsledek obrázku pro sacharidy [USEMAP] Charakteristika sacharidů [USEMAP] Výsledek obrázku pro antibiotika Význam sacharidů •Sacharidy, tuky a bílkoviny = hlavní živiny (50-55%), •Ženy 250-300 g, muži 280-310 g •Stavební materiál (tunicin, celulóza) •Příjem z potravy (Alternativně je může organismus získat látkovou přeměnou aminokyselin (z proteinů) či glycerolu (z lipidů).) •Energetický zdroj - krátkodobá zásobárna energie (škrob, inulin…) (monosacharidy, disacharidy) •Součást nukleotidů a nukleosidů (struktura DNA) •Součást fyziologicky významných látek (koenzymy, hormony, antibiotika) • jsou složkou ostatních složitějších látek – nukleových kyselin, hormonů • Výsledek obrázku pro dna dvouÅ¡roubovice Výsledek obrázku pro celuloza [USEMAP] Výsledek obrázku pro dÄ›lenà sacharidů cyklické necyklické aldózy (CHO) ketózy (R-CO-R) jedna cukerná! jednotka Dle počtu C tvoří 2 - 10 monosacharidových pod jednotek (významné DISACHARIDY) jsou složeny z deseti, stovek až tisíců cukerných jednotek. Čím delší řetězec, tím pomalejší je uvolňování glukózy [USEMAP] •Monosacharidy – tvořeny jednou cukernou jednotkou • glukóza („hroznový cukr“), fruktóza („ovocný cukr“) , galaktóza •Oligosacharidy – tvořeny 2 až 10 cukernými jednotkami –Sacharóza („řepný cukr“) – fruktóza + glukóza –Maltóza („sladový cukr“) – 2 molekuly glukózy –Laktóza („mléčný cukr“) – glukóza + galaktóza •Polysacharidy – tvořeny více než 10 cukernými jednotkami –Škrob (nejdůležitější produkt metabolismu rostlin), glykogen (rezervní látka u živočichů), inulin (u hvězdnicovitých nahrazuje škrob), celulóza (tvoří větší část rostlinné tkáně, zvířata mají speciální bakterie k trávení), chitin (tvoří exoskelet členovců, buněčnou stěnu hub a řas, heparin (zabraňuje srážení krve) [USEMAP] Zajímavost: •Vláknina: směs nestravitelných (nebo jen částečně stravitelných) polysacharidů – lepší trávení, předcházení diabetu, či rakoviny tlustého střeva, probiotika •Glykemický index (GI) je údaj, který vyjadřuje s jakou rychlostí po požití konkrétní potraviny vzrůstá hladina krevního cukru. Potraviny s nižší hodnotou GI zvyšují glykémii pozvolněji, což je výhodné především při diabetu, nadváze, ale i při prevenci a léčbě kardiovaskulárních onemocnění. Po zkonzumování potraviny či jídla s nižším GI dochází následně v další fázi i k pomalejšímu poklesu krevního cukru, čímž klesá riziko hypoglykémie a předčasného nástupu pocitu . U potravin nad 70 GI pocit sytosti zůstává pouze na malou chvíli, poté máme hlad. (Vysoký GI je nad 70) •Glykémie: koncentrace glukózy v krvi (rozmezí hodnot 3,9–5,6 mmol/l nalačno a po jídle nižší než 10 mmol/l). Pokles glykémie pod hodnotu 3,2 mmol/l se označuje jako hypoglykémie. Glykémie zvýšená nad referenční rozmezí se označuje jako hyperglykémie a je základním projevem diabetes mellitus Smažené hranolky 86 Chléb pšeničný bílý 70-80 Celozrnný chléb 56 Sojové boby v konzervě 18 Čokoláda hořká 70 % kakaa 22 (mléčná 56) Kaše ovesná 48 Hroznové víno 56 Meruňky sušené 35 Rýže bílá 64 Glukóza 100 Fruktóza 20 Med 90 Mezi potraviny s nízkým glykemickým indexem (GI < 50) patří zelenina, houby, luštěniny, ořechy, nesladké mléčné výrobky, většina druhů ovoce. Střední hodnotu glykemického indexu (GI 50–70) vykazuje celozrnné pečivo, těstoviny, rýže, ovesné vločky, sladké ovoce (banány, hroznové víno, sušené ovoce), müsli tyčinky. [USEMAP] Cukry – sacharidy Přirozené organické látky, většinou rostlinného původu. Odvozeny z polyalkoholů dehydrogenací jedné alkoholické (hydroxylové –OH) skupiny v karboxylovou (=O). Chemické vlastnosti v důsledku mnoha –OH polárních hydroxylových skupin. Triózy až heptózy, aminocukry. Monosacharidy, disacharidy, polysacharidy. Jednoduché cukry (glycidy) – –OH na každém C + aldehydická nebo ketonická skupina. Tato tvoří s –OH na vzdálenějším konci poloacetalovou vazbu – vzniká 5-i (6-i)členný cyklus s O. Místo původní karbox(n)ylové skupiny poloacetalový hydroxyl. cukry-glykosidy Chemické vlastnosti [USEMAP] celul celul Molekula glukózy poloacetal Složité cukry - kondenzace minimálně 2 a více molekul prostřednictvím reaktivního hydroxylu Složené cukry – s necukernou složkou Pohotovostní zdroj energie, málo stavební látky. Příklady živočišných cukrů: glukóza, galaktóza (laktóza), glukózamin (►chitin), glykogen, heparin. Glykosidy – kondenzace s necukernou složkou (aglykonem). Nestálost glykosidické vazby (v kyselém prostředí, enzymatické štěpení …) i glukázami Oxidace na posledním C – karboxylové kyseliny – s vysokou polaritou –COOH Monokarboxylové kyseliny – slabé, soli hydrolyzovány, malé rovnovážné množství nedisociovaných molekul. Di- a trikarboxylové kyseliny polárnější, v neutrálním roztoku se jako nedisociované nevyskytují. [USEMAP] Kyselina glukuronová svojí vazbou na málo polární látky zvyšuje jejich rozpustnost ve vodě, a tím vylučovatelnost. [USEMAP] Bílkoviny [USEMAP] Co jsou bílkoviny? •Bílkoviny = proteiny ●Biopolymery, peptidy ze zbytků aminokyselin (Ak). Jejich vazba (peptidická v.) je spojení aminoskupiny (NH2) a karboxylové skupiny (–COOH) tj. (–NH–COO –). Řetězením ztrácí tyto funkční skupiny význam a uplatňují se postranní řetězce s různými funkčními skupinami. ●21 aminokyselin (čím více jich bílkovina má tím lépe) ●Esenciální NEUMÍ VYTVOŘIT (valin, Lucin, isoleucin) ●Semiesenciální DOKÁŽEME SYNTETIZOVAT (arginin, histidin, tyrosin) ●Neesenciální UMÍ VYTVOŘIT (lycin, alanin, arginin, histidin) ● ●oligopeptidy (obsahují 2 – 10 aminokyselin) ●polypeptidy (obsahují 11 – 100 aminokyselin) ●bílkoviny - proteiny (více než 100 aminokyselin) ●stavební kámen všech buněk (adrenalin, serotonin, kreatin, karnitin, hormony štítné žlázy…) ●molekuly v trávicím ústrojí rozloženy na aminokyseliny, trvá poměrně dlouho ●obsahující uhlík (C), vodík (H), kyslík (O) a dusík (N) ●znalosti díky Fischerovi a Paulingovi ●Stejně jako u polysacharidů jsou bílkoviny nepolární. • • [USEMAP] Rozdělení bílkovin •Dle složení: ★jednoduché - obsahují pouze C, O, H, N (skleroproteiny a sféroproteiny) ★složené - obsahují i nebílkovinnou část (S, P, kovy) např. hemoglobin, lipoprotein, metaloprotein [USEMAP] Struktura vytváří dlouhé řetězce, spojeny peptidovou vazbou [USEMAP] bílk strukt [USEMAP] Koncové skupiny u peptidového řetězce [USEMAP] Aminokyseliny – proteiny – bílkoviny 1 Ak (20) → oligopeptidy (<10 Ak-zbytků) → polypeptidy (10 – 100 Ak-zbytků) → makropeptidy = bílkoviny (>100 Ak-zbytků). Stejně jako u polysacharidů jsou bílkoviny nepolární. peptid vazba Protaminy (bazické polypeptidy s mnoho argininem v mlíčí). Peptidové hormony hypofýzy (ocytocin a vasopresin), slinivky břišní (insulin, glukagon). Antibiotika a jedy (penicilin aj., faloidin, amanitin) peptid [USEMAP] Akj ednodu Ak obec Ak kys Ak aromat [USEMAP] Ak vzorce Ak nekód Esenciální aminokyseliny: arginin, izoleucin, leucin, lyzin, metionin, treonin, tryptofan, tyrozin, valin [USEMAP] Jaká je funkce bílkovin v těle? •stavební -keratin (vlasy, nehty) -kolagen (kosti, šlachy, chrupavky) • •transportní a skladovací -hemoglobin •pohybová - aktin, myosin •řídící - enzymy •obranná - fibrin... •(energetická) • [USEMAP] •1 g bílkovin 14 kJ energie • •Čerpání energie z bílkovin není pro tělo výhodné! [USEMAP] Jaké jsou zdroje bílkovin? •ŽIVOČIŠNÉ -vejce (3 - 4 x týdně) -maso (libové) -mléčné výrobky (2 - 4 porce denně) -ryby (2 x týdně) • [USEMAP] •ROSTLINNÉ -luštěniny (soja) -ořechy -semena -obiloviny • • [USEMAP] •Nedostatek = zastavení růstu •pomalé hojení ran •narušení obranyschopnosti •poškození orgánů •Přebytek = zvýšení tlaku krve, • neadekvátní zatížení jater a ledvin (kyselina močová v krvi = DNA) [USEMAP] Aminokyseliny nepolární alanin valin isoleuci leucin fenylala tryptofa methioni prolin [USEMAP] Aminokyseliny polární glycin threonin serin tyrosin asparagi glutamin cystein [USEMAP] Aminokyseliny kyselé kysgluta kysaspar 2 skupiny COOH [USEMAP] Aminokyseliny bazické lysin arginin histidin 2 skupiny NH2 [USEMAP] Další dusíkaté látky Alkaloidy – dusíkaté rostlinné sloučeniny většinou toxické pro živočichy. Meziprodukt vzniku nikotinu tabáku amid kyseliny nikotinové (vitamin řady B) je složkou koenzymů NAD (nikotinamid-adenin-dinukleotid) a NADP (n…fosfát) pro přenos vodíku v buňce alkaloidy nukletid kompl nukleoti Nukleotidy – trojsložková makroergní sloučenina (viz dál): ● N-cyklická báze ● pentóza (ribóza nebo deoxyribóza) ● kyselina hydrofosforečná (mono až tri) [USEMAP] Nepolární látky Zmíněné uhlovodíky – hlavně rostlinného původu. Odvozeny od izoprenu (2-metylbutadienu) Izoprenoidy vznikají kondenzací nejméně dvou pětiuhlíkatých jednotek – viz limonen z citrusů. Patří sem i karotenoidy (žlutá a červená barviva rostlin), významné i pro živočichy jako vitamin A. Od izoprenoidů odvozujeme i málo polární steroly. Živočišný cholesterol se vyskytuje v membránách. Odvozují se od něj živočišné steroidní hormony, žlučové kyseliny i vitamin D. Uh karot cholest Uh [USEMAP]