SROVNÁVACÍ FYZIOLOGIE OBRATLOVCŮ (Podpořeno FRVŠ 1555/2009) E-mail: jipa@sci.muni.cz Tel: 532 146 223 Vnejsi prostredí: atmosféra procentuální zastoupení jednotlivých plynů barometrický tlak (poměrný tlak jednotlivých plynuje konstantní) teplota, záření voda salinita (osmomolarita), iontové složení, Na+, Cľ, Ca2+, Mg2+, S042_ obsah rozpuštěných plynů, zejména 02 a C02 + H20 <-> H+ + HCO3-(voda je přirozeně slabě alkalická, je však pufrovaná H+ ionty za vzniku HCO3) teplota hydrostatický tlak koncentrace molekul => koncentrační gradienty, rychlost chem. reakcí teplota => rychlost chemických reakcí a tekutost lipidů (stabilita membrán) tlak => mechanický stres proudění ~ tepelná i látková výměna záření ~ chemické reakce Vnitřní prostředí: Extracelulární (mezibuněnčné) x Intracelulární (uvnitř buněk) Všichni obratlovci aktivně (dynamická rovnováha) regulují parametry svého vnitřního prostředí a zachovávají ho tak prakticky konstantní. Toto udržování stabilního vnitřního prostředí se nazývá homeostáza. Nejpozději vyvinutí živočichové, jako jsou savci a ptáci, regulují homeostázi nejdokonaleji (nejkomplikovaněji). Homeostáza nemusí být ale přesně regulována pouze fyziologickými mechanismy, ale i vnějším prostředím. Např. některé ryby žijící v ledovém oceánu antarktidy mají stejnou teplotu těla jako okolní voda (-1,9 oC). Jak teplota vody, tak jejich těl se nemění v průběhu roku o více jak 1 oC, což je srovnatelné či i méně než teplota lidského těla v průběhu dne. Zachovat stabilní všechny parametry nemusí být u různých druhů stejně důležité, např. teplota. Vedle homeostáze existuje ještě enantiostasis, což je stav kdy je určitá funkce zachována změnou několika fyziologických proměných. Enantiostasis zachování metabolických a fyziologických funkcí při změně vnějších podmínek Příklad enantiostasis - přenos kyslíku u Callinectes sapidus Někteří krabi při přenosu z mořské vody do brakické sníží koncentraci iontů a osmotický tlak svých tělních tekutin, tím se zvýšení hladiny amoniaku a tím pádem i pH jeho hemolymfy. A ačkoliv za nízké koncentrace solí v hemolymfě jejich respirační barvivo (hemocyanin) má nižší afinitu ke kyslíku, tak vyši pH tuto afinitu zvyšuje a celkově tak zůstane úroveň transportu kyslíku hemolymfou během přenosu z mořské vody do brakické nezměněna. pH hemolymfy koncentrace iontů v hemolymfě (~osmotický tlak) závisí na koncentraci iontů ve vnějším prostředí -> výsledkem jsou možnosti fyziologické adaptace, rozsah (plasticita) tolerance a rezistence -> cílem pak přežít a mít potomky (fitness) -> jednotlivé vlastnosti nemusí vždy vypadat jako nejlepší řešení, je třeba zachovat jejich celkovou souhru -> všichni obratlovci jsou relativně velcí živočichové (v dospělosti > 10g), z toho plyne i jejich značná strukturní složitost a nutnost kvalitního řízení - neuroendokrinní systém s centrální jednotkou (integrace vnějších a vnitřních signálů) Convergence tvarů u obratlovců Užívané předpony poikilo - veličina se mění homeo -, veličina se nemění Př. s tělní teplotou: V obou případech se může uplatňovat jak regulace (aktivně řízeno organismem), tak přizpůsobení vnějšímu prostředí. Člověk je homeotermní s termoregulací, ryby antarktických vod jsou homeotermní přizpůsobením se danému prostředí. Tyto předpony tedy nevypovídají o fyziologické regulaci dané veličiny. Člověk je však endotermní a většina ryb ektotermní. ekto -, vnější ento -, vnitřní eury -, široká míra tolerance pro danou veličinu stěno -, úzká míra tolerance pro danou veličinu Tolerance x Rezistence tolerance - rozpětí parametrů prostředí, kdy organismus přežívá rezistence - rozpětí parametru prostředí mezi dolní a horní hranicí tolerance a okamžitou smrtí jedince Zůneúf Resistance Zfliie of' I ■_ I kl I I L Lower critical temperature Upper critics t temperature Zone of K'.^^[.:IKl- I. J. 10 I 5 Wut er TempcíJturu i"*C) Př.: Tolerance a rezistence pstruha na teplotu vody Fyziologická adaptace - aklimatizace (+ akiimace) zace - posunutí hranic tolerance, např. v důsledku sezóních změn latizace V kontrolovaných laboratorních podmínkách (často změna jen jednoho parametru) Př.: Polygon teplotní tolerance pstruha aklimovaného na různou teplotu v rozsahu 0-24°C. 22- B 20 f w 11Ď = 1 12 ■í 8 12 Ir 20 Acclimation TcmpL-mture ("O Srovnání počtu druhů u jednotlivých živočišných skupin (v tisících) Obratlovci - 3,7% Bezobratlí -96,3% Členovci - 86% 2. ENERGETIKA & METABOLIZMUS - soustavný tok energie, zajišťující dostatek univerzálního energetického přenašeče a donoru - ATP využívaném v celkovém metabolismu => zajištění membránových gradientů (Na+/K+, Ca2+ pumpy), pohybu, metabolismu proteinů, sacharidů, lipidů,____+ produkce tepla - část chemické energie je uchovávána také v ADP, AMP a creatin fosfátu - metabolismus všech obratlovců je závislý na kyslíku a chemické energii získané oxidací vhodných substrátů - aerobní metabolismus. Aerobním metabolismem je vytvářeno 95 % ATP (mitochondrié) Anaerobní metabolismu tvoří jen 5% ATP (v cytoplasmě buněk) GLYKOLÝZA (Embden-Meyerhofova dráha) ♦> substrát glukóza ❖ produkt pyruvát ~> laktát ♦> laktát inhibuje glykolýzu ♦> nespotřebovává se kyslík => anaerobní proces neprodukuje se C02 one molecule of glucose fructose 1,6-bisphosphate ES3—j (p>OHaC STEF 2 STEP 3 CHjO® two molecules of glyceraldehyde 3-phosphate H CHO I CHOH ( I !,[]© STEP & STÍPJ S-L,: 9 ETEP 10 (MO I CHOH EE 1-° two molecules of pyruvate TOO I C—o I energy investment to be recouped later cleavage of six-carbon sugar to two three-carbon sugars energy generation Ixglukóza + 2xATP => 2xpyruvát (laktát) + 4xATP + 2xNADH + 2xH+ (-2x NADH + 2x H+) Pyruvate k [Írom glycolysis, 2 molecules per glucose) Occ^ CoA N AD H ^ NADHl^ + H* Ac et v I Co A" CoA (JKJ \ ADP + P, + 3 H+ /ATP\ Krebsúv (citrátovv) cvklus 1xATP + 3xNADH + IxFADH Of Oxaloacetate Ma late Citrate KREBS CYCLE Fumarate CqA—SH CoA— SH Isocitrate a-KetocjIutarate Succinate GTP GDP Succinyl A f CoA Krebs. cyklus => dostatek NADH a FADH pro tvorbu protonového gradientu v mitochondriích jako pohonu ATPsyntáz ElecUon transport chain releases energy that is used to pump H* ions iicross t"0 inner mcmbrtnnn H+ ions Electron transport chain 0 Tne H' ions flow back through an ATP synthase, causing it to spin. H,0 Q Oxygen combines with electrons and H' ions, forming water, 0 The ATP synthase generates ATP from ADR Proteins Carbohydrates Amino acids 2 Fats V7 Glycerol Fatty rn acids GLYCOLYSIS Glucose Glycaraldehydc-3-^) * Pyruvate Acet yl CoA Schéma zapojení proteinů a lipidů v jednotlivých krocích energetického metabolismu ELECTRON TRANSPORT CHAIN AND OXIDATIVE PHOSPHORYLATION Copyright <0 Pe^rstm Education inc., publishing as Benjamin Cummings. Lipidy jako substrát pro energetický metabolismus fkolýza Aminokyseliny (proteiny) jako substrát pro energetický metabolismus Tyrosine \ Phenylalanine Succinyl-CoA cť-ketoglutarate / t T Methionine Valine Tlireonine Isoleucine Glutamate H ist i dine t iliita mine C Proline C, Urea Arginine Intermediates Products ATP ALANINE Pyruvate CO; 18 NADH/H 3 NH, 4 urea 2 TRYPTOPHAN Alanine l-ormatc Q Acelyl-CoA CO,. 4 urea 19 NH, CO, 30 4 urea 2 47 CYSTEINE sol 1 Pyruvale CO; IS NH, 4 urea _ 2 ~ľ7 MEAT PROTEIN Amino acids 4.11 CO; 0.70 urea 0.034 SO5- 22.2 ANAEROBNÍ METABOLIZMUS Nedostatek kyslíku: hvpoxie —> anoxie (nejen nedostatek v prostředí, ale i v tkáních např. v důsledku větší spotřeby kyslíku při zvýšené námaze) => alternativní metabolické dráhy Samotná glykolýza je nejvýznamnější dráha anaerobní syntézy ATP u obratlovců - neodbouraný pyruvát je snadno přeměněn na laktát, vysoká koncentrace laktátu způsobuje akumulaci pyruvátu a tím zastavení glykolýzy. => pro co největší využití nutná schopnost odbourat laktát nebo zvýšit rezistenci k jeho vysoké koncentraci Obratlovci obecně malé možnosti ve využití anaerobních metabolických drah pro celkovou produkci energie (nejlépe vyvinuto pravděpodobně u ryb) A. U některých ryb (kaprovití) prokázána schopnost metabolizovat acetyl-CoA na acetát-> acetaldehyd -> etanol c í >: pyruvate + CoA -£* acetyl-CoA V AW ATP ^-acetate + CoA acetate thiokinaze CH, c=o o- acetaldehyde dehydrogenuso acetate—..- —> acetaldehyde + H20 NADH/H ' NAD* CH, c=o o » ethanol NADH/H 4 NAD* CH, CHOH H Obraty klíčových látek anaerobní glykolýzy v tkáních karase Vnitřní 11 Vnější prostředí prostředí B. Různé koncové metabolitv lipidy - succinát - lipidy (elongace acetylCoA) - amoniak (deaminace aminokyselin ve spřažených reakcích) R-NH2 + NAPH+ + H20 -> R-OH + NADPH/H+ + NH3*) *) Vázáno na možnost vyloučit amoniak do vnějšího (vodního) prostředí. C. Variabilita koncentrace enzvmů qlvkotvzv a Krebsova cvklu a rezistence ke zvýšené koncentraci laktátu v červených a bílých svalových fibrilách. Arapaima x tuňák (Euthynnus) Anaerobní pyruvát kináza 103 Lactát dehydrogenáza 260 1295 5492 Aerobní citrát syntéza 1,7 malát dehydrogenáza 140 glutamát dehydrogenáza 1,3 glutamát-oxaloacetát transamináza 11,2 jednotky enzymové aktivity 2,1 718 3,0 / pomalá - převažují menší tmavé fibrily s množstvím mitochondrií a myoglobinu - vytrvalost a stabilita bílá svalovina / rychlá - převažují větší bílé fibrily s menším množstvím mitochondrií a myoglobinu - rychlé kontrakce - vysoká ATPasová a glykolytická aktivita ale malé zásoby a rychle se unaví Změny v koncentraci metabolitů v a bílé svalovine po nástupu svalové aktivity tuňáka (|liM na g živé váhy) Kreatin fosfát ATP -12,90 -2,60 Glykogen -22,80 Glukóza Glukóza-6-fosfát Fruktóza-6-fosfát Fruktóza-1,6-fosfát Di(OH)acetonfosfát Glyceraldehyd-3-fosfát +2,01 +2,30 -0,45 -0,34 -0,02 -0,01 Citrát a-Ketoglutarát Malát Laktát +70,95 Periferní tkáně s menším prokrvením a nižším krevním tlakem, (např. bílá svalovina) produkují zejména laktát, ten pak difunduje do tkání s větším prokrvením a tím i snadnější dostupností kyslíku (např. játra, červená a srdeční svalovina) kde je dále oxidován na další anaerobní produkty jako je etanol nebo mastné kyseliny. Předpokládá se, že v játrech jsou tyto pochody navíc spřaženy a anaerobním metabolismem aminokyselin. Ostatní obratlovci (obojživelníci, plazi, ptáci a savci) jsou odkázáni prakticky pouze na energii z glykolýzy. Jiné koncové produkty než laktát (např. sukcinát, alanin, etanol) se objevují jen v minimální míře. Schéma metabolismu substrátů na koncové produkty v průběhu anaerobního metabolismu výších obratlovců Změny v zastoupení jednotlivých metabolitů v krvi tuleně (jaM) před a po potopení před potopením po potopení změna As parta t 96 73 -23 oc-Ketoglutarát 200 110 -90 Succinát 40 280 +2401 Alanin 300 650 +350 Laktát 90 000 160 000 +70 000 © www.arctfcphoto.co.uk U těchto ploutvonožců bylo také zjištěno využívání metabolismus aminokyselin k zisku energie, odhaduje se však že jeho energetický přínos představuje 1-2% energie získané anaerobně, většina energie je získána z glykolýzy. Koncentrace laktátu Zisk ATP tuleň v krvi (mM) Navýšení ATP + NADH / normál potopení/ aerobní práh koncentrace laktátu (mM) ATP člověk tuleň 90 160 1.8x 70 + 70 11.5x člověk 2 8 4.0x 6 + 6 Srovnání hladin laktátu v jednotlivých tkáních, zásob glykogenu a pH krve u neaktivní a vysílené žáby (Xenopus laevis) neaktivní vysílená Jaterní glykogen (g%) 10,4 9,3 Svalový glykogen (Gastrocnemius, g%) 1,8 0,7 Celkový laktát (mg%) 11 213 Laktát v krvi (mg%) 42 177 Laktát v játrech (mg%) 29 144 Laktát ve svalu (Gastrocnemius, mg%) 98 289 pH krve 7,62 6,89 Někteří obojživelníci a plazi dlouhodobě snášejí hypoxii / anoxii, což je dáno velkou tolerancí k vysokým koncentracím laktátu v tkáni, a to zejména tolerancí k narušení acidobasické rovnováhy, která vede až k uvolňování Ca2+ iontů z kostí do plasmy. Želva (Chrysemyš) ponořená 180 dní do vody sycené N2. normoxie anoxie laktát v krvi Ca2+ v plasmě -50m M 4mM >200mM >120mM Až 2/3 Ca2+ jsou vázány na laktát. Předpokládá se, že takto vysoká koncentrace Ca2+ v plasmě ovlivňuje i přenos nervového vzruchu a regulaci kontrakce svaloviny (U této želvy in vitro prokázáno, že zvýšení hladiny Ca2+ zvyšuje srdeční kontrakci). SHRNUTÍ Univerzálním donorem energie v živém systému je molekula ATP. Pro obratlovce je prakticky jediným významným zdrojem energie (ATP) za anearobních podmínek glykolýza. Limitujícím faktorem pro její plné využití je hromadění laktátu, který a) inhibuie vlastní glvkolvzu => STOP produkce ATP b) narušuje acidobasickou rovnováhu organismu. Laktát se akumuluje při svalové práci (nedostatečně rychlý přísun kyslíku) a nebo během hypoxie a anoxie. K odbourání laktátu jsou pak nutné aerobní podmínky, kromě svaloviny je velká část laktátu odbourává a nebo přeměňuje zpět na glukózu (Coriho cyklus) v játrech a vrací se krevním oběhem zpět do mozku a svalů. U člověka je hladina laktátu v krvi relativně stabilní až do 70% pracovní zátěže (anaerobní / hyperlaktemický práh (threshold)), se zvyšující zátěží se pak hladina laktátu lineárně zvyšuje. U homoiotermních regulátorů (savci, ptáci), je tento zisk z hlediska jejich energetické bilance celkově nedostatečný a uplatňuje se zejména krátkodobě při svalové práci. Srovnání klidové spotřeby kyslíku, produkce laktátu při aktivitě a čas potřebný k jeho odbourání mlok potkan Aerobní metabolismus ml 02 za hodinu 3,9 120 mmoly ATP za hodinu 1,09(3,58) 33,6 (3,57) Anaerobní metabolismu akumulovaný laktát (mg) 153 90 ATP z laktátu (mmoly) 2,6(58,85) 1,5(60,00) Aerobní odbourání laktátu ATP z odbouraného laktátu (mmoly) 30,6 18 potřebný čas (minuty) 1680 32 Produkce ATP jak při aerobním tak anaerobním metabolismu je relativně stejná jak u mloka tak potkana, mlok ale více toleruje laktát a tak si může dovolit vytvořit více ATP v anaerobní fázi glykolýzy. Srovnání spotřeby 02 (intenzita metabolismu) a velikosti těla u různých skupin organismů 3 hlavní kategorie organismů - jednobuněnční, mnohobuněnční ektotermové a endotermové - Metabolismus je úměrný celkovému povrchu buněk (skok z jednobuněčných k mnohobuněčným organismům) Např. Rubnerův povrchový zákon se zvětšováním povrchu u homoiotermních regulátorů se zvětšuje i jejich metabolismus I bacteria: 2 fungi, 3 I flagellates, 4 ciliates, 5 rhizopods, 6 nematodes, 7 I I microcrustaceans, 8 acari, 9 collembolans, 10 I isoptcran larvae, II enchytraeids, 12 coleopteran I I larvae. 13 isopteran adults. 14 formicid workers. I I 15 lumbricid cocoons, 16 phalangiids, 17 diplo-I pods. 18 araneans. 19 isopods. 20 mollusks. 21 I coleopteran adults, 22 lumbricid adults, 23 mac-I rocrustaceans, 24 fish, 25 reptiles, 26 small mam- I I mals, 27 chiropterans, 28 birds, 29 primitive I mammals, and 30 large mammals. Data for uni-I cells are corrected to 10° C, and data for endo-I thermic animals are corrected to 39° C. Model zvětšení povrchů pro stejnou velikost jednobuněčného x mnohobuněčného organismu jednobuněční (1m, pro krychli) povrch - 6m2 (6x1x1) mnohobuněční (1m, pro krychli, 1000 buněk) povrch - 60m2 (1000 x (6 x 0,1 x 0,1)) => ~ 10x (9,8x) vetší metabolismus Proporce mezi spotřebou kyslíku, velikostí těla a plochou mitochondriálních membrán pro různé tkáně (plíce, mozek, srdce, ledviny, játra, kosterní svaly) u savců. lujících s intenzitou metabolizmu . I při podobné morfologii Cl O 0.01 0.001 Total mitochondrial membrane surface area Lung (1%) Brain (1%) • Heart (3%) 'Kidney (5%) ' Liver (8%) c n Š 2. 40 10 Lung Brain Heart (18%) Kidney (25%) Liver (44%) Visceral mitochondrial membrane surface area _I_I_ 100 1000 in 10 g 2.5 Srovnání tělní teploty, velikosti orgánů, standardního / basálního metabolismu celkového a jater, a náročnosti jaterního Na+ transportu u ještěrky (A nuchalis) a myši (M. musculus)._ ještěrka myš poměr myš/ještěrká hmotnost těla (g) 34,3 32,1 1,1 teplota" teja (°C) 37,0 36,8 1,0 velikost jater (% celkem) 10,7 20,7 1,9 velikost ledvin (% celkem) 1,9 5,9 3,1 velikost srdce (% celkem) 1,1 2,8 2,5 velikost mozku (% celkem) 1,7 5,5 3,3 V02 (ml 02 / g h) celkem 0,2 1,62 8,1 játra (in vitro, per gram) 0,9 4,59 5,1 Na+ transport (in vitro, per gram) 0,22 1,97 9,0 objem mitochondrií (%) 12,4 16,0 1,3 mitochondriální povrchy total (m2) 3,4 10,2 3,0 cristae (m2/g) 15,5 22,9 1,5 vnitřek (m2/g) 0,79 1,34 1,7 cytochrom oxidáza 11,2 30,0 2,7 (nmol 02 /mg min) Celkově je intenzita metabolizmu lineárně úměrná velikosti organismu Pro konstitutivně endotermní organismy jsou ~1.5 - 2g pravděpodobně mezní hmotností pro zachování homeostáze (netopýrek thajský, bělozubka nejmenší a kolibřík (Mellisuga helenae)). Intenzita bazálního a standardního metabolismu u ekto-a endotermních obratlovců watt/ kg Savci ježura Zaglossus ježura Tachyglossus ptakopysk Ornithorhynchus Edentata Marsupialia Insectivora (primitivní) zlatokrt bělozubky rejsci Ptáci nelétaví/běžci ptáci obecně pěvci Plazi želvy ještěři hadi krokodýli Obojživelníci beznozí (červoři) mloci bezplicí mloci žáby normální normální metabolizmus teplota (°C) metabolismus při 38 °C (korekce) 3,34 0,86 0,98 2,21 1,69 2,37 2,76 2,86 6,7 13,4 2,10 4,05 7,40 0,15 0,40 0,48 0,29 0,15 0,06 0,07 0,21 3,34 1,53 1,81 3,8 2,66 3,00 3,63 3,76 8,0 13,4 2,31 3,37 5,62 0,58 1,02 1,02 1,06 0,25 0,33 0,36 1,07 Intenzita metabolismu x aktivita organismu savci mají schopnost zvýšit metabolismus (spotřeba 02 při maximální aktivitě oproti spotřebě 02 pro bazální metabolismus) - < 4 kg, ~ 8.3x - větší savci (pes, člověk, kůň) ~ 11.5x ektotermové mají schopnost zvýšit metabolismus 5 - 10x Intenzita metabolismu u ropuchy Bufo boreas v klidu a v průběhu aktivity v závislosti na její velikosti min ') l 0.5 Active = 0.8 mm O - ic Rate (r 0.1 0.05 • • • • o ^___ ° Metabol 0.01 — 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Rest = 0.075m0-82 ........1 1 10 100 Mass (g) Human basal metabolic rate and metabolic rate with various forms of graded activity. Values are J min-1. (Data from Passmore and Durnin 1955.) Basal 4.2 Lying at ease 6.3 Sitting at ease 6.7 Standing at ease 7.1 Walking: 1 km hr 1 8.4 Driving car 11.7 Walking: 4 km hr~' 14.2 Walking: 6 km hr 1 20.9 Cricket batting 25.1 Walking: + 15% incline/3 km hr 1 26.4 Tennis 29.7 Walking: 8 km hr 1 33.5 Rapid marching 40.6 Squash 42.7 Climbing vertical ladder 48.1 Walking in loose snow: 20 kg load 84.5 Ax work: 51 blows min"1 100.9 Carrying 60 kg upstairs 128.4 Nástup aktivity a zastoupení anaerobního a aerobního metabolismu u člověka. Aerobic J_L 10 20 30 40 50 60 | Time (min) Savci hraboš Metabolismus obratlovců je limitován dostupností kyslíku a energetických zdrojů (a enzymovou kapacitou) aktivita 30 sec produkce ATP u,mol / g min aerobně anaerobně celkově % anaerobně 23,2 12,6 35,8 35 % Hadi chřestýš 5 min 60% Ještěrka Aniella 2 min 78% Obojživelníci skokan 3 min 2,9 0,8 3,7 21% Nástup anaerobního prahu u člověka a varana. Intenzita metabolismu se mění i s příjmem potravy (dostupnost substrátů) a s dostupností kyslíku: a) metaboličtí regulátoři (většina obratlovců) b) metaboličtí konformeři (většina bezobratlých a někteří vodní obratlovci) - intenzita metabolismu odpovídá dostupnosti 02 z prostředí