Homeostáza-principy regulace
Poruchy transportu kyslíku -
hypoxie.
Oxidatívni stres. Antioxidační
systém
§ Organismus je otevřený systém
§Výměna energie a informací sokolím stále narušují stálost
§ Organismus je mnohobuněčný systém
§Jednotlivé buňky vyžadují ke svému fungování stabilní prost ředí
§ HOMEOSTÁZA - stálé vnitřní prostředí
§tzn. stálé složení ICT a ECT
2
Homeostatické principy regulace
§ Stability vnitřního prostředí je dosaženo regulací většiny důležitých parametrů zpětnou vazbou
- Regulovaný systém
§Čidlo -předání informace efektorovému orgánu -efekt
§Typy regulací
- Negativní zpětná vazba
- Pozitivní zpětná vazba
- Anticipační regulace
§ Negativní zpětná vazba
- Výchylka regulovaného parametru vyvolá reakci, která vrátí hodnotu do původního stavu (inzulín, ADH, RAS.)
§ Pozitivní zpětná vazba
- Malá výchylka vyvolá ještě větší vzdálení od původního stavu (akční potenciál, koagulace..)
- Bludný kruh (circulus vitiosus)
§ Patologická pozitivní zpětná vazba-dále zhoršuje původní stav
E Selhávající srdce
§ Anticipační regulace
- Změna nastává ještě před změnou regulovaného parametru
§ Např. termoregulace -na základě signalizace termoreceptory z kůže při poklesu teploty dojde k vazokonstrikci a svalovému třesu ještě před 4 pokl esem t epl ot y krve
Efektorové systémy regulací -nervy a
§ Oba systémy spolupracuj í při regulaci a způsoby působení se navzájem prolínají = neuroendokrinní systém
- Některé nervové buňky produkují rovněž látky, které neúčinkuj í na synapsích, ale jsou uvolňovány do cirkulace
§ Např. hypotalamicko-releasing hormony, adrenalin, ADH, oxyt ocin
- Naopak produkty endokrinních buněk mohou fungovat jako neurotransmitery
§Gastrin, sekret in, VIP-GIT
- Podobně kooperuje endokrinní a imunitní systém
§ Např. glukokortikoidy
Regulace sekrece HO
Peptides,
amino acids Distension H+
6
Regulace sekrece pepsinogenu
Pepsinogen
A Lumen
Gastrin,    ACh        VIP,        Adrenaline, Somatostatin CCK secretin noradrenaline
§ Definice § Chemismus § Funkce
§ Princip řízení sekrece §Osa hypotalamus-hypofýza - ? § Zpětnovazebná kontrola produkce § Receptory hormonů_
8
Lokalizace	Hormony	Typ účinku
Buněčný povrch (plazmatická membrána)	proteiny, peptidy, katecholaminy	tvorba druhých poslů a tím zněma aktivity dalších molekul (typicky enzymů)
Intracelulární (cytoplazma nebo jádro)	steroidy, hormony šť. žlázy, kys. retinová	změna transkripce responsivních genů
§ proteinové a peptidové hormony, katecholaminy
- vazba hormonu (tj. prvního posla) na receptor vede k vytvoření druhého posla
§ druhý posel zajišťuje přenos signálu uvnitř buňky (signální transdukci)
§ struktura povrchových receptoru
- extracelulární, transmembránová a cytopiazmatická doména
§ typy signální transdukce
- aktivace G-proteinu
- aktivace proteinkináz
- otevření iontového kanálu
9
plasmatická membrána
(A)
(B)
G-protein
(C)
aktivované podjednotky G-proteinu
aktivovaný (iy-komplex
aktivovaná u-podjednotka
acetylcholin
/
zavřený K*-kaná!
aktivovaný Pv-komplex
plasmatická membrána
extracelulArni prostor
aktivovaná Q    a-pod jednotka
OTEVŘENÍ
KANÁLU otevřeny K -kanál
<B>
CYTOSOL
©
INAKTIVACE
zavřený K*-kanál
(C)
neaktivn G-protein
|GDP|
§ adenylátcykláza —► cyklický AMP
-adrenalin, noradrenalin, glukagon, LH, FSH, kalcitonin, PTH, ADH
§ guanylátcykláza —► cyklický GMP - ANP, NO
§fosfolipáza C—► Ca2+a/ nebo fosfoinositoly
-adrenalin, noradrenalin, angiotensin II, ADH, GRH, TRH
12
signální molekula
aktivovaná adenylylcykláza
receptor
CYTOSOL
JADRO
Extracelulární aksigiiální molekula'
Cílová tkáň       Hlavní odpověď
Adrenalin Adrenalin
Adrenalin, ACTH, glukagon
ACTH
sval srdce
tuk
odbourává se glykogen
srdce bije rychleji a stahy jsou silnější
odbourává se tuk
nadledvina_vylučuje se kortisol
jaderný pór
aktivovaný fosforylovaný regulační protein genu
aktivovaný cílový gen
DNA
\ TRANSKRIPCE
RNA
j translace nový protein
Fosfolipáza C
signálni molekula
receptor vázaný na G-protein
aktivovaná fosfolipáza C
fosfatidylinositolový lipid
/
diacylglycerol
Signálni molekula	Cflová tkáň	^^^^ Hlavní odpověď	
Vasopresin	játra	odbourání glykogenu	>
Acetylcholin Acetylcholin	slinivka hladký sval	vylučování amylázy (trávicího enzymu) kontrakce	ť tein-ízaC
Thrombin (proteolytický enzym)	krevní destičky	agregace	
otevřený Ca2+-kanál
endoplasmatické retikulum
14
Intracelulární receptory
§ komplexy hormon-receptor funguj í j ako transkripciu' faktory
- ovlivňují genovou expresi v cílové buňce
§ (1) receptory v cytoplazmě
- steroidy
§ tvořeny z cholesterolu (pregnenolonu) § typy:
E glukokortikoidy (kortizol) - stimulace ACTH
E mineralokortikoidy (aldosteron) - stimulace AT II
E androgeny (testosteron) - stimulace LH
E estrogeny (estron, estradiol, progesteron) - stimulace FSH, LH
§ v krvi transport ovány ve vazbě na nosiče (TBG, CBG, SHBG, albumin, transthyretin)
§ difunduj í přes membránu
§ (2) receptory v jádře
- (A) 1, 25-dihydroxyvitamin D receptor (VDR) 1C; -(B) thyroid hormone receptor (TR)
f Extracellular fluid ■terial blood pressure
T
Juxtaglomerular cells of the kidney
Renin •
Angiotensin II
Angiotensinogen -►
Angiotensin I
Lungs
Kontrolní mechanismus regulující TKna úrovni RAS
Wrenal cortex
1
Aldosterone
J
Sodium reabsorption by kidney
i
Arterioles
Vasoconstriction of systemic arterioles
f Arterial blood pressure
I Vascular volume and + Arterial blood pressure
I DNA binding
Kyslík v organismu
§ organizmus potřebuje kyslík:
- cca 250ml/min —► 3501/den v klidu
- při zátěži mnohem více
§ v těle neexistují větší zásoby kyslíku
§ stačí cca na 5min
- dýchání a dodávka kyslíku tkáním je proto nepřetržitý děj
- jeho úplné přerušení znamená
§ ohrožení života (< 5min)
§ reverzibilní ztráta zraku za cca 7s, bezvědomí za cca 1 Os
§ klinickou smrt (~5-7min), event. smrt mozku
§ srnrt organizmu (> 1 Omin)
§  patologické situace spojené s chyběním kyslíku
- hypoxie = nedostatek kyslíku v organizmu nebo jeho části
- anoxie = úplný nedostatek kyslíku
- hypoxemie = snížený obsah kyslíku v arteriální krvi
- asfyxie = nedostatek kyslíku společně s hromaděním oxidu uhličitého - při
dušení
18
Význam kyslíku v organismu
mrtochondrtämi mentor*
mtochoodnilni
ATP-4yrrfetA«
pyruvar mastné kyseliny
§ 85-90%aerobní metabolismus (ATP)
- Iontové gradienty
- 3/alová kontrakce
- %ntézy
§ Pro zbytek procesů j e nedostatek kyslíku méně kritický
- Hemoxygenáza
- Hydroxylace steroidů
- Detoxikace cizorodých látek
19
§ Parciální tlak
- tlak, který by plyn měl pokud by byl ve směsi sám
- pare. tlak v alveolu je o něco nižší než v atmosféře kvůli
většímu zastoupení CO2 V alveolu (vydechvaný vzduch)
Vnejsi dýchaní § Vnitřní dýchání § Tkáňový metabolismus
§ Prostá difúze
§ □ fundování kyslíku do tkání
§ sférická molekula skladaj ící se ze 4 peptidových podjednotek (globiny) = kvartérní struktura
§ Hb dospělých jedinců (Hb A) je tetramer obsahuj ící 2 a- a 2 6-globiny —► každý globin obsahuje 1 hemovou skupinu s centrálním Fe2+ iontem
§ Normální koncentrace
§ Vazba kysl íku
21
H,C CH,CH,COOH
-I C=CH
(b) Iron-containing heme group
Histidine
Deoxygenated
H
/
Histidine// \
Heme is planar.
Oxygenated
Obrázek byl převzat z http://www.chemistry.wustl.edu/~ edudev/labTutorials/Hemoglobin/MetalComplexinBlood.htm
22
Hb dospělých jedinců (Hb A) = 2 a- a 2 B-podj ednotky
Hb A) je hlavní forma Hb u dospělých a dětí starších 7 měsíců.
Hb Ag (2 a, 2 ó) je minoritní forma Hb u dospělých. Tvoří pouze 2-3%celkového Hb A.
Fetální Hb (Hb F) = 2 a- a 2 y-podj ednot ky
- u fétu a novorozenců —► Hb F váže 02 při nižších parciálních tlacích než Hb A—► Hb F má vyšší afinitu ke 02
Po narození, Hb F je nahrazován Hb A během několika prvních měsíců života.
HbS-v B-globinu, Glu je nahrazen Val
- srpkovitá anémie
23
Parametry rozhoduj ící o dostatečném zásobení kyslíkem
§ funkce plic
- ventilace
- difúze
- perfuze
§ funkce srdce a oběhového systému
- srdeční výdej
- průchodnost cév
- mikrovaskulatura (konstrikce/dilatace)
§ složení krve
- množství erytrocytu
- koncentrace a typ hemoglobinu
24
(1) respirační centrum (prodloužená mícha) - intenzita dýchání je regulována:
- centrálními chemoreceptory v prodloužené míše
E citlivé na změny pCQ2 resp. H+
- periferními chemoreceptory -glomuscaroticum a aortální těl íska-citlivými na hypoxii
E pokles 02 uzavírá K+ kanály —> depolarizace —> t intracelulární Ca++ —► excitace —► resp. centrum
(2) dřeň ledviny
- produkce erytropoetinu (EPO) peritubulárními bb. dřeně ledviny při poklesu p02 —► aktivace hematopoezy
§ Problém při postižení ledvin -tvorba i v játrech
25
Hypoxie
= nedostatek Q v organizmu § typy:
(1) hypoxická hypoxie - j arteriální P02
(2) anemická hypoxie -j arteriální P02
(3) cirkulační hypoxie = normálni arteriální P02
(4) histiotoxická hypoxie -normálni arteriální P02, t venózní P02
E mitochondrie nemohou využít kyslík » otrava kyanidy, kobaltem
26
Hypoxická hypoxie
§ i arteriální P02 (<13kPa/ lOOmmHg)
- nízký pare. tlak kyslíku ve vdechovaném vzduchu
§ vyšší nadmořská výška
- hypoventilace při poruše dechového centra
§ např. intoxikace opiáty, kontuze mozku, obrna resp. svalů, ...
- plicní nemoci
§ zejm. poruchy krevního zásobení plic, poruchy difúze, ventilačně-perfuzní nepoměr, zkraty
- srdeční vady s pravo-levým zkratem -míšení krve (FY)
§ vede k cyanóze
27
§ při vzestupu kone. deoxyhemoglobinu >50g/l
- promodrání kůže, sliznic, nehtových lůžek, rtů pnciny
- pokles saturace Hb (hypoxická hypoxie)
- zvýšená extrakce kyslíku při zpomalení toku (cirkulační hypoxie)
- zvýšené množství erytrocytu (polycytémie) při stejném pQ2 je více deoxyhemoglobinu
§ anémie i při poklesu nevede k cyanóze
- kone. celk. Hb j e nízká a těžko se tedy dosáhne konc. deoxy-Hb >50g/1
28
§ i arterial ní PO (<13kPa/ lOOmmHg)
- nedostatek hemoglobinu
§ anemie
§ hematologické nádory (leukémie)
- hemoglobin s nižší schopností vázat kyslík
§ carboxyhemoglobin (COHb) ("třešňové" zabarvení sliznic)
E otrava CO-má vyšší afinitu k Hb, možno odstranit jen vysokým p02 (hyperbarická oxygenoterapie)
§ methemoglobinemie (vede k cyanóze)
E Fe2+ -»• Fe3+ (MetHb) - neváže kyslík!
>>  normálně přítomno je malé množství (důsledek oxidace volnými kyslíkovými radikály) -redukce pomocí NADHdependentní methemoglobinreduktázy
E získaná (např. některé léky nebo chmikálie)
E vrozená (dědičná)
>>  deficit Met-Hb reduktázy
>>  abnormální hemoglobin HbM
29
§ normální arteriální P02
§V/Vi pnciny:
- pokles srdečního výdej e
§srdeční selhání, kardiogenní šok (IM, tamponáda, embólie)
- pokl es syst émového 11 aku
§hypovolemický nebo distribuční šok (systémová vasodilatace)
- lokální ischemie tkáně
§např. myokard, mozek
-porucha mikrocirkulace, edém
§např. zánět, trombóza
§vede k periferní cyanóze
Reakce buněk na hypoxii
§ " kyslíkový senzor" buněk
- 11ranskripční faktor HIF-1 (hypoxia-inducible factor)
- exprese genů pro
§ enzymy zvyšuj ící intenzitu glykolýzy a produkce ATP anaerobní cestou
§ angiogenní faktory (např. VB3F) -zvýšení vaskularizace tkání § erytropoetin -zvýšení počtu erytrocytu
§ pokud hypoxie trvá a je kritická vede k zániku buněk
- nekrózou
- apoptózou
31
Hypoxií-indukovaná transkripce genů
a Normoxia
e?oG v Ascorbate ^—^ PHD1 PHD3
b Hypoxia l VHL J
Nucleus
Proteolytic degradation
Angiogenesis
Erythropoiesis
Apoptosis
Proteolysis pH regulation Glucose metabolism
Cell proliferation and survival
HIF-1a regulation by proline hydroxylation
32
§ závisí na parciálním tlaku a délce expozice § tkáňové a orgánové poškození
- dlouhodobé dýchání kyslíku do 40%jeho objemu ve směsi j e bezpečné
§ déledobé dýchání směsí s vys. obsahem kyslíku vede k poškození plic, endotelu a mozku
§ u novorozenců poškození zraku
E retrolentální fibroplazie
§ volné kyslíkové radikály (ROS-reactive oxygen species) a oxidační stres
33
§ normálně se cca 1-2%kyslíku nepřemění na vodu ale dá vznik superoxidu (02-)
§ Superoxid přechází na méně reaktivní peroxid vodíku (H202)
- spontánně
- v reakci katalyzované superoxiddismutázou (90D)
§ peroxid je v reakcích katalyzovaných katalázou (KAT) a glutathionperoxidázou (GPX) "detoxifikován" návodu a kysl ík
§ pokud ne, reaguje s dalšími látkami a poškozuje buněčné struktury (oxidace, li poper oxidace)
34
§za normálních okolností je tvorba a detoxifikace ROS v rovnováze
- buňky maj í antioxidační mechanizmy
E enzymy (SOD, KAT, GPX, ..)
E neenzymatické (vit. E, glutathion, thioredoxin, kys. močová, bilirubin, ..)
§ oxidační stres j e situace, kdy převažuje tvorba ROS v důsledku jejich zvýšené tvorby nebo defektu odstraňování
36
Vitamín E
§Jak pusobí?
§ Antioxidační účinek
- Askorbát -GSH
-glutathionreduktáza
37
Vybrané ant i oxidační mechanismy
§GSH/GSSG §MT
39
Heavy metals (Zn, Cd, Pb, Cu ?
Leactive oxygen GSSG species (ROS)
H202
(c)
OH
Reactive oxygen species
MTF-1 JVIRE
Cell damage
MT
DNA damage Nucleus
Cytoplasm
40