FYZIOLOGIE DÝCHACÍHO SYSTÉMU vVšechny živočišné buňky přijímají a odevzdávají dýchací plyny (zejména O2 a CO2) vZákladem výměny je prostá difúze plynů po koncentračních gradientech vDifúze je však velmi pomalá (zejména O2) a s rostoucí vzdáleností nedostačuje pokrýt spotřebu – limit velikosti a aktivity vVývoj dýchacích/respiračních systémů v Dýchání na buněčné úrovni – difůze, ale také mechanismy zvyšující gradient a tvořící zásoby O2 – globiny (proteiny vázající kyslík díky prostetické skupině (metaporfyrin - hem) obsahující iont Fe , cytoglobiny (myoglobin, neuroglobin,..) ) Vnější dýchání – dýchací systém Dýchací orgány / tkáně (plíce, žábra, plicní vaky, kůže,…) a pro plyny nosné média (krev, hemolymfa,..) Vodní x vzdušné prostředí Voda - celkově nižší parciální tlaky plynů, procentuální zastoupení jednotlivých plynů, ale stejné jak ve vzduchu -O2 je hůře rozpustný než CO2 -S narůstající hloubkou rostou i parciální tlaky, procentuálně ale stejné -Rozpustnost plynů závislá na teplotě a přítomnosti dalších látek (salinita, toxiny,..) (z hlediska fyziologie je významná i vysoká tepelná kapacita vody a tím i problematičtější regulace teploty těla, potřebná energie je závislá na příjmu O2) Vzduch -S vyšší nadmořskou výškou, pokles parciálních tlaků, ale bez změny procentuálních poměrů -V nevětraných prohlubních (nory apod.), nárůst koncentrace CO2 – potřeba adaptace Změny barometrického a parciálního O2 a CO2 v různém prostředí (kPa) vzduch pO2 %O2 pCO2 %CO2 Pb 8848 m n.m. 6,9 21 0,01 0,03 250 5500 m n.m. 10,6 21 0,01 0,03 380 0 m n.m. 21,1 21 0,03 0,03 760 -10 m (H2O, ppm) 41,1 21 0,06 0,03 1520 -100 m (H2O, ppm) 231,5 21 0,33 0,03 8360 -1000 m (H2O, ppm) 2135,8 21 3,06 0,03 76760 zvířecí nory sysel 1 15,9 15,5 3,85 3,8 760 sysel 2 10,9 13,7 6,25 6,2 760 rypoš 14,1 14 4,78 4,8 760 klokaní kapsa 15,8 15,7 5,32 5,3 760 Rozpustnost O2 a CO2 ve vodě závislosti na teplotě A rozpustnost O2 ve vodě v závislosti na teplotě a salinitě Difúzní koeficienty (cm2 / s) pro O2 a CO2 pro různé biologické materiály O2 CO2 vzduch (0°C) 0,178 0,139 (20°C) 0,20 voda (20°C) 20x10-6 18x10-6 (37°C) 33x10-6 lidské plíce (37°C) 23x10-6 svaly (20°C) 14x10-6 kůže mloka (25°C) 14x10-6 pojivová tkáň (20°C) 12x10-6 rosol žabího vajíčka (20°C) 10,2x10-6 obal žraločího vajíčka (15°C) 3,0x10-6 kůže úhoře (14°C) 2,4x10-6 obal lososí jikry (5-15°C) 1,8x10-6 Chitin (20°C) 0,7x10-6 Příjem plynů je také ovlivněn jejich difúzí, náhodným tepelným přesunem z jednoho místa na druhé, pohybem závisejícím na vlastnostech materiálu, teplotě, tlaku a koncentračním gradientu. - v organismech se uplatňuje jen na velmi malé vzdálenosti Grafické vyjádření závislosti rozpustnosti / kapacitance O2 a CO2 na teplotě ve vodě a vzduchu. Dýchací systémy versus prostředí Obecná pravidla pro větší efektivnost výměny plynů -Velká plocha -Nízký difůzní koeficient + těsný kontakt s cirkulačním systémem -Silné prokrvení -> snadněji udržitelný gradient parciálních tlaků Výměna plynů ve vodním prostředí (problém s viskozitou vody –> snížení proudění ) 1.Žábra – různě složité vychlípeniny tělesného povrchu do vodního prostředí, - plocha koreluje s celkovými nároky a aktivitou organismu - snaha zvýšit průtok vody přes/kolem žábry/žaber (značně energeticky náročné) - jejich pohybem – bezobratlí, obojživelníci - zvyšováním tlaku vody v bukální dutině – ryby 2. Kůže – z obratlovců nejvíce obojživelníci (často zvětšení povrchu záhyby), některé ryby, vodní plazi, částečně všichni živočichové, nejméně chitinizovaní (členovci,..) 3. Silně prokrvené epitely – v ústní dutině, ve střevě, v kloace Výměna plynů ve vzduchu 1.Plíce – různé stupně složitosti, nejdokonalejší ptáci (výměna i při výdechu), savci,…jednoduché někdy i zakrnělé obojživelníci 2.Vzdušné vaky – ryby, pavoukovci 3.Labyrinty a speciální (hojně prokrvené) epitely – ryby, sumýši, vodní plazi 4.Kůže 5.Tracheje – hmyz, dýchací systém prakticky nahrazující krevní cirkulaci -obecně na rozdíl od žaber, ukryto v těle - suchozemští mají problém se ztrátami vody -Celkově výkonnější výměna, jednoduší výměna vzduchu oproti vodě => větší energetické zisky 1. •Způsoby výměny plynů u obratlovců •hladina O2 na : i – přijmu; e – výdeji; • v :a – arteriích; v – vénách •- Tendence uplatňovat protiproudou výměnu Žábra Plíce Tracheje - vzdušnice http://insectsdiditfirst.files.wordpress.com/2013/06/tracheal-system.jpg http://cronodon.com/sitebuilder/images/spiracle-664x389.jpg http://images.tutorvista.com/content/respiration-animals/respiration-mechanism-insects.jpeg Tracheální systém hmyzu -Regulace otvíráním stigmat (Spiraklí) -V tracheolech regulace bobtnací silou svalových koloidů -Na bázi tracheol tracheolární buňky -V blízkosti zakončení mitochondrie -Ventilaci napomáhá i pohyb těla Tracheolární systém využívá i vodní hmyz 1.Otevřený – spoje se schopností udržet vzduchovou bublinu nebo film (plastron) pod krovkami, na chloupcích, speciálních strukturách (dochází k výměně plynů! Dusík a oxid uhličitý za kyslík) 2. Uzavřený – sítě tracheol pod kutikulou a v různých výběžcích/výrůstcích Výjimečně u hmyzu krevní žábry – např. larvy pakomárů, vázáno na přítomnost dýchacího barviva v hemolymfě (podobně jako u ostatních organismů s žábrami), zde erytrokruonin Ostatní bezobratlí -Plži také často hodně prokrvenou plášťovou dutinu -Mnozí pavouci a korýši invaginované plicní vaky Plíce - většinou párové -Dýchací cesty – bez výměny plynů, ale odstranění nečistot řasinkový epitel, tepelná úprava, snižování ztrát vody Nozdry, ústa, dýchací cesty – průdušnice, průdušky, průdušinky -Vlastní dýchací epitel – vlastní epitel umožňující výměnu plynů, intenzivně prokrveno - Savci – dýchací epitel tvoří alveoly/plicní sklípky tvořené plicními epiteliálními buňkami (pneumocyty) přilehlými na endoteliální buňky krevních kapilár. - Výměna difúzí po koncentračním spádu, tvar alveolů proti povrchovému napětí vody udržují přítomné surfaktanty (smáčedla, film fosfolipidů), také podtlak v hrudní dutině -Tvar a rovnoměrné rozpínání umožňuje podtlak v hrudní dutině: plicnice a pohrudnice tvořící pleurální štěrbinu s tenkou vrstvou tekutiny Lidské plíce - 150 x 106 alveolů o průměru 150-300 mm - celková plocha alveolů = 80 m2 ~ 9 x 9 m Schéma savčích plic Znázornění proudů inspirovaného a expirovaného vzduchu v plicích ptáků Plicní ventilace – výměna vzduchu mezi plícemi a okolím Pravidelné střídání vdechu (inspirium) a výdechu (exspirium) Vdech pomocí mezižeberních svalů a bránice (až od krokodýlů – speciální sval - diaphragmaticus) (elastické plíce díky podtlaku následují rozepnutí hrudníku) Výdech uvolněním mezižeberních svalů a bránice, plíce se stáhnou vlastní elasticitou Parametry plicní ventilace Frekvence dýchání (počet dechů za minutu) – závislá na intenzitě metabolismu, v klidu koreluje s velikostí, menší savci vyšší frekvence Kůň (8-10), člověk (15-20), potkan (100-150), myš (až 200).. Při aktivitě často synchronizováno s pohybem (různé poměry, ne vždy 1:1; krok, skok, mávání křídly, pažemi,..) Minutová plicní ventilace – objem vzduchu, který projde plícemi za minutu (Člověk – 500ml x 15 dechů/min = 7,5L, kůň – 5L x 8 dechů/min = 40L) Dechový (respirační) objem - ~ 500ml v klidu (člověk) Inspirační rezervní objem - ~ 2500ml (člověk), maximum co lze vdechnout Exspirační rezervní objem - ~ 1000ml (člověk), maximum výdechu v klidu Vitální kapacita plic – součet reverzních objemů, měřítko maximálních možností plicní ventilace http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/7/7a/LungVolume_cs.png Reziduální objem = objem kolapsový (uvolní se po plicním kolapsu, pneumotoraxu) + objem minimální (část prvního nadechnutí při narození) Alveolární vzduch – řízení ventilace udržuje stejné složení – 13-16% O2 a 4-5% CO2 http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/f7/Fluid-filled_alveolus2_es-2.jpg http://legacy.owensboro.kctcs.edu/gcaplan/anat2/histology/alveoli1.jpg Transport kyslíku, případně dalších plynů ve vodním prostředí v organismech -Kyslík je ve vodě relativně málo rozpustný = malá transportní kapacita vody -Zvýšení transportní kapacity (až řádově), ale i uskladňování pomocí tzv. dýchacích barviv“ -Dýchací barviva intracelulární a extracelulární, vazba kyslíku prostřednictvím přítomných iontů některých kovů (Fe, Cu, Va,..) Intracelluární: Hemoglobiny, myoglobiny, neuroglobiny, cytoglobiny… obratlovci Hemoglobin i volně rozpuštěný u některých bezobratlých Chlorokruoriny – iont Fe, volně rozpuštěno, někteří mnohoštětinatci Hemerytriny – iont Fe, zásobní barviva pro kyslík, např. v bahně žijící kroužkovci a sumýšovci Hemocyaniny (modré)– iont Cu vázané přímo na globin, hemolymfa měkkýšů a korýšů Hemovanadiny (zelené)– v prostetické skupině Vanad, vzácné, např pláštěnci (vanadocyty), někteří mají ale hemoglobin) Hemoglobin (sigmoidní saturační křivka) x myoglobin (saturační křivka hyperbola) Struktura některých hemových skupin globinů KYSLÍK - Fylogeneze dýchacích barviv u živočichů Hb – hemoglobin; Mb – myoglobin; E – erytrokruorin (hemoglobin bezobratlých); Ch – chlorokruorin (zelený); Hr – hemerytrin (bez hemu, bezbarvý → fialový); Hc – hemocyanin (Cu2+, bez hemu, bezbarvý → modrý) Hemoglobiny -Nejspíš nejdokonalejší barviva pro transport kyslíku -Více jednotek globinu (homo- hetero-globinomery) => zásadní vliv na vlastnosti (např. fetální a adultní hemoglobin) - -Prostetická skupina – hem, porfirinový skelet s iontem Fe uprostřed -U bezobratlých počty globinů a hemů různé, u obratlovců vždy 4, přičemž každý globin váže jeden hem, u obratlovců vždy v erytrocytech -Každý iont Fe2+ váže jednu molekulu O2 (reverzibilně) –> oxygenace, oxyhemoglobin (HbO, oxyHb) -Oxidací Fe2+ na Fe3+ - methemoglobin (MetHb), neuvolňuje O2, patologické, po otravách oxidačními činidly -Vazba CO – karbonylhemoglobin (COHb), CO má ~300x vyšší afinitu k Hb než O2 -Vazba CO2 – karbaminohemoglobin (HbCO2), fyziologické v rámci transportu CO2 Transport kyslíku hemoglobinem (~100 x více jak volně v plazmě) - Klíčové parametry dané „sigmoidním“ charakterem saturační křivky hemoglobinu pro O2 -Dáno strukturou, vazba prvního O2 zvyšuje afinitu k druhému O2,… -Sigmoidní tvar saturační křivky umožňuje efektivní výměnu O2 v plicích a tkáních http://www.wikiskripta.eu/images/thumb/0/02/Saturace_hemoglobinu_kysl%C3%ADkem.jpg/550px-Saturace_h emoglobinu_kysl%C3%ADkem.jpg BPG – 2,3 bifosfoglycerát http://pfyziollfup.upol.cz/castwiki2/wp-content/uploads/2013/08/BohrEfekt.jpg Faktory ovlivňující vazbu O2 k hemogobinu: teplota, pH, CO2, 2,3 bifosfoglycerát Menší organismy mají křivku posunutou vpravo => rychlejší uvolnění O2 Transport CO2 -Konečný produkt metabolismu, dobře rozpustný ve vodě, ale pro transport většina chemicky vázaná 1)V podobě hydrogenuhličitanových iontů (až 65%) CO2 + H2O ó HCO3- + H+ Spontálně v plasmě, 250x rychleji v erytrocytech, enzym karbonátdehydratáza (karboanhydráza) H+ reagují s Hb a vytěsňují O2 HCO3- přechází do plasmy (nahraženo ionty Cl- -> Hamburgerův shift / chloridový posun) 2) V erytrocytech karbaminovazbou na globin Hb => karbaminohemoglobin (HbCO2) Hb-NH2 + CO2 ó Hb-NH-COO- + H+ http://www.wikiskripta.eu/images/thumb/b/b8/Hamburger%C5%AFv_efekt.JPG/350px-Hamburger%C5%AFv_efekt .JPG http://fyziologie.lf2.cuni.cz/uceni/lecture_notes/transport_plynu/fig4.gif Transport CO2 http://o.quizlet.com/XCxt.45VmLSXhO4ifpQ7Uw.jpg Transport CO2 Regulace dýchání – řízení respirace •- respirace ve vodě – větší kapacita vody pro CO2 než pro O2 • ~ parciální tlaky (p) CO2 se mění jen málo • -> receptory sensitivní zejména na změny parciálních tlaků O2 • • •- respirace na vzduchu – stejná kapacita vzduchu pro CO2 a O2 • ~ parciální tlaky se mění stejně • - celkové množství O2 v krvi (díky vazbě na hemoglobin) se přiměřeně • nemění s poklesem pO2 a s poklesem rozpuštěného O2 • -> receptory sensitivní zejména na změny parciálních tlaků CO2 • ( - změna pH – K+ kanály citlivé k poklesu pH ) • •mechanosenzory •(pohybový aparát) • •senzory kašlání, •polykání, zívání • • •senzory •nádechu / výdechu • •baroreceptory •v cévách a plicích •Schéma inspiraračního a respiračního centra v prodloužené míše obratlovců •- křížová aktivace / inhibice mezi expir. a inspir. centrem • => základní dýchací rytmus •- nadřazená centra Varolova mostu: • apneustické – stimuluje inspirační neurony • pneumotaxické – stimuluje expirační neurony •- kombinace aktivací center Varolova mostu a prodloužené míchy • => normální klidový respirační rytmus •CSF – mozkomíšní mok (cerebrospinal fluid) C:\Users\JiPa\Desktop\12-8.jpg Také „anticipační zpětná vazba“ => Proprioreceptory ve svalech a šlachách při zvýšené námaze stimulují dýchaní v předstihu před zvýšením CO2 •Savci • •- primární regulátor respirace je změna pCO2 •- 2 základní typy receptorů • 1) karotická a aortická tělíska • - pravděpodobně původem z žaberních receptorů, • - jsou citlivé na změny pCO2, pO2 a pH • • 2) centrální chemoreceptory respiračního centra v prodloužené míše • - jsou citlivé na změnu koncentrace H+ (pH) v mozkomíšním • moku (CSF), jeho pH je přímo úměrné koncentraci CO2 v krvi • díky pronikání CO2 mozko-krevní bariérou, která je nepropustná • pro H+ •- citlivost k změně pCO2 má adaptivní charakter ~ typicky u potápějících se • nebo hrabavých druhů (běžně jsou vystaveni hypoxii a hyperkapnii) • => citlivost na zvýšené množství CO2 je snížena •Recepce kyslíku (savci) •Tkáňová úroveň – přizpůsobené struktury se schopností výrazné odezvy •na změny v koncentraci O2 + rovnováha AMP x ATP v buňce •(kyslík jako substrát hydroxyláz a oxygenáz) • - Karotické tělísko – glomové buňky / buňky I. Typu (neurosekreční chemoreceptory, • dopamin a acetylcholin – zvýšeno poklesem pO2 v krvi) • - průtok krve 1,5-2L /100g / min (mozek 120ml / 100g / min) • - Plicní krevní oběh – buňky hladké svaloviny plicních cév (vlastní mechanismus) • - endotelie plicních cév (NO, prostacyklin – vasodilatace; • endotelin, tromboxan A2 – vasokonstrikce) - Neuroepiteliální tělíska (NEB) v lumen plicních cest (zejména neonatální) – produkce • serotoninu, inervace bloudivým nervem •- Plicní neuroepiteliální buňky (PNEC) – roztroušené v celém plicním epitelu • NEB i PNEC s věkem mizí - Buňky dřeně nadledvin (fetální a neonatální – produkce katecholaminů při hypoxii) Dodatek, není součástí zkoušky! •Ledviny – REPOS, buňky produkující erytropoietin (EPO) • => regulace proliferace a zrání erytrocytů •(Wenger a Hoogewijs, 2010) •Keratinocyty – hypoxie •(část O2 získávají přímo!) • => produkce NO = vasodilatace • => produkce VEGF = angiogeneze •Prokrvení kůže - pokles PO2 v těle - aktivace REPOS •(Semenza, 2008) •Buněčná úroveň – jednotlivé molekulární mechanismy citlivé ke změnám • koncentrace O2 • •Akutní hypoxie • •Bioenergetické sensory – klíčová úloha mitochondrií • - AMP (adenosin monofosfát) kinázy, energetický stav buňky • (citlivost na poměr AMP:ATP) •AMPK reguluje metabolismus •i aktivitu iontových kanálů •(Towler a Hardie, 2007 ) •(Peers et al., 2010) •- ROS (reactive oxygen species), redoxní teorie •(Ward, 2008) •Biosyntetické sensory • - NADPH oxidásy • - Hem oxygenása-2 • - Cytochrom p-450 monooxygenásy • • • • • • • • • • • • • • • • • •Chronická hypoxie •Sensorem jsme zejména prolyl-hydroxylásy => stabilizace / degradace hypoxií •indukovaného faktoru (HIF) •- je součástí obecné odpovědi na hypoxii - je konstitutivně exprimovaný - přítomnost kyslíku indukuje ejho degradaci - nedostatek kyslíku způsobuje jeho akumulaci -indukuje buněnčnou proliferaci • - indukce cyklinu D1 • - indukce růstových faktorů - indukuje angiogenezi -> VEGF •- indukuje erytropoézy -> EPO •HIF – hypoxia inducible factor •Ryby •- intenzita ventilace v závislosti na koncentraci O2 a CO2 • ve vzduchu a ve vodě •- senzitivita je druhově specifická a zdá se závislá na preferenci • v zdroji O2 (vzduch x voda) • - u Piabucina hyperkapnie ve vodě vede k omezení žaberní ventilace • - u Neocaratodus hypoxie ve vodě stimuluje žaberní ventilaci, • hyperkapnie ve vodě potlačuje žaberní ventilaci a stimuluje • vzdušné dýchání •Obojživelníci •- receptory v aortě citlivé k hypoxii i hyperkapnii (shoda se savci) •- zřejmě nemají CO2 receptory v plicích (na rozdíl od plazů a ptáků, • ale napěťové receptory v plicích jsou citlivé k pCO2 •- podobně jako u vzduch dýchajících ryb je senzitivita k vodnímu / vzdušnému • pCO2 a O2 druhově specifická a zdá se závislá na preferenci v zdroji O2 • (vzduch x voda) •Plazi •- pravděpodobně nemají chemoreceptory v aortě a krkavicích, • ale mají CO2 receptory v respiračním traktu •- u některých je ventilace regulována zejména pO2 u jiných pCO2 •- hypoxie nebo hyperkapnie často vede k útlumu aktivity / metabolismu •Ptáci •- pro regulaci ventilaci je významnější hyperkapnie než hypoxie •- podobně jako u savců karotická a aortická tělíska •- receptory v dýchacím traktu (parabronchi) citlivé jen na pCO2 • (při vysokém pCO2 > 6.7 kPa snížení frekvence akčních potenciálů)