Doc. Martin Vácha Doc. Pavel Hyršl Dr. Jiří Pacherník Dr. Monika Dušková Biologie živočichů Bi6790 Biologie živočichů ▪ Anatomie a morfologie (cytologie, histologie, organologie) ▪ Fyziologie ▪ Ekologie ▪ Etologie ▪ Genetika ▪ Molekulární biologie ▪ Taxonomie ▪ Imunologie ▪ Vývojová a evoluční biologie, atd. atd. Fyziologie - kontext Z čeho studovat? Chodit na přednášky? Z čeho studovat? Chodit na přednášky? Studijní materiály Elektronická verze skript Elektronická verze skript Přehled kapitol: 1. Postavení fyziologie mezi ostatními vědami 2. Fyziologické principy 3. Histologie 4. Organologie 5. Homeostáza, adaptace a regulace 6. Obecná neurofyziologie 7. Problém velikosti a proporcí těla 8. Teplota – její vliv a udržování 9. Přeměna látek a energií – metabolizmus 10. Cirkulace 11. Fyziologie dýchacího systému 12. Funkce tělních tekutin 13. Imunitní systém 14. Fyziologie pohybu 15. Fyziologie trávení a vstřebávání 16. Exkrece a osmoregulace 17. Hormonální řízení 18. Nervová soustava 19. Speciální fyziologie smyslů 20. Biorytmy 4. Které hormony mohou ovlivňovat energetický metabolizmus. Jmenujte hlavní z nich, zmiňte místo sekrece a způsob působení. Příklad správné odpovědi na plný počet bodů: A) Trijodtyronin a Tyroxin ze štítné žlázy zvyšují oxidační děje v mitochodriích a tak i metabolizmus, proteosyntézu, zrání, růst. B) Somatotropin (růstový h.) z adenohypofýzy zvyšuje využívání lipidů a růst. C) Somatostatin z D buněk pankreasu snižuje využívání živin (tlumí sekreci inzulínu a glukagonu, resorpci ve střevě). D) Katecholaminy ze dřeně nadledvin mobilizují energetické rezervy, zvyšují svalový výkon. Podobně E) kortizol z kůry nadledvin. Z čeho se připravovat na zkoušku? Test Biologie živočichů Definice živého: odvodíme nejlépe z funkcí dynamických procesů, které neživá příroda nemá Definice živého: odvodíme nejlépe z funkcí -dynamických procesů, které neživá příroda nemá: Udržování organizovanosti a integrity. Využívání látek a energie z okolí (termodynamické procesy). Studium funkcí – úkol pro fyziologii Definice živého: výjimky z pravidla ? Larvu pakomára lze zmrazit v tekutém N2 a pak zase oživit. Viry „spoléhají“ na cizí život. Spontánní proces Figure 2-37 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Vyžadující energii Figure 2-37 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Energie k životu Fenotyp je obraz současné stavby a funkce. Je vyjádřením genotypu. Co rozhoduje o fenotypu? Živý organismus má svou historii: je výsledkem milionů let evoluce pod vlivem prostředí. Na biologické vlastnosti se lze dívat ze dvou hledisek: • mechanistické vysvětlení – jak to funguje, proximátní, tradiční fyziologický přístup • evoluční vysvětlení – proč se to vyvinulo, teleologické hledání smyslu Např. svalový třes, pocení, zvracení, trávení atd., atd. Na biologické vlastnosti se lze dívat ze dvou hledisek: • mechanistické vysvětlení – jak to funguje, proximátní, tradiční fyziologický přístup • evoluční vysvětlení – proč se to vyvinulo, teleologické hledání smyslu Např. svalový třes, pocení, zvracení, trávení atd., atd. Znaky vznikají náhodně (?) a ty, které překážejí, selekcí mizí. Mluví se tedy o nich jako o adaptacích – pomáhají zvýšit životaschopnost. Evoluční pohled nabízí teleologická vysvětlení – hledání logiky věcí. Odpověď na otázku proč? K čemu dobré? Živý organismus má svou historii: je výsledkem milionů let evoluce díky variabilitě a přírodní selekci. Má svou minulost, která jej limituje. Znaky tedy nemusí být nejlogičtější. •Páteř – suboptimální design. •Inverzní oko obratlovců •Lidský genom je zaneřáděn dříve funkčními geny a většina zřejmě nic nekóduje. Některé geny máme po virech a bakteriích! Srovnávací a evoluční přístup – vidí vývojové (historické) a environmentální souvislosti v mořive sladké vodě Prostředí a historie určuje funkční i stavební znaky Morfologie a funkce Allenovo a Bergmanovo pravidlo Morfologie a funkce Allenovo a Bergmanovo pravidlo Chování jako adaptace Chování jako adaptace Různá řešení téhož problému I velikost určuje stavbu těla a funkce Čím větší tím úspornější Nejtěžší se při non-stop migracích dostanou nejdál Poměr Povrch/Objem a maximalizace povrchu Velikost limituje funkce Tělesné proporce a nelineární – allometrické vztahy. Velký živočich nemůže být zvětšeninou malého. izometrické trojúhelníky Tělesné proporce a nelineární – allometrické vztahy. Velký živočich nemůže být zvětšeninou malého. allometrické vztahy Tělesné proporce nelineární – allometrické vztahy. Velký živočich nemůže být zvětšeninou malého. allometrické vztahy Velikost těla je limitem pro: svalový výkon – pohyb a opora těla udržování stálosti uvnitř těla – energetiku termoregulaci transport difúzí – složitost stavby Udržení organizovanosti navzdory chaosu -základní vlastnost živých organizmů. Udržení stálosti vnitřního prostředí - homeostázy. Od jednobuněčných k mnohobuněčným. Mnohobuněčnost – živočich si nese „pramoře“ s sebou - možnost života v dalších volných nikách, větší nezávislost. – nutnost vzniku infrastruktury organizmu - nutnost údržby vnitřního prostředí Podmínky vnitřního a vnějšího prostředí se liší. Vnější navíc kolísají, vnitřní musejí být stálé Homeostáza, regulace Co je potřeba hlídat pro udržení homeostázy? •Zdroje energie •Dýchací plyny •Odpadní produkty •pH •Vodu, soli a elektrolyty •Objem a tlak •Teplotu •Sociální parametry Homeostáza, regulace Podmínky vnějšího prostředí kolísají, vnitřní musí být stálé. Vznik orgánových soustav u mnohobuněčných - péče o stálost vnitřního prostředí Vnitřní kontaktní rozhraní musí mít velkou plochu ledvinný tubulus kapiláry plíce střevo Podmínky vnějšího prostředí kolísají: Homeostáza, adaptace, regulace Optimum a jeho hranice Ne všem se ale homeostáza vyplatí Různé adaptační strategie na změnu životních podmínek a) Uteč – „Vyhýbači“ b) Akceptuj - Konforméři c) Vyreguluj - Regulátoři Volba strategie souvisí s tělní stavbou a velikostí těla. „Konformeři“ a regulátoři. „Konformeři“ a regulátoři. Celková životní strategie zahrnuje mnoho faktorů – Neexistuje jediné univerzální, ideální řešení Characteristics of r- and K-selected organisms r-organisms K-organisms short-lived long-lived small large weak strong or well-protected waste a lot of energy energy efficient less intelligent more intelligent have large litters have small litters reproduce at an early age reproduce at a late age fast maturation slow maturation little care for offspring much care for offspring strong sex drive weak sex drive small size at birth large size at birth Note: Not all characteristics apply to all organisms. It is not suggested, for example, that some bacteria have a stronger sex drive or are more intelligent than others. From Principa Cybernetica, http://pespmc1.vub.ac.be/DEFAULT.html R- stratég: vyšší důraz na rozmnožování a mobilitu potomstva, přičemž kvalita a konkurenceschopnost je odsunuta do pozadí. Rychle roste, rychle se množí, jsou malí, bez péče o potomstvo. Mnoho potomků, velká mortalita. Výhodné v raných stádiích osidlování. K-stratég je organismus, který ve své životní strategii uplatňuje vyšší důraz na kvalitu a konkurenceschopnost potomstva, přičemž jeho kvantita a mobilita je odsunuta do pozadí. Maximálně využívají stabilní prostředí. Celková životní strategie zahrnuje mnoho faktorů – Neexistuje jediné univerzální, ideální řešení Regulace Řídící a obslužné systémy Regulace Kompromis mezi rychlostí a přesností Negativní zpětná vazba jako základní nástroj udržení homeostázy Negativní zpětná vazba jako základní nástroj udržení homeostázy Přesnost regulace: •ON-OFF •Proporcionální •Anticipační Figure 3-57 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Pozitivní zpětná vazba Když je rychlá změna potřeba: Akční potenciál, tvorba krevní zátky, ovulace, porod, orgasmus Pozitivní zpětná vazba Když je rychlá změna potřeba: Akční potenciál, tvorba krevní zátky, ovulace, porod, orgasmus Život je postaven na udržování organizovanosti navzdory chaosu Živý organismus je výsledkem: konkrétního vývoje v konkrétním prostředí Určité velikosti těla Určité životní strategie např. chování, počtu potomků … Shrnutí Živé organismy pracují na své „údržbě“. Koncept homeostázy umožňuje pochopit smysl práce orgánových soustav mnohobuněčných. Shrnutí Negativní zpětná vazba je základním typem homeostatické regulace Shrnutí Udržení organizovanosti navzdory chaosu -základní vlastnost živých organizmůNutná kontrola nad toky látek Bariéra a brány Figure 2-22 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Membrána z nepropustného materiálu. Fluidní mozaika. Hlavní membránové struktury buňky Odděluje a uzavírá kompartmenty s danými funkcemi Bariéry a brány Funkce membránových bílkovin – přenos látek Funkce membránových bílkovin – fixace na extra a intracelulární struktury. Funkce membránových bílkovin – přenos signálů Bílkoviny jako brány a další jejich nezastupitelné funkce Bílkoviny – flexibilní molekuly: -přenašeči signálů a látek -generátory pohybu -regulační enzymatická aktivita -jedinečnost vazby Protein se skládá do kompaktní konformace určené pořadím AK. Protein se skládá do kompaktní konformace určené pořadím AK. Vazba proteinu k jiné molekule je selektivní – jedinečnost vazby Protilátka-antigen, vůně-receptor Vazba proteinu (enzymu) k jiné molekule je selektivní a umožní spustit reakci. Enzym – substrát Enzymy jsou spouštěči a regulátory buněčných dějů Díky slabým vazbám je možné překlápění alosterické struktury po aktivaci • Po vazbě ligandu na receptorové místo • Změnou elektrického napětí • Mechanickou deformací • Enzymatickou fosforylací (kinázou) nebo defosforylací (fosfatázou) (Základ proteinových strojů). Fosforylace proteinu. Fosforylová skupina modifikujeZapíná nebo vypíná. Typy transportu Transport látek přes membrány Pasívní Usnadněná difuze – změna konformace transportní bílkoviny (brány) Kanály mohou regulovat pasivní transport. Jsou mnohem rychlejší než transportéry Mohou být velmi selektivní a řízené různými podněty Řízené (vrátkované) ligandem Pasívní Kanály mohou regulovat pasivní transport. Jsou mnohem rychlejší než transportéry Mohou být velmi selektivní a řízené různými podněty Řízené (vrátkované) elektricky Pasívní Kanály mohou regulovat pasivní transport. Jsou mnohem rychlejší než transportéry Mohou být velmi selektivní a řízené různými podněty Řízené (vrátkované) mechanicky Pasívní Aquaporin umožňující tok vody přes membránu. Tam, kde nejsou, voda přes membránu neprotéká Strukturu kanálů lze znázornit různě Draslíkový kanál Aktivní transport – poháněno E nesenou ATP animation http://highered.mcgraw-hill.com/sites/dl/free/0072437316/120060/ravenanimation.html Animace aktivní transport Například ATP- H+ pumpa – (protonová) Žaludek, lyzozóm, ledvinný tubulus Aktivní transport http://highered.mcgraw- hill.com/olc/dl/120068/bio05.swf Sekundární aktivní Transport – Můžeš projít, ale vezmi náklad http://highered.mcgr aw- hill.com/olc/dl/1200 68/bio04.swf Sekundární aktivní Transport – Můžeš projít, ale vezmi náklad ATP syntetáza na vnitřní membráně mitochondrie se točí obráceně – Můžeš projít, ale vyrob ATP http://highered.mcgraw- hill.com/olc/dl/120071/bio11.swf https://www.youtube.com/watch?v=xbJ0nbzt5 Kw Přehled transportů ještě jednou Cytóza – aktivní transport velkých množství Lysozómy likvidují cizorodé látky a částice z venku - animace http://highered.mcgraw-hill.com/olc/dl/120068/bio02.swf Améboidní pohyb a úloha cytoskeletu Makrofág a bakterie Membrána se selektivním aktivním transportem iontů elektricky nabíjí. Nabitá membrána - Klidový potenciál Elektrické napětí na membráně: Membrána se selektivním aktivním transportem iontů elektricky nabíjí. Nabitá membrána - Klidový potenciál Využitelný pro: • sekundární transport • tvorbu a přenášení signálů Nabitá membrána - Klidový potenciál Na/K pumpa nabíjí membránu Na/K pumpa Animace Na/K pumpa Na – daleko od rovnováhy K – v rovnováze K+: Na+: INTRA (-) EXTRA (+) KONCENTRACE NÁBOJ Ještě jednou: K+ volně protéká přes malý rozdíl hladin (8mV) Na+ má mnohem větší snahu vtékat (157mV) Vápník – extracelulární iont, nositel signálů Mechanismy udržující nízkou hladinu Ca v buňce Stačí malé podráždění a Ca proudí do buňky Jednobuněčný Mnohobuněčný Bariéry a brány Paracelulární transport – určuje „děravost“ epitelu Těsný (kapiláry mozku) versus děravý (fenestrovaný) epitel (k. glomerulu) Spolupráce – buněčná spojení Tight junction v epitelu střeva Toky látek přes bariéru epitelu jsou pod kontrolou. Konexon a „gap junction“ Funkce membránových bílkovin – přenos látek, signálů, ale i fixace buněk na extra a intracelulární struktury. Buněčná spojení nutná i pro mechanickou soudržnost Extracelulární matrix tvoří: • tmel mezi buňkami (hlavně kolagen) • basální membránu epitelů • Napojena na cytoskelet uvnitř buněk Extracelulární matrix – tmel mezi buňkami (hlavně kolagen) Integriny kotví v membráně Cytoskelet Cytoskelet Cytoskelet Mikrofilamenta: Aktin a myosin Typy filament Úloha středních Řízený transport splňuje základní podmínku udržení stálosti. Bílkoviny mají zásadní úlohu v přenosů látek i signálů. Nabitá membrána se hodí. Cytoskelet umožňuje pohyb i oporu – pro buňku zásadní. Shrnutí Přenos informací Mezibuněčná komunikace a signálová transdukce Mezibuněčná komunikace a signálová transdukce Obecná chemorecepční schopnost buněk Komunikace ve společenství buněk, rozeznání poškozené nebo cizí buňky Signály: diferencuj, proliferuj, syntetizuj, zemři… Porozumění = klíč k podstatě Mezibuněčná komunikace a signálová transdukce Obecná chemorecepční schopnost buněk Komunikace ve společenství buněk, rozeznání poškozené nebo cizí buňky Signály: diferencuj, proliferuj, syntetizuj, zemři… Porozumění = klíč k podstatě Chemické signály přijímá buňka od svého vzniku… Embryonální diferenciace …po svou smrt Apoptóza Ovariální teratom Mezibuněčná komunikace a signálová transdukce Obecná chemorecepční schopnost buněk Komunikace ve společenství buněk, rozeznání poškozené nebo cizí buňky Signály: diferencuj, proliferuj, syntetizuj, zemři… Porozumění = klíč k podstatě Regenerativní medicína a onkologie Na jednu stranu chceme aby už nerostly (novotvary)na druhou aby zase rostly (náhrady) Úkol biomedicíny: rozplétání signálních drah Inzulínová dráha jako příklad ▪ Peptidy a proteiny – mnoho hormonů a neurohormonů ▪ Steroidy – hormony a feromony ▪ Aminy – od tyrozinu (adrenalin, par. histamin) ▪ Retinoidy – od vit A ▪ Plyny – (NO, CO) ▪ Puriny – ATP, cAMP ▪ Eikosanoidy – (prostaglandiny) Chemická struktura signálních látek. Způsob předání signálu – jeden klíč, ale různé dveře Způsob předání signálu – mezi buňkami Způsob předání signálu – mezi buňkami Způsob předání signálu – přes membránu http://www.physiome.cz/atlas/bunka/01/ Např. Adrenalin Např. Tyroxin Způsob předání signálu – přes membránu Nepolární hormon - účinek Varianta nepolární hormon Způsob předání signálu – přes membránu Varianta polární hormon Ještě jednou: 4 způsoby předání signálu přes membránu A – GPCR (G protein coupled receptor) B – Ligandem řízený kanál C – Ligandem řízený enzym D – Proteosyntézu řídící receptor Proteinkinázy – zprostředkují „nabití“ , fosforilaci Proč tolik úrovní? •Zesílení •Propojení Způsob předání signálu – za membránou http://highered.mcgraw-hill.com/olc/dl/120069/bio08.swf Druzí poslové Animace Použité látky vlastní musí být degradovány stejně jako látky cizorodé Proteazómy - úklid vlastních signálů – transkripčních faktorů a enzymů Příprava volných AK Obecná neurofyziologie signály přenášené vzrušivými membránami Řeč elektrických změn je typická, ale citlivost na chemické signály zůstává a je bohatě využita. Základní stavební a funkční plán nervového řízení. Spolupráce s gliovými buňkami. Základní stavební a funkční plán nervové soustavy. http://www.southtexascollege.edu/nilsson/4_GB_Lecture_figs_f/4_GB_16_Homeostasis_Fig_f/ReflexArc_fig46_8.GIF Neuron a jeho součásti Nabitá membrána - Klidový potenciál Rozdílné postavení Na a K iontů Na – daleko od rovnováhy K – v rovnováze K+: Na+: INTRA (-) EXTRA (+) KONCENTRACE NÁBOJ Koncentrace hlavních iontů na membráně. Iont, který nejlépe prochází membránou určuje její celkové napětí (vnucuje svůj rovnovážný potenciál) Akční potenciál Akční potenciál (AP) Buď nevznikne vůbec, nebo vzniká stále stejně velký. Informace, kterou AP přenáší, je zapsána do frekvence. Časový záznam AP Mechanismus vzniku: Spolupráce kanálů při vzniku AP – daleko od rovnováhy K+: Na+: INTRA EXTRA KONCENTRACE NÁBOJ (-) (+) – v rovnováze Na K Napěťově řízený Na kanál – podmínka pro depolarizaci při vzniku AP 3 stavy Převažující Na propustnost vystřídá K propustnost – propustnější má větší slovo a táhne membránu ke svému rovnovážnému napětí. AP kanály Šíření podél membrány. Kromě příčného i podélný tok iontů. Záleží na průměru. Šíření AP1 Šíření AP2 Šíření podél membrány. Záleží také na myelinizaci. Synapse Přerušení elektrického vedení po membráně. Chemický prostředník Proč? Umožňuje plasticitu (paměť), zpracování Chemický prostředník: Exocytóza mediátoru Receptor na postsynaptické straně je součástí kanálu – ionotropní signalizace nebo spojen s kanálem kaskádou signálů – metabotropní signalizace Synapsin váže vesikuly k cytoskeletu Metabotropní signál: Intracelulární předání signálu jde vyzkoušenou cestou G proteinové signalizace – univerzální mechanismus Metabotropní: Látková signalizace1 Látková signalizace2 Látková signalizace3 Látková signalizace na synapsi Ionotropní: Nervosvalová ploténka Nemusí být jen excitační, jsou i inhibiční transmitery. Mediátory - neurotransmittery Vzácně i elektrická synapse. Jak spolu neurony komunikují. Dva druhy kanálů – dva druhy kódování Elektricky a chemicky Dva druhy kódování informace Dálkové šíření – digitálně Zpracování - analogově Smysl: A) Zpracování: sčítání, syntéza, porovnávání signálů. Integrace vstupů. Časová a prostorová sumace B) Plasticita NS – základ paměti Smysl: Zpracování - analogově Časová sumace Časová sumace Prostorová sumace Smysl: Zpracování - analogově Některé synapse inhibiční Některé excitační Facilitace Inhibice Jak spolu neurony komunikují. Larva octomilky jako model. Aktivace různých drah pro různé typy chování. Neurony integrují vstupy a výstup je výsledem časové a prostorové souhry excitačních a inhibičních vstupů. Synaptická plasticita základem paměti. Rychlá – potenciace. Pomalá – přestavba Přestavba dentritických trnů Látkové signály doprovázejí buňky po celý život a určují jejich funkci a osud. Nervové buňky kromě látkových signálů používají i elektrické. Akční potenciál je vhodnou řečí na dálkové digitální vysílání. Místní potenciály umožňují zpracování signálu. Synaptická spojení umožňují plasticitu a paměť Shrnutí Život v buňce Život v buňce – Animace komentovaná Obecná fyziologie smyslů Co se děje na membránách. Receptorové buňky jsou brány, kterými vstupují signály do NS Exteroreceptory x interoreceptory Svět smyslů – úloha mozku. Paralelní dráhy specializované na určitou vlastnost (kvalitu – pohyb odděleně od tvaru). V rámci dráhy ještě specializace na konkrétní hodnotu (výšku tónu, chuť) . Receptorová buňka převádí energii podnětu na změnu iontové propustnosti. Transdukce Transformace Receptorová buňka převádí energii podnětu na změnu iontové propustnosti. Vlastnosti membrány jsou klíčem pro transdukci. Intenzita podnětu a intenzita odpovědi. Weber-Fechnerův zákon Smysl: kompromis mezi rozsahem a citlivostí. Rozliším 1 a 2g, ale ne 1000 a1001g Trvání podnětu a trvání odpovědi. Většina receptorů pracuje jako diferenční Laterální inhibice: vyšší rozlišovací schopnost zesílení kontrastů