Prof. Vladimír Šimek Doc. Martin Vácha Fyziologie živočichů Z čeho studovat? Chodit na přednášky? 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. Test ke zkoušce Přehled kapitol: 1. Postavení fyziologie mezi ostatními vědami 2. Fyziologické principy 3. Homeostáza, adaptace a regulace 4. Obecná neurofyziologie 5. Přeměna látek a energií – metabolizmus 6. Teplota – její vliv a udržování 7. Problém velikosti a proporcí těla 8. Fyziologie pohybu 9. Funkce tělních tekutin 10. Imunitní systém 11. Cirkulace 12. Fyziologie dýchacího systému 13. Fyziologie trávení a vstřebávání 14. Exkrece a osmoregulace 15. Hormonální řízení 16. Nervová soustava 17. Speciální fyziologie smyslů 18. Biorytmy Fyziologie živočichů - kontext Fyziologie 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, rozmnožování. Využívání látek a energie z okolí. Studium funkcí – úkol pro fyziologii Figure 2-37 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Na sluneční pohon. Živý organismus má svou historii: je výsledkem milionů let evoluce díky variabilitě a přírodní selekci. Na fyziologické vlastnosti se lze dívat ze dvou hledisek: • mechanistické vysvětlení – jak to funguje (proximátní, tradiční fyziologický přístup) • evoluční vysvětlení – jak se to vyvinulo, teleologické hledání „smyslu“ Např. svalový třes Na biologické vlastnosti se lze dívat ze dvou hledisek: mechanistické vysvětlení – jak to funguje (proximátní, tradiční fyziologický přístup) evoluční vysvětlení – jak se to vyvinulo, teleologické hledání „smyslu“ Např. svalový třes Protože znaky pravděpodobně vznikají selekcí, a ty, které překážejí, zmizí. Mluví se tedy o nich jako o adaptacích – ty 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. Omezení termínu „adaptace“. •Páteř – suboptimální design. •Inverzní oko obratlovců •Proč zrovna 37°C tělesné teploty? – Historie a prostředí savců. •Lidský genom je zaneřáděn dříve funkčními geny a většina zřejmě nic nekóduje. Některé geny máme po virech a bakteriích! Srovnávací přístup – vidí vývojové a environmentální souvislosti v mořive sladké vodě Prostředí a historie určují 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 Velikost určuje stavbu těla a funkce Čím větší tím úspornější Nejtěžší se dostanou nejdál Těžkého plavce stojí rychlost méně 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 Limituje: svalový výkon – pohyb a opora těla udržování stálosti uvnitř těla – energetiku 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 Homeostáza, adaptace, regulace Podmínky vnitřního a vnějšího prostředí se liší. 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, adaptace, regulace Podmínky vnitřního i vnějšího prostředí kolísají. Vznik orgánových soustav u mnohobuněčných - péče o stálost vnitřního prostředí Kontaktní rozhraní musí mít velkou plochu ledvinný tubulus kapiláry plíce střevo Optimum a jeho hranice Homeostáza, adaptace, regulace Podmínky vnějšího prostředí kolísají: 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 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 ranných 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 Metody fyziologie: od genetických po behaviorální. von Frish Genová terapie Transgenní organismus Elektrofyziologie Neuroetologie Co vidí Drosophila Metabolismus Mikroskopie Molekulární „klasika“ Živý organismus je výsledkem: konkrétního vývoje v konkrétním prostředí Určité velikosti těla Určité životní strategie např. chování, počtu potomků … Shrnutí Shrnutí Živé organismy pracují na své „údržbě“. Koncept homeostázy umožňuje pochopit smysl práce orgánových soustav mnohobuněčných. Negativní zpětná vazba je základním typem homeostatické regulace Shrnutí Udržení organizovanosti navzdory chaosu -základní vlastnost živých organizmů-Buněčná fyziologie Bariéra a brány Figure 2-22 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Membrána z nepropustného materiálu. Fluidní mozaika. Bariéra a brány Hlavní membránové struktury buňky Hlavní membránové struktury buňky + cytoskelet Bílkoviny – flexibilní molekuly: -přenašeči signálů a látek -generátory pohybu -regulační enzymatická aktivita -jedinečnost vazby Bílkoviny jako brány Funkce membránových bílkovin – přenos látek, signálů, fixace na extra a intracelulární struktury. Protein se skládá do kompaktní konformace. Vazba proteinu k jiné molekule je selektivní – jedinečnost vazby Protilátka-antigen, vůně-receptor Vazba proteinu (enzymu) k jiné molekule je selektivní a umožní reakci. Enzym - substrát Díky slabým vazbám je možné překlápění alosterické struktury po aktivaci • Po vazbě ligandu na receptorové místo • Změnou elektrického napětí • Mechanickou deformací • Enzymatickou fosforilací (kinázou) nebo defosforilací (fosfatázou) (Základ proteinových strojů). Fosforylace proteinu. Fosforylová skupina modifikujeZapíná nebo vypíná. Typy transportu http://highered.mcgraw-hill.com/sites/dl/free/0072437316/120060/ravenanimation.html Usnadněná difuze – změna konformace ve funkci brány Kanály mohou regulovat pasivní transport. Jsou mnohem rychlejší než transportéry Mohou být velmi selektivní a řízené různými podněty Strukturu kanálů lze znázornit různě Draslíkový kanál Aktivní transport – poháněno E nesenou ATP animation 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 ATP syntetáza na vnitřní membráně mitochondrie se točí obráceně – Můžeš projít, ale vyrob ATP http://highered.mcgraw-hill.com/olc/dl/120071/bio11.swf Animace Cytóza – aktivní transport velkých množství http://highered.mcgraw-hill.com/olc/dl/120068/bio02.swf t-SNARE: docking marker akceptor v-SNARE: docking marker Coatomer: drží zakřivenou stěnu vezikulu Améboidní pohyb a úloha cytoskeletu Makrofág a bakterie Použité bílkoviny musí být degradovány Proteazómy Úklid vlastních signálů – transkripčních faktorů a enzymů Příprava volných AK Lysozómy likvidují látky a částice z venku - animace Jednobuněčný Mnohobuněčný Bariéry a brány Paracelulární transport – určuje „děravost“ epitelu Spolupráce – buněčná spojení Spolupráce ve tkáních – buněčná spojení Konexon a „gap junction“ Extracelulární matrix tvoří: • tmel mezi buňkami (hlavně kolagen) • basální membránu epitelů • Napojena na cytoskelet uvnitř buněk Funkce membránových bílkovin – přenos látek, signálů, fixace na extra a intracelulární struktury. Extracelulární matrix – tmel mezi buňkami (hlavně kolagen) Integriny kotví v 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 – daleko od rovnováhy K – v rovnováze K+: Na+: INTRA (-) EXTRA (+) KONCENTRACE NÁBOJ Na/K pumpa Na/K pumpa Vápník – extracelulární iont, nositel signálů Mechanismy udržující nízkou hladinu Ca v buňce Vápník – extracelulární iont, nositel signálů Mechanismy udržující nízkou hladinu Ca v buňce Stačí malé podráždění a Ca proudí do buňky Vápník – extracelulární iont, nositel signálů Cytoskelet Cytoskelet Cytoskelet Život v buňce – Animace komentovaná Život v buňce - Animace Barvozměna – také jedna důležitá úloha pro cytoskelet 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 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) • Eikosanoidy – (prostaglandiny) • Plyny – (NO, CO) • Puriny – ATP, cAMP • Aminy – od tyrozinu (adrenalin, par. histamin) • Peptidy a proteiny – mnoho hormonů neurohormonů • Steroidy – hormony a feromony • Retinoidy – od vit A Chemická struktura Způsob předání signálu – jeden klíč, ale různé dveře Způsob předání signálu – mezi buňkami Způsob předání signálu – mezi buňkami Způsob předání signálu – přes membránu Např. Tyroxin Např. Adrenalin Způsob předání signálu – přes membránu Polární hormon - účinek Způsob předání signálu – přes membránu Nepolární hormon - účinek Univerzální mechanismy signalizace Proč tolik úrovní? •Zesílení •Propojení http://highered.mcgraw-hill.com/olc/dl/120069/bio08.swf Způsob předání signálu – za membránou Druzí poslové Animace Použité bílkoviny musí být degradovány Proteazómy Úklid signálů – transkripčních faktorů a enzymů Příprava volných AK Obecná neurofyziologie signály přenášené vzrušivými membránami Nabitá membrána - Klidový potenciál 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 Koncentrace hlavních iontů na membráně v klidu. Rozdílné postavení Na a K iontů Na – daleko od rovnováhy K – v rovnováze K+: Na+: INTRA (-) EXTRA (+) KONCENTRACE NÁBOJ Akční potenciál http://www.hhmi.org/biointeractive/vlabs/neu rophysiology/index.html Jak se dnes měří a jak vypadá? Akční potenciál Buď nevznikne vůbec, nebo vzniká stále stejně velký. Informace, kterou přenáší, je zapsána do frekvence. Časový záznam AP AP kanály Mechanismus vzniku: Spolupráce kanálů při vzniku AP 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. 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. Proč? Plasticita, zpracování Chemický prostředník Chemický prostředník: Exocytóza mediátoru Superrychlá cytóza Klatrin tvoří vesikuly Synapsin váže vesikuly k cytoskeletu Receptor na postsynaptické straně je součástí kanálu – ionotropní signalizace nebo spojen s kanálem kaskádou signálů – metabotropní signalizace 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 Mediátory - neurotransmittery Nemusí být jen excitační, jsou i inhibiční transmitery. 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: Zpracování - analogově Časová sumace Časová sumace Prostorová sumace Smysl: Zpracování - analogově Některé synapse inhibiční Některé excitační Facilitace Inhibice Smysl: A) Zpracování: sčítání, syntéza, porovnávání signálů. Integrace vstupů. Časová a prostorová sumace B) Plasticita NS – základ paměti Neuronální signalizace Divergence, konvergence Synapse vytvářejí dynamickou síť spojů, základem reflexů. Monosynaptické x Polysynaptické Nepodmíněné x Podmíněné http://www.southtexascollege.edu/nilsson/4_GB_Lecture_figs_f/4_GB_16_Homeostasis_Fig_f/ReflexArc_fig46_8.GIF 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 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). V rámci dráhy ještě specializace na konkrétní hodnotu. Receptorová buňka převádí energii podnětu na změnu iontové propustnosti. Transdukce Transformace Vlastnosti membrány jsou klíčem pro transdukci. Intenzita podnětu a intenzita odpovědi. Weber-Fechnerův zákon Trvání podnětu a trvání odpovědi. Většina receptorů pracuje jako diferenční Laterální inhibice: vyšší rozlišovací schopnost zesílení kontrastů