RESPIRACE ZE VZDUCHU
A) RYBY
respirační vaskularizované tkáně: kůže, epitely úst, žaludku, střeva, hltanové vaky,
modifikované žábry (nadžábrové labyrinty), plynový měchýř, plíce
Keříčkovitý orgán keříčkovce Clarias
a nadžaberní labyrint guramy Osphronemus
HABITAT RESPIRAČNÍ TKÁŇ / ORGÁN
Gymnotiformes řeky, bažiny ústní dutina/hltan, žaberní dutina
Polypteriformes sladké vody zdušné vaky
Synbranchiformes bažiny, rybníky nadžaberní vzdušné vaky
Siluriformes rybníky, bažiny, řeky nadžaberní vzdušné vaky,
keříčkovitý žaberní orgán
žaludek, střevo, plynový měchýř
Cyrpiniformes rybníky, tůňky, intestinum
řeky, bentické vody
Perciformes rybníky, bažiny, řeky, nadžaberní vzdušné vaky,
skalnaté říčky žaberní dutina, kůže,
ústní dutina, nadžaberní labyrint
Anguilliformes řeky kůže
Amiiformes sladké vody plynový měchýř
Lepisosteiformes sladké vody plynový měchýř
Salmoniiformes stojaté vody plynový měchýř
Osteoglossiformes sladké vody, bažiny plynový měchýř
Gonorynchiformes řeky plíce
Lepidosireniformes řeky plíce
Bichiři
Jeseteři
Okounovití
Amia (Kaprouni)
Bahníci
Trahiři
Evoluce plic a plynového měchýře
jako derivátu hltanu
velikost (g) total O2 (ml/kg min) % A/V(O2) RQ(A/V/ total)
Lepidosiren plíce 500 0,37 96 / 4 0,45 / 6,7 / 0,73
Protopterus plíce 3250 0,19 89 / 11 0,25 / 4,7 / 0,75
Lepisosteus plynový měchýř 600 0,89 73 / 27 0,09 / 2,7 / 0,8
Anabas labyrint 40 1,88 54 / 46 0,2 / 2,29 / 1,17
Amia plynový měchýř 1200 1,5 35 / 65 0,6 / 1,4 / 1
Neoceratodus plíce 6000 0,25 0 / 100 - / 0,72 / 0,72
Podíl výměny O2 ze vzduchu (A) a vody (V), respirační kvocient (RQ) ve
vzduchu, vodě a celkově u vzduch dýchajících ryb v „normoxické“ vodě.
Znázornění přechodu mezi vzdušným a vodním
dýcháním v závislosti na parciálním tlaku O2 ve
vodě u dvou ryb s odlišnou preferencí vodního
a vzdušného dýchání (obě plynový měchýř).
Arapaima –sladké vody
Piabucina - bažiny
Ventilační cyklus u trahira (Hoplerythrinus unitaeniatus)
http://www.youtube.com/watch?v=8XQQlxQfjcY&feature=related
bc – ústní dutina
e – jícen
s – žaludek
agb – přední plynový měchýř
rgb - resprační plynový měchýř
pgb – zadní plynový měchýř
cd – komunikační kanál
Bahník východoafrický
(Protopterus aethiopicus)
Velmi dobře vyvinuté plíce
bahníka východoafrického
B) OBOJŽIVELNÍCI
velká variabilita v rozvoji a využívání plic pro dýchání, obecně velký význam
dýchání kůží, případně žábrami
Zastoupení jednotlivých orgánů
ve výměně O2 a CO2 u mloka
(Necturus) při teplotě 25°C.
O2 CO2
plíce 10 % 12 %
žábry 60 % 61 %
kůže 30 % 27 %
total 26,1 23,7
(ml O2 / g h)
Různě vyvinuté plíce ocasatky (Ascaphus)
a ropuchy (Bufo)
Ascaphus
Bufo marinus
Plicní ventilace u obojživelníků
- na rozdíl od vyspělejších skupin obratlovců, podobně jako vzduch dýchající
ryby, nevyužívájí k nasávání vzduchu negativní tlak v plicích
C) PLAZI
velká variabilita v rozvoji plic, ale dýchání je již na nich plně závislé,
poprvé s objevuje využití negativního plicního tlaku pro vdech
- dobře vyvinutá žebra a mezižeberní svaly
Rozvětvené plíce chameleona
(Chameleon zeylanicus)
Dýchací cyklus a fluktuace O2 a CO2
v plíci zmije (Vipera xanthina)
Želvy mají srostlá a nepohyblivá žebra
=> mají dobře vyvinutou bránici, a zároveň
regulují tlak v plicích pohybem končetin
Krokodýlové, podobně jako hadi a ještěři
nemají bránici a pouze minimálně využívají
pohyb dobře vyvinutých žeber a mezižeberních
svalů k dýchacím pohybům. Rozpínání
plic zajišťují pohybem jater diafragmatikem
Plazi obývající vody (zejména krokodýli a želvy) využívají
hydrostatický tlak pro pasivní výdech. Mnozí mají také
větší podíl kožního dýchání něž suchozemské druhy.
Např. u mořských hadů při ponoření, kůže zprostředkuje
výměnu až 94 % CO2 a 33 % O2. Některé vodní želvy
(Amyda, Aspidonotus) jsou schopny vstřebávat O2
z vody sliznicí v ústech a hltanu. Amazonská želva
(Podocnemy(i)s) je běžně schopná získat až 90 %
potřebného O2 rytmickým proplachováním kloaky
okolní vodou. Želvy (Trionyx) při ponření, také intenzivně využívají příjem O2 z vody
přes ústní a hltanovou sliznici, v menší
míře také využívají kožní dýchání.
Obecně, mnozí tetrapodi významnou
část CO2 uvolňují kůží.
Podocnemy(i)s
Laticauda colubrina
D) SAVCI
- obecně velmi dobře vyvinuté plíce s nepostradatelnou funkcí pro dýchání
- ventilace je zprostředkována pohybem žeber a bránice
- u mnohých je plicní ventilace synchronizována s pohybem
- klokani ~ pístový efekt při skocích
- synchronizace s chůzí (různé poměry, 1:1, 1:2,..)
- netopýři s máváním křídly (1:1)
- intenzita ventilace a perfúze není ve všech alveolech stejná
horní (menší ventilace i perfúze) x dolní čast plic
Lidské plíce
- 150 x 106 alveolů o průměru 150-300 mm
- celková plocha alveolů = 80 m2 ~ 9 x 9 m
Schéma savčích plic
E) PTÁCI
- pravděpodobně nejúčinněji vyvinuté plíce s nepostradatelnou
funkcí pro dýchání
- v průběhu ventilace nemění svůj objem, ventilace je prováděna
důmyslným systémem vzdušných vaků napojených na plíce a tracheu
tyto vaky obklopují vnitřnosti a pronikají i do velkých dlouhých kostí
(humerus, femur)
- u plicník vaků se předpokládá i termoregulační funkce
- plicní ventilace synchronizována s pohybem - s máváním křídly (1:1)
- 2 primární průdušnice (bronchi)
- 4 ventrální sekundární průdušnice
(ventrobronchi - VB)
- 7-10 dorsálních sekundárních průdušnic
(dorsobronchi - DB)
- VB a DB jsou spojeny množstvím kanálků
(parabronchi – P)
Schéma ptačích plic
Paleopulmo je vždy, neopulmo jen
u pokročilejších řádů (např. emuové nemají),
u Galliformes a Passeriformes tvoří až 25%
objemu plic
T – trachea; CAS – cervikální, IAS interclavikulární, AAS – anterio thorakální,
PAS – posteriol thorakální a ABAS – abdominální vzdušný vak
Mikroskopická struktura ptačích plic
P – parabronchi, G – tkáň výměny plynů,
A – vzdušné kapiláry, V – cévy, C – krevní kapiláry
Znázornění proudů inspirovaného a expirovaného vzduchu v plicích ptáků
Změny parciálních tlaků CO2 a O2 v jednotlivých částech plic ptáků
při inspiraci (I) a expiraci (E) vzduchu
T – trachea, B – primární bronchus, PAS - posteriární vzdušný vak,
TAS – thoratický vzdušný vak, VB – ventrobronchus, DB – dorso bronchus
Principy plicní ventilace
Ventilace
- ventilační objem
- residuální objem
- anatomický mrtvý prostor
- fyziologický mrtvý prostor
- inspirační minutový objem
Parciální tlaky (kPa) plynů v různých částech plic člověka
vzduch mrtvý prostor alveoly vydechovaný vzduch
O2 21,1 19,8 13,8 15,9
CO2 0,039 0,037 5,32 3,59
vodní páry 0,53 6,25 6,25 6,25
N2 79,3 74,8 75,6 75,2
celkem 101 101 101 101
Dechový (respirační) objem - ~ 500ml v klidu (člověk)
Inspirační reverzní objem - ~ 2500ml (člověk), maximum co lze
vdechnout
Exspirační reverzní objem - ~ 1000ml (člověk), maximum výdechu
v klidu
Vitální kapacita plic – součet reverzních objemů, měřítko
maximálních možností plicní ventilace
Reziduální objem = objem kolapsový (uvolní se po plicním kolapsu, pneumotoraxu)
+ objem minimální (část prvního nadechnutí při narození)
Transalveolární výměna plynů
- difúzní vzdálenost
- plicní difúzní kapacita O2
Alveolární vzduch – řízení ventilace udržuje stejné složení – 13-16% O2 a 4-5% CO2
Difúzní vzdálenosti mezi vnějším médiem a krví
v kapilárách u různých vzduch dýchajících
organismů
difúzní vzdálenost (mm)
tlamovec (Haplochromis) 0,31-2,0
keříčkovec (Saccobranchus)
žábry 3,6
vzdušné vaky 1,6
pokožka 98,0
lezoun (Anabas)
žábry 10,0
nadžaberní dutina 0,21
labyrint 0,21
holub 0,1-1,4
vlaštovka 0,09
ťuhýk 0,17
potkan 0,13-0,26
člověk 0,36-2,5
rejsek 0,27
Plicní difůzní kapacita O2 (PDKO2; ml / min kPa kg)
keříčkovec (Saccobranchus)
žábry 0,024
vzdušný vak 0,029
pokožka 0,003
lezoun (Anabas)
žábry 0,007
nadžaberní dutina 0,054
labyrint 0,229
skokan (Rana) 0,027
varan (Varanus) 0,072
ještěr (Tupinambis) 0,049
želva (Pseudemys) 0,066
želva (Testudo) 0,114
slepice 0,580
vrabec 70
špaček 48
myš (aktivní) 7,5
rejsek (aktivní) 11,2
člověk (v klidu) 0,3
člověk (aktivní) 3,59
Stabilizace alveolů
- je potřeba vyrovnat tlak povrchového napětí vody ~> smáčedla / surfaktanty
- dipalmityl-lecitin v kombinaci s proteiny
Povrchové napětí vody a různých povrchových filmů
povrchové napětí (mN / m)
voda (0°C) 76,6
voda (20°C) 72,8
voda (40°C) 69,6
mýdlový roztok 25
10% butyl alkohol 26
povrchový film plynového měchýře karase 10-20
povrchový film plic kaprouna (Amia) 3,9
povrchový film plic bahníka (Lepidosiren) 1
povrchový film plic savců 1
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)
Také „anticipační zpětná vazba“
=> Proprioreceptory ve svalech a šlachách
při zvýšené námaze stimulují dýchaní
v předstihu před zvýšením CO2
Recepce kyslíku (savci)
Tkáňová úroveň – přizpůsobené struktury se schopností výrazné odezvy
na změny v koncentraci O2
- 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)
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
Změny v koncentraci CO2 a O2 jako stimulant intenzity ventilace
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 nemaji 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)
Intenzita ventilace v závislosti na koncentraci O2 a CO2 u plazů a ptáků
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
Intenzita ventilace v závislosti na koncentraci O2 a CO2 u různých savců
Marmot – svišt´
Gopher – sysel
Mole-rat - rypoš
Potápění
- zadržení dechu ~ zástava ventilace
- hydrostatický tlak ovliňuje výměnu plynů
- více O2 a N2 se ze vzduchu v plicích dostane do tělních tekutin
- nebezpečí jejich rychlého uvolnění – Caissonova nemoc
- vysoký pO2 – toxicita a křeče
- vysoký pN2 - narkotizace
- hluboko se potápějící savci -> potopení s výdechem, kolaps alveolů
=> plyn jen v mrtvém prostoru plic (~nevstřebává se)
=> tužší/pevnější plíce, silnější surfaktanty -> snadnější roztažení alveolů
- mořští hadi a mořské želvy
- pravděpodobně snížena citlivost k toxickému působení O2 a narkotizaci N2
- nadbytečný N2 uvolňují kůží do prostředí
- krev vracející se z těla do srdce vynechá plíce (bypass – neoddělený plicní oběh)
Proporční zastoupení O2, N2 a CO2 v organismu
v závislosti na hloubce u potápěče s přístrojem
hloubka (m) 0 50 100 500
vnější tlak (kPa) 101 202 1111 5151
pO2 (kPa) 21,1 42,4 233,5 1082,6
pN2 (kPa) 79,8 159,7 878,3 4072,5
alveolární pCO2 (kPa) 5,32 5,32 5,32 5,35
O2 v plasmě (ml/l) 4,4 8,8 48,3 223,9
N2 v tucích (ml/l) 53 106 582 2700
rozpustnost O2 v plasmě – 0,209 ml / l kPa
rozpustnost N2 v tucích – 0,67 ml / l kPa
Invazní obrat N2 (invasion rate) u velryby a žáby (organismy s kolapsem alveolů / plic)
a potápěče s přístrojem v závislosti na hloubce ponoření
Adaptace výhodné pro potápění u savců
Větší transportní kapacita krve pro O2
- běžně: 17–22 % (ale i delfíni a lachtani)
- tuleňi: obecný 26-29%, Weddellův 29-36%, pruhovaný 34%
- vorvaň malý: 32%
Větší celkový objem krve
- běžně: 60-110 ml / kg
- tuleňi obecný a pruhovaný 130-140 ml / kg
- tuleň Weddellův, rypouš severní, vorvaň obrovský: 200-220 ml / kg
Zásoby kyslíku
- člověk, kůň – 14-15 ml / kg
- tuleni – 40-70 ml / kg
Větší množství svalového myoglobinu (kosterní svaly)
- člověk, kůň – 4-9 mg / g
- tuleň obecný, Weddellův, rypouš severní – 50-55 mg / g
- tuleň pruhovaný, plískavice saravacká – 70-80 mg / g
Oběhový systém
- zejména u potápějících se „bradykardie“ na 5-20%
(vazokonstrikce koronárních arterií, nižší nároky na srdce)
- celkově omezený krevní průtok – řízeno sympatikem (vasokonstrikce)
- proudění krve zejména do mozku > kosterních svalů > gastrointesticiálních orgánů
=> tkáně se rozdělují na aerobně a anaerobně metabolizující (obrat ATP x laktátu)
Tuleň weddellův
-500m, 1h
Plískavice saravacká
-500m
Aerobní limit potápění (ALD, aerobic dive limit)
- Na jak dlouho se může organismus potopit bez následného „kyslíkového dluhu“
- Vázano na limity pro metabolismus laktátu
tuleň Weddellův – 20 minut
lachtan medvědí a ušatý – 4-6 minut
delfín skákavý - 4 minut
rypouš sloní, vorvaň – 40-50 minut
Důsledky ALD pro tuleně Weddellova
potopení 6 x 15 minut, 4 minuty na hladině mezi ponory
– total 114 minut, 90 minut pod vodou
potopení 44 minut, 70 minut na hladině
– total 114 minut, 44 minut pod vodou = ½ času
~ -2000m
Velké nadmořské výšky
- pokles barometrického tlaku – pokles parciálních tlaků
(poměrové zastoupení jednotlivých plynů se ale nemění)
-> zvyšuje se dehydratační stres
(- klesá teplota)
- primárně hyperventilace
- maximální možný přísun O2, alveolární pO2 se ale nemění
- klesá alveolární pCO2 (normálně je pCO2 závislé na produkci CO2 a alveolární ventilaci)
=> pokles alveolárního CO2 = pokles krevního CO2 = inhibice respirace
- tento efekt je vyrovnáván metabolickou acidósou
=> zvýšení H+ (pokles pH) v CSF = stimulace ventilace
Účinek nadmořské výšky na atmosférický
tlak (AP), pO2 a alveolární (a) pO2 a pCO2
u člověka (kPa)
výška(m) AP pO2 paO2 paCO2
0 101 21,1 13,8 5,3
3100 70,6 14,6 8,9 4,8
6200 46 9,7 5,3 3,2
7100 normální strop
8848 33 6,9 4,0 1,5
9200 30 6,3 2,8 -
12300 19 3,9 1,1 -
14460 strop s doplňováním čistého O2
15400 12 2,4 0,1 -
20000 6 1,3 0 0
Výškové limity obratlovců
výška (km) lokalita
obojživelníci
Salamandra 3 Alpy
Telmatobius 3,8 Peru (Titicaca)
Eleutherodactylus 4,5 Peru (Andy)
Bufo 5 Himaláje
ryby
pstruh 2,8 Alpy
pstruh 3,8 Peru (Titicaca)
Nemachilus 4,7 Himaláje
plazi
africký scink 4 Tanzanie (Kilimanjaro)
Dipsosaurus dorsalis 4,9 Peru (Andy)
ještěrky 5,5 Himaláje
ptáci
domácí drůběž 4 Asie, Amerika
různé druhy 4-6,5 Skalisté hory, Andy
sup 5-6 Himaláje
bernešky 6(-7) Himaláje
savci
křečík 4 USA (Skalisté hory)
lidé <4.5 Andy, Himaláje
lamy 4,8-5,4 Peru (Andy)
činčila 5 Peru (Andy)
Jak 5,8 Asie
jelen Taruca 6 Peru (Andy)
- Ve 20 km je vnější tlak vodních par vyrovnaný
se saturačním tlakem vodních par v plicích
=> v plicích není místo pro O2, N2, CO2
- ¨Nad 20 km, začne na povrchu plic voda vařit
Některé aspekty (relativního?) nedostatku kyslíku u člověka
Choroby + vysoké nadmořské výšky
Plíce – velice tenké hranice mezi krví a ovzduším (difuzní vzdálenost)
Normoxické oblasti – volný průtok krve, 1/10 krevního tlaku aorty
Hypoxické oblasti – vazokonstrikce cév => zvýšení krevního tlaku
(lokální plicní hypoxie, hypoxická plicní vazokonstrikce, typické pro plíce a placentu,
mechanismem je pravděpodobně vtok
Ca2+ iontu do svalových buněk plicní cévy
v odpověď na depolarizaci vyvolanou
změnou aktivity K+ kanálů v buněčné
membráně)
Nedostatek kyslíku v plicích
-> zvýšení krevního tlaku v plicích (plicnici)
(globální plicní hypoxie, dlouhodobě => hypoxická plicní hypertenze)
-> hypertrofie pravé srdeční komory
-> selhání srdce
- význam této adaptace není jasný
- změna tlaku v plicnici stejná u bělochů,
tibeťanů i andských indiánů
- u ostatních savců různé schopnosti
- limity ???
normoxie – dostatečné množství kyslíku
hypoxie – snížené množství kyslíku –> specifická reakce
anoxie – bez kyslíku –> specifická reakce
Hypoxická plicní hypertenze
Při poruše adaptace nebo nedostatečné adaptaci
- “horská nemoc“, otoky plic a mozku
- přestavba struktury stěn plicních cév, jejich požkození
- v důsledku hypoxie
-> produkce kyslíkových radikálů a NO*)
-> požkození buněk
-> změna programu syntézy ECM, obalení cév pojivovou sítí
-> podpora růstu buněk hladkého svalu, zesílení svalové vrstvy
Reverze po adaptaci
nebo při návratu do normoxie
(reverze trvá měsíce)
*)NO má vazodilatační schopnosti!
Andští indiání x běloši z nížin
- více hemoglobinu
- větší dechové objemy
- větší tlak krve v plicnici
- potlačená reakce na nízký parciální tlak kyslíku
Tibeťaná x běloši z nížin
- srovnatelné koncentrace hemoglobinu
- nemají potlačenou reakci na nízký parciální tlak kyslíku
- srovnatelný tlak krve v plicnici
- koncentrace hemoglobinu a kysliku je nižší než u adaptovaných lidí
- větší přítok krve do placenty (v menší míře pozorováno i u andských indiánů
- lepší genová výbava, viz. dále
Vývojová x fyziologická adaptace
Andští indiáni – 3500-4000 m.n.m.; 6 000 let
Tibeťani – 4000-5500 m.n.m; 25 000-50 000 let
Srdce
- embryonální a novorozenecké srdce je odolnější k hypoxii -> minimum infarktů
(dodávka kyslíku jak v 8 000 m.n.m.)
- podobně u obyvatel trvale žijících nad 3 500 m.n.m.
- embryonální srdce také více odolné k poklesu pH a k Ca2+
- exprese jiných izoforem některých proteinů, např. myozinu
- efeckt tzv. FETAL GENE PROGRAM SWITCH
- ektotermové mají odolnější srdce k hypoxii jak endotermové
Ischemická hypoxie – snížení průtoku krve (ischemická choroba, infarkt myokardu)
Hypoxická (systémová) hypoxie – malý parciální tlak kyslíku (některé vady a onemocnění srdce a plic, vysoké nadmořské výšky)
Anemická hypoxie – poruchy v přenosu kyslíku (nedostatek hemoglobinu,…)
Histotoxická hypoxie – snížení využití kyslíku v buňce (požkození respiračních enzymů, apod.)
Zdá se, že jednou z klíčových rolí hrají mitochondrie - mohutný redox-oxidační aparát
- embryonální srdce jednoduché mitochondrie
- velký podíl anaerobní glykolýzy pro zisk energie
- dospělé srdce dva typy dobře vyvinutých mitochondrií (pod membránou a mezi fibrilami)
- energie hlavně z b-oxidace lipidů
- souvislost s adaptací na vysokohorské podmínky není dosud známa
Hypoxie na molekulární úrovni
- hypoxie vede k produkci reaktivních kyslíkových radikálů (ROS)
- ROS ovlivňují dráhy signální transdukce
- ROS požkozují buněčné komponenty
- ukládání lipofuscinu*) do svalů (myokard a hladká svalovina), hepatocytů, neuronů,…
- hypoxie indukuje HIF (hypoxia inducible factor)
*)Lipofuscin – hnědý pigment, vznik oxidací lipidů -> požkozování membrán
Lidé nížin adaptovaní na 5 500 m.n.m. versus Tibeťani
- o 20% nižší hustota mitochondrií ve svalech
- o 25% nižší oxidativní enzymatická aktivita
- aktivity glykolytických enzymů s minimálními změnami
- Tibeťani 4x více glutathion-S-transferázy (isoenzym P1-1) => syntéza glutathionu
- u Tibeťanů
- zvýšená exprese D2-enoyl-CoA-hydratázy (oxidace mastných kyselin v mitochondriích)
- méně tuku ve svalových vláknech
- zvýšený metabolismus tuků – adaptace na vysokohorské prostředí ???
Ukládání lipofuscinu v myokardu
Produkce a účinky ROS na buněčné úrovni
Luis Covarrubias, et al.,2008.
Developmental Biology 320:1-11.
Produkce ROS v mitochondriálním respirsčním řetězci
Některé interakce ROS s intracelulárními signálními drahami
Nejvýznamnější mechnaismy chránící proti ROS
- degradační enzymy – kataláza, superoxid dismutáza,…
- neenzymatické antioxidanty
glutathion (g-glutamyl-cystinyl-glycine; GSH)
thioredoxiny (Trx1,2,3) a glutaredoxiny (Grx1,2)
- malé peptidy s aktivním disulfidovou skupinou)
- Trx reduktázy (3): Trx1 a TrxR1 – cytosol, nukleus
Trx2 a TrxR2 – mitochondrie
- Grx reduktázy (2): Grx2 a GrxR2 – mitochondrie, nukleus
GSH GSSG
oxidace
GSH reduktáza
Produkce a detoxikace ROS v mitochondriích (souhrn)
Význam jednotlivých proteinů podílejících se na oxidačních procesech
(Covarrubias, et al. 2008)