FYZIOLOGIE DÝCHACÍHO SYSTÉMU ❖ Všechny živočišné buňky přijímají a odevzdávají dýchací plyny (zejména 02 a C02) ♦> Základem výměny je prostá difúze plynů po koncentračních gradientech ♦> Difúze je však velmi pomalá (zejména 02) a s rostoucí vzdáleností nedostačuje pokrýt spotřebu - limit velikosti a aktivity ♦> Vývoj dýchacích/respiračních systémů Dýchání na buněčné úrovni - difúze, ale také mechanismy zvyšující gradient a tvořící zásoby 02 - globiny (proteiny vázající kyslík díky prostetické skupině (metaporfyrin - hem) obsahující iont Fe, cytoglobiny (myoglobin, neuroglobin,..)) Vnější dýchání - dýchací systém Dýchací orgány / tkáně (plíce, žábra, plicnívaky, kůže,...) a pro plyny nosné média (krev, hemolymfa,..) Vodní x vzdušné prostředí Voda - celkově nižší parciálni tlaky plynů, procentuální zastoupení jednotlivých plynů, ale stejné jak ve vzduchu - 02 je hůře rozpustný než C02 - 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 02) Vzduch - S vyšší nadmořskou výškou, pokles parciálních tlaků, ale bez změny procentuálních poměrů - V nevetraných prohlubních (nory apod.), nárůst koncentrace C02 - potřeba adaptace Změny barometrického a parciálního 02 a C02v různém prostředí (kPa) vzduch p02 %02 pC02 %C02 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 (H20, ppm) 41,1 21 0,06 0,03 1520 -100 m (H20, ppm) 231,5 21 0,33 0,03 8360 -1000 m (H20, ppm) 2135,8 21 3,06 0,03 76760 rypos klokaní kapsa 15,9 15,5 3,85 10,9 13,7 6,25 14,1 14 4,78 15,8 15,7 5,32 Rozpustnost 02 a C02 ve vodě závislosti na teplotě A rozpustnost 02 ve vodě v závislosti na teplotě a salinitě o 20 teplota (°C) Grafické vyjádření závislosti rozpustnosti / kapacitance 02 a C02 na teplotě ve vodě a vzduchu. 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 Difúzni koeficienty (cm2 /s) pro 02 a C02 pro různé biologické materiály o2 cc vzduch (0°C) 0,178 0,: (20°C) 0,20 voda (20°C) 20xl06 18: (37°C) 33xlO"6 lidské plíce (37°C) 23x106 svaly (20°C) 14xl06 kůže mloka (25°C) 14xl06 pojivová tkáň (20°C) 12x106 rosol žabího vajíčka (20°C) 10,2x106 obal žraločího vajíčka (15°C) 3,0x106 kůže úhoře (14°C) 2,4xl06 obal lososí jikry (5-15°C) 1,8x106 Chitin (20°C) 0,7xl06 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 zaber, ukryto v těle suchozemští mají problém se ztrátami vody - Celkově výkonnější výměna, jednoduší výměna vzduchu oproti vodě => větší energetické zisky Amphibian Skin Blood capillaries "Open" i = e Fish Gills Secondary lamellae Blood capillaries Ventilatory water flow Countercurrent -i a u v Mammalian Lung Alveolus Ventilation Blood capillaries "Pool" Bird Lung Parabronchus Blood capillaires Ventilatory air flow Crosscurrent e ! Primitive aeoel flat worms Animals Phoronids Legume root nodules Paramecium |Mb| Plant'bacteria symbiosis Mb Yeast Mb Hb - hemoglobin; Mb - myoglobin; E - erytrokruorin (hemoglobin bezobratlých); Ch - chlorokruorin (zelený); Hr - hemerytrin (bez hernu, bezbarvý fialový); Hc - hemocyanin (Cu2+, bez hernu, 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 02 (reverzibilně) -> oxygenace, oxyhemoglobin (HbO, oxyHb) - Oxidací Fe2+na Fe3+- methemoglobin (MetHb), neuvolňuje 02, patologické, po otravách oxidačními činidly - Vazba CO - karbonylhemoglobin (COHb), CO má ~300x vyšší afinitu k Hb než 02 - Vazba C02 - karbaminohemoglobin (HbC02), fyziologické v rámci transportu C02 Transport kyslíku hemoglobinem (~100 x více jak volně v plazmě) - Klíčové parametry dané „sigmoidním" charakterem saturační křivky hemoglobinu pro 02 - Dáno strukturou, vazba prvního 02 zvyšuje afinitu k druhému 02,... - Sigmoidní tvar saturační křivky umožňuje efektivní výměnu 02 v plicích a tkáních BPG - 2,3 bifosfoglycerát Faktory ovlivňující vazbu 02 k hemogobinu: teplote, pH, C02, 2,3 bifosfoglycerát Fyziologické operační rozmezí pCO Haldaneův efekt - posun spřažený se změnou pC02) Menší organismy mají křivku posunutou vpravo => rychlejší uvolnění O- (torr) |30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 1-1-1" í a i—r — Unloading Blood convection T-1- Elephant 5H Loading r 8 10 12 14 Partial Pressure of (kPa) 16 18 4- Elephant V / D---- Hamburgerův shift / chloridový posun) 2) V erytrocytech karbaminovazbou na globin Hb => karbaminohemoglobin (HbC02) Hb-NH2 + C02 O Hb-NH-COO" + H+ tkáň Transport C02 KAPILÁRA O, _^rozpuštěný COs <1%_^ CO + plasmat. proteiny ™_* C0£ + HO £^W3" + H+ HOD V cn^ + HQkaitonahydray^,- + H+ 5% rozp. CO + HbO^ HHb + O > CO£ + hbO£-* hbNHCOO- + 0£ + H^ Transport C02 co2 t Cellular respiration in peripheral tissues VENOUS BLOOD 5 Je C02 ♦ Hb-► Hb«C02 (23%) Red blood cell CA C02 ♦ H20 —H2C03 j—►HCO3- Hb ►Hb-H -> Dissolved C02 (7%) cr HCO3- in plasma (70%) Capillary endothelium Cell membrane Transport to lungs Dissolved C02 Dissolved C02 r Hb«C02-► Hb ♦ C02 t H2C03 CA »H2Q ♦ C02 Alveoli H+ ♦ Hb Regulace dýchání - řízení respirace respirace ve vodě - větší kapacita vody pro C02 než pro 02 ~ parciální tlaky (p) C02 se mění jen málo -> receptory sensitivní zejména na změny parciálních tlaků 02 respirace na vzduchu - stejná kapacita vzduchu pro C02 a 02 ~ parciální tlaky se mění stejně - celkové množství 02 v krvi (díky vazbě na hemoglobin) se přiměřeně neměníš poklesem p02 a s poklesem rozpuštěného 02 -> receptory sensitivní zejména na změny parciálních tlaků C02 (- změna pH - K+ kanály citlivé k poklesu pH ) Schéma inspiraračního a respiračního centra v prodloužené míše obratlovců Chemical Control From cerebral cortex, limbic system, hypothalamus co2 (via CSF H*) (Via carotid and aortic * bodies) Nonchemical Control mechanosenzory (pohybový aparát) senzory kašlání, polykání, zívání senzory nádechu / výdechu baroreceptory v cévách a plicích Respirator Center ] expiratory center Inspiratory center - 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) Mozková kůra Mezižebemí svaly Také „anticipační zpětná vazba'' => Proprioreceptory ve svalech a šlachách při zvýšené námaze stimulují dýchaní v předstihu před zvýšením CO Savci - primární regulátor respirace je změna pC02 - 2 základní typy receptoru 1) karotická a aortická tělíska - pravděpodobně původem z žaberních receptoru, -jsou citlivé na změny pC02, p02 a pH 2) centrálníchemoreceptory respiračního centra v prodloužené míše -jsou citlivé na změnu koncentrace H+ (pH) v mozkomíšním moku (CSF), jeho pH je přímo úměrné koncentraci C02 v krvi díky pronikání C02 mozko-krevní bariérou, která je nepropustná pro H+ - citlivost k změně pC02 má adaptivní charakter ~ typicky u potápějících se nebo hrabavých druhů (bežnejšou vystaveni hypoxii a hyperkapnii) => citlivost na zvýšené množství C02 je snížena Recepce kyslíku (savci) Tkáňová Úroveň - přizpůsobené struktury se schopností výrazné odezvy na změny v koncentraci 02 + rovnováha AMP x ATP v buňce - Karotické tělísko - glomové buňky / buňky I. Typu (neurosekreční chemoreceptory, dopamin a acetylcholin - zvýšeno poklesem p02 v krvi) - průtok krve 1,5-2L /100g / min (mozek 120ml / lOOg / 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 Normoxia Hypoxia Inner medu'la (Wenger a Hoogewijs, 2010) "V Renal Epo-producmg and oxygen sensing (RE POS) cell Keratinocyty- hypoxie (část 02 získávají přímo!) => produkce NO = vasodilatace => produkce VEGF = angiogeneze Prokrvení kůže - pokles P02 v těle - aktivace REPOS cut* ambiont hypoxia Nitroglycerin treatment Dilation of dermal blood vessels hypoxia Chronic Hii-1 i/niF-2a ambient J ?K 1.5 ?©ndothohn1 i Consťicton of dermal b ood v»e«ele Decreased blood flow to liver and kidneys Increased uuuJ iijw ^jo liver and kldne^s^y Bone marrow (Semenza, 2008) %^Ä^Red fclocd 0%^~ cells Systemic 0_ delivery Buněčná ÚroVGň - jednotlivé molekulární mechanismy citlivé ke změnám koncentrace 02 Akutní hypoxie Bioenergetické sensory - klíčová úloha mitochondrií - AMP (adenosin monofosfát) kinázy, energetický stav buňky (citlivost na poměr AMP:ATP) - ROS (reactive oxygen species), redoxní teorie Proposed bioenergetic Oz sensor mechanisms < x o CL >- (Ward, 2008) i ROS T, NADPH Ts» Interaction \ "*\ wtíttBtosynthetíc j pathways. ROS production T ATP production 41—AMP kinase activity t Redox state ROS product ion J, HIF-1 a stabilisation PASMCs Caa~ sensitization Ca2*store release + SOCE Glomus cells Inhibition of K"channels, Depolarisation PASMCs Inhibition of K~ channels, Depolarisation AMCb Inhibition of K~ channels, Depolarisation Biosyntetické sensory - NADPH oxidásy - Hem oxygenása-2 - Cytochrom p-450 monooxygenásy Activity NOX ■4y ROS production l j---------, ,hi i-----------------------n \ nadpht >—kT>*iROS production t j- CVP 4> CYP products L (íWiS-*4^T)'«-kT>*i cyp products T k HO-2 \Co-facforsJ.i' f+V'" co production j- PHDs HH-1 HIF-1 a stabilisation and Iransactivation K4 channel inhibition and depolarisation j Modulation (glomus cell] t Ca?1 (PASMC), HPV Multiple mediators and targets BK channel inhibition and depolarisation Gene transcription Chronická hypoxie Sensorem jsme zejména prolyl-hydroxylásy => stabilizace / degradace hypoxií indukovaného faktoru (HIF) HIF - hypoxia inducible factor -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 -> E PO HIF Regulation of Transcription OH(P564) Proteasomal degradation Ub ( OH(P564) OHÍP402) VHL Hypoxic conditions Normal oxygen conditions HypoxiG conditions occur when the oxygen concentration falls below 5%. This can lead to several cellular and molecular changes, many of which are affected through the basic helix-loop-helix transcription factor HIF-1a. Three proteins have been identified in vertebrates that respond to hypoxic conditions: HIF-1a, HIF-2h and HIF-3&. Under normal oxygen conditions the HIF-1 ct protein is rapidly ubiquiinitated and degraded. Under hypoxic conditions, the protein is stabilized, heterodimerizes with ARNT (aryl hydrocarbon receptor nuclear translocator), and translocates to the nucleus where it activates transcription from a number of hypoxia-responsive genes, including VEGF. EPO, PDGF-fj, etc. Transcription JAB1 cJUN Ryby - intenzita ventilace v závislosti na koncentraci 02 a C02 ve vzduchu a ve vodě - senzitivita je druhově specifická a zdá se závislá na preferenci v zdroji 02 (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 C02 receptory v plicích (na rozdíl od plazů a ptáků, ale napěťové receptory v plicích jsou citlivé k pC02 - podobně jako u vzduch dýchajících ryb je senzitivita k vodnímu / vzdušnému pC02 a 02 druhově specifická a zdá se závislá na preferenci v zdroji 02 (vzduch x voda) Plazi - pravděpodobně nemají chemoreceptory v aortě a krkavicích, ale mají C02 receptory v respiračním traktu - u některých je ventilace regulována zejména p02 u jiných pC02 - 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 pC02 (při vysokém pC02 > 6.7 kPa snížení frekvence akčních potenciálů)