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 zvi reci nory sysel 1 sysel 2 rypoš klokaní kapsa 15,9 15,5 3,85 3,8 760 10,9 13,7 6,25 6,2 760 14,1 14 4,78 4,8 760 15,8 15,7 5,32 5,3 760 Rozpustnost 02 a C02 ve vodě závislosti na teplotě A rozpustnost 02 ve vodě v závislosti na teplotě a salinitě teplota 4Q (°C) 3% 2% 1 °/ 0% ° salinita 800 £ 600 c £ 1 < ■ es 'S C- I 200 o Capacitance: 1 -I Gas = — RT Solubility: Distilled water 0, ± 100 80 t 2 o 60 í 40 20 10 20 30 Temperature °C 40 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 co2 vzduch (0°C) 0,178 0,139 (20°C) 0,20 voda (20°C) 20xlO"6 18xlO"6 (37°C) 33xlO"6 lidské plíce (37°C) 23xlO"6 svaly (20°C) 14xlO"6 kůže mloka (25°C) 14xl0"6 pojivová tkáň (20°C) 12xlO"6 rosol žabího vajíčka (20°C) 10,2x106 obal žraločího vajíčka (15°C) 3,0x106 kůže úhoře (14°C) 2,4xlO"6 obal lososí jikry (5-15°C) I,8xl06 Chitin (20°C) 0,7xlO"6 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 Způsoby výměny plynu u obratlovců hladina 02 na : i - přijmu; e - výdeji; v :a - arteriích; v - vénách - Tendence uplatňovat protiproudou výměnu Amphibian Skin Blood capillaries "Open" i = e O o. 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 B C 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 I— Spiracle Fluid Air Trachea J a Tracheole-J Resting Tissue li 7 HcmolajmpVi CuiLcle Dust filter i—Spiracle Atrial opening Trachea Active Tissue Spiracular valve A spiracle equipped with valve, atrium and dust filter 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! Dusíka 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 savčích plic Znázornění proudů inspirovaného a expirovaného vzduchu v plicích ptáků Anterior air sacs Parabronchi v—vi V jT\ IDoľšobronchi í Ventrobronchi Inspiration i) Primary bronchus * Expiration Posterior air sa,- I í Lung (parabronchial network) Primary bronchus (mesobronchus) Trachea t Inhalation 1 Cycle 1 Cycle 2 Exhalation 2 Exhalation 1 Inhalation 2 Plieni ventilace - výmena 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 -~ lOOOml (člověk), maximum výdechu v klidu Vitální kapacita plic-součet reverzních objemů, měřítko maximálních možností plicní ventilace J IF 1 IV v c \ Inspirační kapacita (IC} Vitální kapacita (VC) Inspirační rezervní objem (IRV] Celková plicní kapacita (TLC1 'V i/V w Dechový objem (TV) i FF IC \ 11 \ / ERV Exspirační rezervní objem (ERV] Funkční reziduálni kapacita (FRC] } T RV 1 Reziduálni objem (RVI Reziduálni objem (RV] 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% 02 a 4-5% C02 Alveolo en la respiración Inspiración: 21%=02 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 - 0 A B C Hemoglobin Hemerythrin Hemocyanin Fylogeneze dýchacích barviv u živočichů Crustacea He Hb Chordata Hb Mb Chelicerata Protochordata Nematodes Echinodcrmata Hb Annelids Hr|Ch lib E Mb Echiuroids Hb Mb secta HbJMbl Nemerteans \fb Primitive acoel flatworms Myriapoda Hc Arthropoda Gastropoda I jjc I ^ Mollusca Cephalopoda 1 Hc Amphineura Hc Mb ßivalvia Hb Hc> Sipunculids Priapulids Hr Brachiopods Phoronids [ Hb Legume root nodules Paramecium Mb AnimaK |Mb Plant'bacteria symbiosis 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 - Dáno strukturou, vazba prvního 02 zvyšuje afinitu k druhému 02,... - Sigmoidní tvar saturační křivky umožňuje efektivní výměnu 02 v plicích a tkáních - Vazebná křivka pro 02: sycení Oz- "posun doleva' CO, J teplota l BPG - 2,3 bifosfoglycerát Faktory ovlivňující vazbu 02 k hemogobinu: teplota, pH, C02, 2,3 bifosfoglycerát Fyziologické operační rozmezí pCO Haldaneův efekt - posun spřažený se změnou pC02) Menší organismy mají křivku posunutou vpravo => rychlejší uvolnění 02 í (torr) 70 80 90 T a 100 110 120 130 140 150 160 —i—i—r 1-1- Elephant 5H — Unloading S 60 N? Blood convection Loading 8 10 12 14 Partial Pressure of (kPa) 18 4- 16 Elephant V / D---- Hamburgerův shift / chloridový posun) karbaminovazbou na globin Hb => karbaminohemoglobin (HbC02) Hb-NH2 + C02 O Hb-NH-COO- + H+ (chloridový posun) HCO3" i H20 Transport C02 KAPILÁRA ^rozpuštěný CO£ CO + plasrnat. proteiny *CO + H 0^^íli+HC03- + H+ ► COi+ hb02-^ hbNHCOO- +0^+1-1, Transport C02 co2 t Cellular respiration in peripheral tissues VENOUS BLOOD 1 Ja 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 FT) (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 fl Mozková kůra Čidla v plicích 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) Dodatek, není součástí zkoušky! 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) - Plicníkrevní 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 Keratinocyty - hypoxie (část 02 získávají přímo!) => produkce NO = vasodilatace => produkce VEGF = angiogeneze Prokrvení kůže - pokles P02 v těle - aktivace REPOS Nitroglycerin treatment Dilation oT dermal blood vessels hypoxia to ambiont hypoxia I Chronic HIF-WHIF.2« ambient J ?K 1.5 1 ?endott>chn1 i Const^icton of dermal b ood vessel* I Decreased blood flow to liver and kidneys to liver and kidnei (Semenza, 2008) y Red fclocd 0%^^ ce"s Systemic 00 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 02 sensor mechanisms < x O o_ >- (Ward, 2008) i ROS T, NADPH Ts» interaction \ \ with Bfosynthetic } pathways. ROS production T ATP production 4- AMP kinase activity T Redox state ROS production I HIF-1 a stabilisation PASMCs Cas_ sensitization Ca2*store release + SOCE Glomus cells Inhibition o\ K~ channels, Depolarisation PASMCs Inhibition ot K~ channels, Depolarisation AMCs Inhibition of K~ channels, Depolarisation \ Biosyntetické sensory - NADPH oxidásy - Hem oxygenása-2 - Cytochrom p-450 monooxygenásy NOX CVP — Activity ROS production !■ K4 channel inhibition and depolarisation ______________________ ■ fuAnäu+\ ~'+\ JBfteň^irtfcnf Í t Modulation (glomuscell) 4> CYP products I •----■------* ŕ- p............... w-w-....., _ T + " (rWiS-*AflT)'«-KT>*i CYP products T k*"' Multiple mediators and targets HO-2 a. CO production I / A05T ^ ■"■.Co-faclorsl.1 ,+V""-- PHDs FIH-1 HIF-1 a stabilisation and Iransactivation 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 Proteasomal degradation OH(P564) ( OH(P564) OH(P402) VHL PHD Hypoxic conditions Normal oxygen conditions Hypoxic 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-1 or. Three proteins have been identified in vertebrates that respond to hypoxic conditions: HIF-1a, HIF-2a and HIF-3ot. Under normal oxygen conditions the HIF-1 a protein is rapidly ubiquinitated 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. p300 CREB Transcription HIF1a ( 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)