Nobelova cena (1895): za Fyziologii a lékařství Schémata a animace zpracovalo Servisní středisko pro e-learning na MU http://is.muni.cz/stech/ FYZIOLOGIE • Nauka o živých organismech (Fernel, 1642) • Experimentální věda (W. Harvey, 1643; C. Bernard, J. E. Purkyně) Život je dynamická soustava s cílovým chováním, s autoreprodukcí, charakterizovaná tokem látek, energií a informací Cíle studia oboru: 1. Zvládnutí terminologie 2. Zvládnutí základní faktografie 3. Porozumění funkčním vztahům 4. Pochopení klinického významu oboru BIOFYZIKA BIOCHEMIE BIOLOGIE MOLEKULÁRNÍ BIOLOGIE FYZIOLOGIE PATOLOGICKÁ FARMAKOLOGIE FUNKČNÍ KLINICKÉ PREVENTIVNÍ FYZIOLOGIE DIAGNOSTIKA OBORY MEDICÍNA Výukové formy – přednášky, semináře, praktická cvičení, demonstrace FYZIOLOGIE •Obecná •Speciální •Srovnávací •Evoluční •Aplikovaná lékařská normální (normativní) patologická klinická • FUNKČNÍ ORGANIZACE TĚLA • PŘEMĚNAA TRANSPORT LÁTEK V TĚLE • MEZIBUNĚČNÉ KONTAKTY A SIGNALIZACE Funkce se odehrávají na 5 úrovních: molekulární, buněčné, tkáňové, orgánové, na úrovni organismu STRUKTURA A FUNKCE BUŇKY, ORGANELY Molecular biology of the cell. B. Alberts et al., Garland Science 2002 ligand hydrofilní glykokalyx iont hydrofobní I – integrální bílkovina R – receptor E – enzym K – kanál P – pumpa (ATP-áza) Membránové molekuly Proteiny PLAZMATICKÁ MEMBRÁNA KOMPARTMENTALIZACE TĚLESNÝCH TEKUTIN GIT, plíce, ledviny, kůže Plazma 5% - 3,5 litru Intersticiální 15% - 10,5 litru tekutina Intracelulární 40% - 28 litrů tekutina Evansova modř, 131J Inulin, manitol, sacharoza Antipyrin, D2O Celkový objem tekutin Extracelulární tekutina (vč. plazmy) TĚLESNÉ TEKUTINY SLOŽENÍ TĚLA Voda 60% (80-50%) hmotnosti těla Proteiny 18% Lipidy 15% Minerální látky 7% Koncentrace kationtů a aniontů v tělesných tekutinách 152 5 2 117 27 0 0 14 157 30 5 10 74 113 0 20 40 60 80 100 120 140 160 mEq/l Extracelulárně Intracelulárně Na K Ca Cl HCO3 Prot. PO4 PASIVNÍ TRANSPORTNÍ MECHANISMY Rozdíly ve složení tělesných tekutin jsou důsledkem vlastností bariér a sil odpovědných za transport. DIFUZE Transport plynů, substrátů, metabolitů do m.h. 60 tis. ve směru koncentračního spádu rozpuštěné látky. Závisí na rozpustnosti ve vodě a lipidech. OSMOZA Transport vody přes semipermeabilní membránu ve směru k vyšší koncentraci rozpuštěné látky (tj. ve směru k nižší koncentraci vody). Závisí na počtu částic. Osmolarita x osmolalita Iso-, hyper-, hypotonicita Onkotický tlak FILTRACE Pohyb rozpouštědla jako výsledek osmotického a hydrostatického tlaku. Tvorba a resorpce tkáňového moku (Starlingovy síly). REGULOVANÉ TRANSPORTY KOTRANSPORT Transportovaná látka využívá koncentrační spád Na+ jako hnací sílu FACILITOVANÁ DIFUZE Selektivní nosič Limitovaná kapacita AMK, fosfát SYMPORT ve stejném směru ANTIPORT v protisměru glukóza, AMK Ca2+, H+ Na+K+ ATP-áza (pumpa) Podobné transportéry: •Ca2+/H+ •Na+/K+ •K+/H+ •Na+/H+ proti koncentračnímu spádu AKTIVNÍ TRANSPORT ligand hydrofilní glykokalyx iont hydrofobní I – integrální bílkovina R – receptor E – enzym K – kanál P – pumpa (ATP-áza) Membránové molekuly Proteiny PLAZMATICKÁ MEMBRÁNA IONTOVÉ KANÁLY Molecular biology of the cell. B. Alberts et al., Garland Science2002 Membránová elektrofyziologie myokardu, P. Pučelík, Avicenum, 1990 „GATING“ G-proteiny Molecular biology of the cell. B. Alberts et al., Garland Science2002 Molecular biology of the cell. B. Alberts et al., Garland Science2002 K+ ClSIGMA RBI, www.sigma-aldrich.com Na+ SIGMA RBI, www.sigma-aldrich.com Ca+ SIGMA RBI, www.sigma-aldrich.com KOMUNIKACE MEZI BUŇKAMI SPOJENÍ TĚSNÉ - MECHANICKÉ (tight junctions) – zonula occludens • desmosomy, hemidesmosomy, zonula adherens; zajišťuje buněčnou adhezi a mechanickou stabilitu tkání – epidermis, játra, myokard SPOJENÍ ŠTĚRBINOVÉ - ELEKTRICKÉ (gap junction) • (nexus)(v interkalárních discích; tvořeno konexony) HUMORÁLNÍ VAZBY • autokrinie • parakrinie • endokrinie • neurokrinie NERVOVÁ SPOJENÍ Receptor, ligand, druhý posel. INTEGRACE HUMORÁLNÍHO A NERVOVÉHO ŘÍZENÍ 1. Synapse 2. Hypotalamohypofyzeální systém 3. Dřeň nadledvin HOMEOSTÁZA - ZACHOVÁNÍ STÁLOSTI VNITŘNÍHO PROSTŘEDÍ REGULOVANÉ PARAMETRY Stálá tělesná teplota, objem tělesných tekutin, osmotický tlak, pH, obsah kyslíku a oxidu uhličitého, obsah iontů, obsah glukózy a řady další látek… (izohydrie, izovolémie, izoionie, izoosmie, …) V ŠIRŠÍM SMYSLU – v tělesných tekutinách V UŽŠÍM SMYSLU - v jednotlivých kompartmentech až po úroveň organel nebo udržení stálosti určité vlastnosti (např. udržení krevního tlaku nebo napětí svalů) REGULACE ŽIVÝCH SYSTÉMŮ Živé systémy – otevřené systémy, jejichž existence je vázána na tok energie, látek a informací mezi organismem a prostředím v obou směrech. Probíhá na všech úrovních systému (buňka – celý organismus). ADITIVNÍ PŮSOBENÍ REGULACE A AUTOREGULACE Systémová regulace – nervová a humorální Lokální regulace – chemická – pO2, pCO2,pH, prostaglandiny Autoregulace •myogenní – konstantní průtok danou oblastí během změn perfusního tlaku •metabolická vazodilatace – zvýšení průtoku krve např. při práci •homeometrická a heterometrická autoregulace srdce HOMEOSTÁZU VYCHYLUJE: . Kontakt se zevním prostředím plíce, GIT, kůže, ledviny . Vnitřní zdroje změn (nestability) metabolismus, fyzická aktivita Extracelulární tekutiny představují transportní systém ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI REGULAČNÍCH SYSTÉMŮ • Systém je stabilní alespoň v rozsahu svého funkčního uplatnění • Žádný reálný regulační systém nereguluje ideálně • Regulační doba = čas do okamžiku, než se regulovaná veličina vrátí k původním (klidovým) hodnotám ZÁKLADNÍ TYPY VAZEB SÉRIOVÁ PARALELNÍ ZPĚTNÁ PŘÍMÁ ZPĚTNÁ NEPŘÍMÁ VAZBA ZÁPORNÁ KLADNÁ Odchylka osciluje nebo se plynule zvětšuje. KLADNÁ ZPĚTNÁ VAZBA FYZIOLOGICKÁ Zajištění systémů, aktivace PATOLOGICKÁ Nestabilita - smrt ZÁPORNÁ ZPĚTNÁ VAZBA •Uplatňuje se v regulacích •Kompenzuje odchylku regulované veličiny •Minimalizuje rozdíl mezi skutečnými hodnotami regulované veličiny a tzv. žádanou hodnotou Regulovaná soustava Regulátor Výstupní veličina regulátoru Regulační odchylka Regulovaná veličina Žádaná hodnota KLADNÁ ZPĚTNÁ VAZBA •Nemá regulační účinek •Odchylku nekompenzuje, ale zesiluje + + POZITIVNÍ ZPĚTNÁ VAZBA Příklady FYZIOLOGICKÉ pozitivní vazby: • dozrávání Graafova folikulu – preovulační vyplavení LH • porod - vyplavení oxytocinu • akční potenciál – otevírání sodíkových kanálů odchylka parametru vede ke gradování odchylky – urychlení děje nebo zesílení KRVÁCENÍ  PLNĚNÍ SRDCEMINUTOVÉHO VÝDEJE TK  KORONÁRNÍHO PRŮTOKU  KONTRAKTILITY MINUTOVÉHO VÝDEJE TK  KORONÁRNÍHO  PRŮTOKU   KONTRAKTILITY Srdečnívýdej krvácení Regulace - zpětná vazba Circulus viciosus + zpětná vazba PATOLOGICKÉ pozitivní zpětné vazby – BLUDNÝ KRUH a SMRT