1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif 1212570_28446780.jpg logo_mu_cerne.gif • Luděk Bláha, PřF MU •Živé systémy v ekotoxikologii •- úvod - • OPVK_MU_stred_2 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Co by si student(ka) měl(a) odnést ? •Znát a vysvětlit pojmy a chápat význam v ekotoxikologii pro … - úrovně a hierarchie biologické organizace - základní strukturní elementy živé hmoty - základní funkce živé hmoty - základní procesy (zejm. toky energií) v živých systémech - •Rovnováha a stres u živých systémů - Udržování rovnováhy - Energie a rovnováha - Stres - primární a sekundární reakce, adaptace / evoluce • - • • 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Život Hierarchie … a význam v ekotoxikologii 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •www.mwsu-bio101.ning.com •Organizace života à působení látek na různých úrovních •! U studentů se zde předpokládá, že znají definice jednotlivých úrovní „života“ 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Mechanistické porozumění účinkům látek - hierarchie živých systémů - •Toxikodynamika •(mechanismus působení) BRNO10_9_2002 Cyprinus%20Carpio4 •Účinky na populace •Účinky na jednotlivce (organismus) Daphnia •Společenstva •a ekosystémy 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Chemická látka v prostředí a její toxicita •à Vnější prostředí • - environmentální OSUD àŽivý systém • - osud v organismu TOXIKOKINETIKA àDosažení „cílového místa“: molekula • à interakce (TOXIKODYNAMIKA) • à projev toxicity …ÚČINEK • •Toxické účinky •Toxické efekty se odehrávají VŽDY nejprve nejnižších úrovních • MOLEKULY •… ale mohou se projevit i na vyšších úrovních • à tkáň, organismus, populace, společenstva • •BIOLOGICKÉ SYSTÉMY V EKOTOXIKOLOGII 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif E3 •Kontaminace – prostorové a časové dimenze 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif E3 •Změny na molekulární úrovni (chemické interakce) se projeví v ekosystémech 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Život Struktura a Funkce … a význam v ekotoxikologii 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif • •Toxické látky reagují s biologickými makromolekulami •a ovlivňují jejich funkce • •Hlavní biologické makromolekuly - nukleové kyseliny - proteiny - fosfolipidy - -polysacharidy - spíše zásobní funkce: méně významné pro toxicitu) - •Další „malé“ molekuly, se kterými mohou toxické látky interagovat a působit tak toxicky - protektivní molekuly (antioxidanty, glutathion) - nízkomolekulární hormony a neurotransmitery (např. steroidy, dopamin) - • •Život na nejnižší úrovni: základní struktura ? • • •! U studentů se zde předpokládá, že znají chemickou povahu makromolekul 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Základní vlastnosti živé hmoty - Metabolismus (udržování existence za využití energie) - Růst a pohlavní dozrávání - Rozmnožování - Vnímavost / dráždivost a komunikace (uvnitř i s okolím) •(za normálních podmínek jsou funkce v rovnováze) • • • • • • • •Toxické látky (a další stresory) působí na tyto hlavní funkce • - účinky na molekulární úrovni à buňka à organismus... společenstvo • - s různými důsledky pro další úrovně •Živý organismus – základní funkce ? •Metabolismus = udržování života •Růst – velikost •pohlavní zralost •Rozmožování •Komunikace a řízení 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Rovnováha & distribuce energie 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Homeostáza: akce/reakce •Existence živé hmoty • udržování „rovnováhy“ … při vynaložení energie • à příjem energie • à zpracování energie • : hlavní funkce živých organismů • : ukládání / ztráty energie • 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Metabolismus • •Řízení, kontrola, •vnímání & reakce na podněty • •Ochrana před patogeny, parazity, predátory • •Ochrana před toxikanty •Energie •hv •potrava •Ztráty •teplo •fekálie •Existence (udržování, maintenance) •Růst, pohlavní zralost •Rozmnožování •Vliv •chemické látky stres 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Energie •hv •potrava •Ztráty •teplo •fekálie •Existence (udržování, maintenance) •Růst, pohlavní zralost •Rozmnožování •Metabolismus • •Vnitřní řízení, kontrola, vnímání & reakce na podněty • •Ochrana před patogeny, parazity, predátory • •Ochrana před toxikanty •Chemický stres: vyšší nároky / alokace energie •à „nedostatek“ energie jinde 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Energie •hv •potrava •Ztráty •teplo •fekálie •Existence (udržování, maintenance) •Růst, pohlavní zralost •Rozmnožování •Metabolismus • •Vnitřní řízení, kontrola, vnímání & reakce na podněty • •Ochrana před patogeny, parazity, predátory • •Ochrana před toxikanty •Chemický stres •+ nedostatek „energetických vstupů“ •(např. potravy) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Rozdělování energie mezi hlavní funkce organismu - Udržování života (… délka života) - Růst (zvětšování vlastní hmoty) - Rozmnožování - Signály a jejich zpracování •Teorie dynamických zásob energie •DEB – Dynamic Energy Budget www.debtox.info 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Hlavní funkce organismu • • Normální stav - rovnováha mezi ději (a alokací energie) • • Narušení některého z kroků - změna alokace • př. Specif. inhibice rozmnožování (TOX. LÁTKY) • -> posílení Energie pro růst nebo udržování •Teorie dynamických zásob energie •DEB – Dynamic Energy Budget www.debtox.info 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Udržování rovnováhy & stres 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Mechanismy udržování rovnováhy •ZPĚTNÉ VAZBY • pozitivní = nárůst „B“ způsobuje nárůst „A“ • A+ B+ • • • negativní = nárůst „B“ způsobuje pokles „A“ • A- B+ • •Podnět („akce“) mimo hranice homeostázy (např. dlouhodobé působení „stresového faktoru“ (vč. chemických) • à vývolává „reakce“ (nutně doprovázené zvýšenou potřebou energie) • • 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •STRES •Definice 1 •stav mobilizace obraných a nápravných procesů vůči podnětům přesahujícím obvyklé rozpětí homeostázy (na něž je obvykle dobře adaptováno) • •Definice 2 •Odpověď (reakce) na podněty, které vytváří abnormální podmínky; stresorem jsou např. chemické látky apod. • • •Stresor •Každý faktor/situace nutící mobilizovat vnitřní rezervy a používat abnormální výdaje energie pro udržení homeostázy • 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •TEORIE STRESU – vychází z experimentů s živočichy •Obecná teorie stresu •1) různé podněty vyvolávají stereotypní („nespecifické“) reakce •2) průběh reakce určuje velikost, trvání a frekvence podnětu •3) existují podstatné odlišnosti v reakcích jednotlivců stejného druhu •4) odolnost je geneticky fixována, ale může být individuálně změněna • •Analogie i v dalších úrovních života •: buňka … populace •: př. Ekosystém: Požár / smršť / havárie / imise SOx -> +/- stejná odpověď 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •TEORIE STRESU – vychází z experimentů s živočichy • •Procesy dobře popsány u živočichů (platí obecně) 1) 1)Primární stresová/záchranná reakce = příprava na obranu/útěk Zvýšení koncentrace adrenalinu, zvýšení tlaku, snížení aktivity trávicího traktu 2) 2)Sekundární (dočasné) přizpůsobení –fyziologické změny (fyziologická adaptace … ADME!) (změny metabolismu, zvýšení hladin detoxikačních enzymů apod.) 3) 3)Dlouhodobá adaptace = evoluce (evoluční adaptace) 4) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Stres - příklad •= poplachová reakce Øsignál k útěku, mobilizace zásob energie ØModulace dalších funkcí: imunitní systém ØInhibice akutně nepotřebných: rozmnožování •Stresový hormon •KORTIZOL 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •TEORIE STRESU •Trvalé působení stresu = kontinuální odpověď • - poplachové stadium • - stadium rezistence • - stadium vyčerpání (a/nebo evoluce) E3 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •TEORIE STRESU •0°C •-10°C •RT •2dny •2 týdny •4 týdny •5 týdnů •2dny •Adaptace @ 0°C •Příklady reakce na působení stresu: •Přežívání potkanů při -10°C - Adaptace 0°C (žádná vs. 2 dny vs. 4 týdny) (FYZIOLOGICKÁ ADAPTACE) - Stále stejné dávky potravy (energie) •Adaptační fáze umožnila delší přežití, ale definitivně vedla ke smrti (vyčerpání, nedostatek energie) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Adaptace - evoluční 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Adaptace je evoluční proces, ve kterém se organismus (resp. DRUH) přizpůsobuje vnějším podmínkám a dalším faktorům (včetně chemického stresu), které panují v areálu jeho výskytu. • Přizpůsobování probíhá procesem přirozeného výběru (na úrovni jedinců à populací) à vznikají „účelné“ vlastnosti • Přirozený výběr selektuje ze všech náhodně vznikajících mutací ty, které jsou výhodné a užitečné • • •Evoluční adaptace a její podstata 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Příklad adaptace: selekce populací roztočů rezistentních na pesticidy http://econjsun.files.wordpress.com/2011/11/pest.gif 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Příklad adaptace: vznik bakterií rezistentních na antibiotika •ATB: nemocnice à prostředí: další šíření „mutací“ (ii horizontální transfer genů) •ATB přímo v prostředí à rezistentní kmeny v sedimentech, na ČOV atd. http://my.clevelandclinic.org/PublishingImages/Disorders/6260_gene_transfer2_nih.gif 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Chemické látky (akce) vs. odpovědi živých systémů (reakce: účinky) - PŘEHLED – (detaily budou diskutovány v dalších přednáškách) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Efekty toxikantů (akce) a odpovědi na různých úrovních organismu (reakce) • na všech úrovních reparace/adaptace • •molekulární • - vazba na DNA, změna struktury, aktivace „inaktivních proteinů“ •buněčná • - změna profilu proteinů produkovaných buňkou (nové, mutace) •orgánová • - změna fyziologie (koncentrace hormonů, tlak krve) •organismální • - změny chování/zdraví, změny reprodukce, růstu -> smrt •populace • - změny demografie (staří > mladí) •společenstvo • - vymizení druhu • •Hierarchie biologických systémů vs. ekotoxicita 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •REPARACE / ADAPTACE v různých stupních osudu/účinků látky (1/3) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •REPARACE / ADAPTACE v různých stupních osudu/účinků látky (2/3) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •REPARACE / ADAPTACE v různých stupních osudu/účinků látky (3/3) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Otázky •Co je to buňka? druh? populace? Společenstvo? atp. •U rybníku Brčálníku žije populace skokana hnědého. Uveďte z jakých rozdílných jedinců (jaké mezi nimi byli rozdíly?) byla tato populace tvořena v červnu 2012? Z jakých jedinců pak v listopadu 2012? •Popište chemickou podstatu nukleových kyselin? Bílkovin? Fosfolipidů? Co je základním stavebním prvkem každé z těchto makromolekul? Jak v organismech (v buňce) vznikají? Jaké mají funkce? •Jaké jsou hlavní funkce živých organismů? Jak budou tyto funkce ovlivněny u ryb, která bude dlouhodobě vystavena vlivu polycyklických aromatických uhlovodíků (např. Benzo[a]pyren)? •Popište a zdůvodněte hlavní fáze vzniku stresu, vysvětlete význam (a rozdíly) v transformacích energie ve stádiu rovnováhy a dlouhodobého stresu. •Popište jak mohou látky přímo a nepřímo ovlivňovat správné funkce imunitního systému •Vysvětlete pojem „adaptace“ na působení chemické látky. Co je fyziologická adaptace? Co je evoluční adaptace? •Co je to evoluce? Jaký je význam evoluce při dlouhodobému působení chemického stresu? Popište molekulární podstatu evolučních změn. Uveďte alespoň dva příklady chemikáliemi-indukované evoluce?