Dýchací systémy Zadání: Jak dostat O2 k buňkám? Difúze bez přídavných povrchů < 1mm velikosti Pro účinnost difuze je zásadní: - maximální plocha, - maximální gradient - minimální vzdálenost pro difuzi Voda a souš – rozdílné podmínky pro stavbu a funkci. Voda primární prostředí. Mollusca Annelida Annelida Variace na téma žábra – vnější výrůstky. Pokud dovolí vodě pronikat kanály do hloubi těla, může být členěn i vnitřní povrch: dutiny houbovců, septa u korálnatců, ambulakrální soustava ostnokožců, rektální žábry vážek. Konvekce se střídá s difuzí: vzduch(voda) -> krev -> mitochondrie Záleží na směru proudění médií. Ventilace a tok krve. Vzdálenosti a směry. Optimální výměna přes co nejtenčí povrch a protiproudým tokem. Voda: Jak dosáhnout proudění přes velký povrch? Cilie na povrchu chapadel (žaber) obstarávají ventilaci u mnohoštětinatých červů. Branchiální papily hvězdice zvětšují povrch. Měkkýši jsou primárně vodní. Velká diverzifikace jediného stavebního základu – plášťové dutiny ventilační proud – cilie, svaly Hlavonožci protiproud vody a krve Suchozemští jen malým otvorem vpouští vzduch a plyny postupují difúzí. Ventilace korýšů Karapax, dvě postranní žaberní dutiny, žábra jsou keříčkovitá, hřebínkovité výběžky na bázi nohou (epipodity). Jsou kryty kutikulou, ale ta je tenká a permeabilní. Ventilace je svalová, bez cilií, pomocí čerpadla stažitelného přívěsku - ležícího vpředu těla a ženoucí vodu jedním směrem ke hlavě. Nasávána je na více místech – usměrněný tok – protiproudá výměna. Někteří krabi obsadili souš – zvláště v tropech. Semiterestričtí mají stále žábra, která jsou podpírána kutikulárním povrchem. Navíc se u nich objevuje tendence ke zřasené a vaskularizované výstelce žaberní dutiny při redukci žaber. To se velmi podobá tomu, co známe od měkkýšů. Kolísající nabídka O2 ve vodě. jak se vyrovnat s kolísající dostupností kyslíku: 1. zvětšit dýchací povrch 2. použít dýchací pigmenty s vyšší afinitou 3. zvýšit ventilační a cirkulační proudění Gastrophilus – larva střečka Planorbis – okružák Daphnia – hrotnatka (perloočko) Biomphalaria – okružák Chironomus - pakomár S menší dostupností O2 se křivka stává strmější Množství O2 rozpuštěného ve vodě je závislé na teplotě. V chladných vodách si hmyz vystačí se žábrami, plastronem, kutikulárním dýcháním. V mělkých a teplých stojatých vodách potřebuje otevřenou soustavu – bublinu jako zásobu nebo „šnorchl“ Plíce terestrických krabů jsou tuhé a nekolabují na souši. Pohybující se nohy kraba přispívají k ventilaci. Tenká kutikula. Dýchací sval plic pavouků. Další problém: zamezit ztrátám vody Suchozemští – plíce Prokrvené dutiny uvnitř těla Difuze nebo i aktivní ventilace. Pouhý 1 um přes stěnu. První pavoukovci – štíři a primitivní pavouci mají plíce připomínající žábra – jako listy knihy. Podobné má ostrorep. Jsou to invaginace kutikuly tvořící mnoho vzduchových štěrbin. U pokročilejších vznikly trubicovité výběžky až do tkání – vzdušnice. Tracheje – unikátní řešení pro souš. Difuze plynů probíhá v plynném prostředí 10000x rychleji než ve vodě Omezení nutnosti cirkulace, barviv. Difuze+ventilační pohyby. Zajistí až 30x vyšší spotřebu bez O2 dluhu. Plynná fáze od povrchu až k buňkám. Regulace proudění. Hvězdicovitá buňka, výběžky <1um, tvořící peritoneální membrány na povrchu tkání. Stěny tracheol na konci jsou asi 0.02um U většiny orgánů a tkání běží tracheoly mezi buňkami. U létacich svalů však tracheoly penetrují dovnitř svalových buněk. Vchlípeniny buněčné membrány dovolují tracheolám dostat se do těsné blízkosti shluků mitochondrií. Nervový systém, rektální žlázy a další aktivní orgány jsou také bohatě zásobeny trachejemi. Žádná buňka zákeřnice Rhodnius není od tracheoly vzdálena více než přes 2-3 sousední buňky. Pohyb tekutiny v zakončeních reguluje difuzní vzdálenosti. Aktivní sval má lepší okysličení. Vodní film je nicméně nutnou podmínkou pro přechod plynů. Epikutikula -taenidium epitel endokutikula exokutikula Vzdušné vaky u intenzivně metabolizujících druhů pomáhají ventilaci. Makroskopická ventilace (kobylka, včela). Pumpování zadečku - 40 l/kg.hod Tracheální vaky u svalů – 250 l/kg.hod Hlavní pohyby tělní stěny sloužící ventilaci tracheálního systému jsou: 1.dorzoventrální zplošťování abdomenu (sarančata, brouci atd.) 2.vysunování a zasunování abdominálních článků (Hymenoptera a Diptera). Vymění až 2/3 objemu – podobně jako u člověka. Mikroskopická ventilace. Tracheal Respiration in Insects Visualized with Synchrotron X-ray Imaging. Science 24 January 2003: vol. 299. no. 5606, pp. 558 – 560. Nečekaný objev bořící dogma o pouze difuzní ventilaci: Brouci, mravenci atd. Výměna vzduchu je mnohem větší, než by odpovídalo jen zvnějšku pozorovatelným změnám objemu zadečku a hrudi. Video Nervové řízení ventilace: kompromis mezi ztrátami vody a nutnou výměnou. Diskontinuální dýchání. „Výbuchy CO2“. Je snad metabolismus cyklický? Ochranný podtlak – CO2 se lépe rozpouští a opouští plyn v trachejích -> podtlak. Otevírací a zavírací mechanismus spirakul mravence. Nervové řízení zavírání spirakul musí řešit kompromis mezi ztrátami vody a nutnou výměnou. Jednotlivé tělní články u Libellula a u jiných druhů mají značnou autonomii a mohou samostatně vykonávat dýchací pohyby, i když jsou z těla vypreparovány. Primární centra v abdominálních gangliích jsou poměrně málo citlivá k chemickým podnětům. Mnohem citlivější jsou nadřazená, sekundární centra ve hrudi, obvykle v prothorakálním gangliu. Oddělení hrudi – v zadečku se rytmus zpomalí. Dekapitace - jen přechodná desynchronizace. Řízená difuze a konvekce U blechy nedochází k žádným dýchacím pohybům. V klidu u ní probíhá dýchání jen dvěma páry stigmat (1. a 8. abdominální pár), přičemž dochází často k jejich rytmickému otevírání a zavírání (5-10 vteřin). Při pohybu blechy se však otevírají i thorakální stigmata. Otevírání stigmat je také kladně ovlivňováno intenzitou trávicích procesů, zráním vajíček a zvýšením teploty. Podobně i zvýšený obsah CO2 ve vzduchu má za následek otevírání stigmat na delší dobu, čímž ovšem dojde ke zvýšeným ztrátám vody z těla. Např. u Rhodnius, která je velmi odolná proti vyschnutí, vede vystavení suchému vzduchu s příměsí CO2 ke smrti ztrátou vody. I 0 I I I 0 0 0 zatažený vysunutý Start Konec zadeček 1 2 3 4-10 insp exsp insp exsp Schistocerca Nejen difuze. Usměrněný proud vzduchu v závislosti na aktivitě. Zisk vody z atmosféry a z vydýchnutného vzduchu. Kondenzace na chladnějším povrchu. Zisk vody z atmosféry a z vydýchnutného vzduchu. Kondenzace na chladnějším povrchu. Vodní hmyz: otevřená nebo uzavřená soustava trachejí. Uzavřená: tracheální, rektální žábra. šidélko brouk pošvatka Množství O2 rozpuštěného ve vodě je závislé na teplotě. V chladných vodách si hmyz vystačí se žábrami, plastronem, kutikulárním dýcháním. V mělkých a teplých stojatých vodách potřebuje otevřenou soustavu – bublinu jako zásobu nebo „šnorchl“ Caudal gill of dragonfly larva 2016 PHOTOMICROGRAPHY COMPETITION Otevřená: Z hladiny - trubička larev pestřenek např. rodu Eristalis nebo sifon komárů opatřený na konci stigmaty, či zvláštním způsobem upravená tykadla vodomila Hydrophilus apod. Otevřená: Nebo vzduch s sebou. Vzduchové bubliny Jejich objem se mění. Otevřená: Nebo vzduch s sebou. Vzduchové bubliny Jejich objem se mění. 1.FUNKCE HYDROSTATICKÁ. Zásoba vzduchu má především funkci hydrostatickou, která se uplatňuje při výstupu hmyzu k hladině, při zaujímání vhodné polohy při obnovování zásoby vzduchu. Připevní-li se na tělo znakoplavky závaží, kompenzuje zvětšení hustoty těla zvětšením objemu vzduchové bubliny. Naopak při připevnění kousku korku neobnovuje bublinu, zůstává pod hladinou až do vyčerpání kyslíku a hyne. 2. FUNKCE ZÁSOBÁRNY KYSLÍKU. Potápník Dytiscus je schopen pojmout pod krovky určité množství vzduchu. Z tohoto množství může odebírat kyslík až do obsahu 1%. Pak zásobu vzduchu opět obnovuje vystoupením k hladině. Zvětšíme-li uměle prostor pod krovkami např. odstraněním blanitých křídel, je rezerva kyslíku větší, což se projeví i v prodloužení doby pobytu pod hladinou. 3. FUNKCE PROSTŘEDNÍKA při získávání kyslíku rozpuštěného ve vodě. Schopnost vzduchové bubliny (filmu) fungovat jako žábry spočívá v tom, že difuzní koeficient O2 mezi vodou a vzduchem je více než 3krát vyšší než difuzní koeficient N2. Je-li tedy tlak O2 rozpuštěného ve vodě větší než parciální tlak O2 ve vzduchové bublině, pak má kyslík větší tendenci k pronikání z vody do bubliny a dusík naopak k přecházení z bubliny do vody. Znakoplavka Notonecta přežije 7 hodin ve vodě nasycené vzduchem, 35 minut ve vodě nasycené kyslíkem a jen 5 minut ve vodě nasycené dusíkem. Ve druhém případě tedy přežívá jen 1/10 doby ve srovnání s prvním případem, přesto že měla v rezervě 5krát více kyslíku, protože v nepřítomnosti dusíku nemohlo docházet k difuzi kyslíku z vody do bubliny. Proces difuze nemůže jít donekonečna, protože dusík z bubliny se postupně rozpouští ve vodě a je-li znakoplavka nucena zůstat potopena, přechází postupně všechen plyn z bubliny do vody. Životnost bubliny závisí na její počáteční velikosti, spotřebě zvířete a hloubce ponoru. Bylo spočítáno, že až 7x vyšší objem O2 se dostane do bubliny z vody než v ní zpočátku bylo, než bublina zanikne. Stačí vzduchový film k pokrytí metabolických potřeb hmyzu? Možná, že ne… Záleží také na stlačitelnosti, teplotě, pohybu… Journal of Experimental Biology 2013 216: 164-170; doi: 10.1242/jeb.070276 Plastronové dýchání – permanentní vzduchový film. Je potřeba jej udržovat povrchovými strukturami. Podobá se spíše uzavřené dýchací sst – tzv. fyzikální žábra. ploštice Aphelocheirus, larvy brouků Phytobius, Elmis, pavouci Krevní žábry Nemají tracheje, přijímají O2 osmoticky do hemolymfy. U larev pakomárů přenáší barvivo erytrokruorin. Tracheální plíce Tracheální žábra jsou známa už dlouho, ale tracheální plíce patří mezi nejnovější objevy hmyzí fyziologie. U housenek některých druhů nalezeny hojné skupiny jemných tracheí zavěšené v dutinách s hemolymfou. Celý tracheální systém jsou vlastně plíce – kyslík ze stigmat je přenesen do hemolymfy nebo na barvivo krevní buňky. Erytrocyty existují i u bezobratlých: Někteří kroužkovci, měkkýši, pásnice, ostnokožci. Jaderné, větší, slouží i jiným fcím než jen transport plynů. Jsou to nosiče kyslíku a jsou tvořeny proteinem, na který je navázán kov (Fe nebo Cu) metaloproteiny. Obyčejně jsou zbarvené, proto dostaly název dýchací pigmenty. S hemoglobinem se setkáváme u Echinodermat, podobný pigment u Annelidů, pásnic. Výjimečně u korýšů a hmyzu (erytrokruorin u larev pakomárů). Žlutozelený chlorokruorin (Fe vázané na porfyrin – jiný než hem) se vyskytuje rozpuštěný v krvi některých mořských kroužkovců. Fialový hemerytrin je vázán na krevní buňky mořských polychétů, hlavatců, sumýšovců. Železo není součástí porfyrinu, ale je vázáno přímo na bílkovinu. Modrý hemocyanin je rozpuštěn v hemolymfě téměř všech měkkýšů a korýšů. Měď se váže přímo na bílkovinu. Když je oxidován, zmodrá. Pigmenty jsou někdy vázány na krvinky někdy volně rozpuštěny v plasmě. Výhoda uzavření hemoglobinu v erytrocytech je např., že chemické prostředí uvnitř buněk se může výrazně lišit od poměrů v plasmě. Reakce mezi O2 a Hb je totiž silně ovlivňována anorganickými ionty stejně jako fosfáty . Dýchací pigmenty Krevní barviva: Krevní barviva: měkkýši klepítkatci Krevní barviva: Korýši, hmyz Mlži Chroustnatky Máloštětinatci Hlísti PloštěnciOstnokožci Krevní barviva: Mnohoštětinatci Krevní barviva: Brachiopoda ramenonožci Priapulida hlavatci Mnohoštětinatci Ramenonožci Hlavatci Dýchací pigmenty – limit výkonu. Ryby a hlavonožci - podobný způsob života, ale handicap u hlavonožců. Oliheň spotřebuje dvakrát tolik kyslíku jako stejně velká ryba k plavbě poloviční rychlostí. Koncentrace hemocyaninu u hlavonožců zvyšuje i viskozitu krve. I tak odnáší krev z žáber pouze 5vol%. Hemoglobin v erytrocytech má více než dvojnásobnou kapacitu. I když je hlavonožec v klidu, nemá na rozdíl od obratlovců žádnou kyslíkovou rezervu ve venózní krvi, ta je téměř deoxygenovaná. Začne-li pracovat, jedinou cestou k zásobení je zvýšení oběhového výkonu. Ryby mají ještě velkou rezervu ve smíšené venózní krvi. Náročný typ pohybu a typ barviva, který dovoluje malou rezervu kyslíku vede k malé výkonnosti hlavonožců. Chobotnice v klidu v prokysličené vodě. Chobotnice nemá žádnou venózní rezervu kyslíku. Různé tlaky CO2 ukazují Bohrův efekt hemocyaninu. Hb a Her rozšířenější než Hc a Chc. Bez jasné evoluční linie. Vyšší výkon srdce nebo lepší pigment? Čím větší je kapacita krve přenášet kyslík, tím menší množství jí potřebuje srdce pumpovat k pokrytí potřeb. U krabů je nepřímá úměra mezi množstvím hemocyaninu a srdečním výkonem. Existuje tu kompromis mezi nároky na produkci barviva a nároky na výkonnost srdce. Která volba je lepší? Zdá se, že pro vysoce aktivní zvířata je klíčová vysoká kyslíková kapacita krve, pro pomalá je neekonomické investovat do vysoké koncentrace pigmentu. Hemoglobin má mezi barvivy unikátní schopnost zvyšovat (usnadňovat) difuzi O2 přes membrány. Je to dáno jeho velikostí a pohyblivostí. Roztoky s Hb absorbují mnohem lépe O2 než s jinými barvivy. Bezobratlí, kteří mají hemoglobin, žijí často v prostředích s nízkým parc. tlakem kyslíku (např. střevní paraziti). porfyrin Tetramerní Hb savců myoglobin Navázání O2 na Hb se podobá kontaktu enzymu se substrátem. Specificky a nekovalentně (slabou vazbou). Po vazbě Hb změní konformaci (alosterický efekt), která změní afinitu dalších podjednotek. Jsou tu i další vazebná místa (H+, CO2 – allosterické ligandy měnící afinitu ke O2). Formy Hb: Alosterický efekt navazování kyslíku T-tensed R-relaxed (větší afinita) Vlivy: - pH - Bohrův efekt: CO2 snižuje afinitu - BPG – bis fosfo glycerát – meziprodukt glykolýzy. Navázání uvolňuje O2 Koolman, Color Atlas of Biochemistry, 2nd edition © 2005 Thieme Koolman, Color Atlas of Biochemistry, 2nd edition © 2005 Thieme Formy Hb: Alosterický efekt navazování kyslíku T-tensed R-relaxed (větší afinita) Vlivy: - pH - Bohrův efekt: CO2 snižuje afinitu - BPG – bis fosfo glycerát – meziprodukt glykolýzy. Navázání uvolňuje O2 Koolman, Color Atlas of Biochemistry, 2nd edition © 2005 Thieme CO2 je: - přeměňován na uhličitan - vázán na Hb. CO2 a O2 se vzájemně vytěsňují Ery slouží k přenosu i přeměně CO2 Proč sigmoidní křivka saturace Hb? Pracující sval dostane mnohem víc kyslíku než sval v klidu Kolísající nabídka O2 ve vodě. jak se vyrovnat s kolísající dostupností kyslíku: 1. zvětšit dýchací povrch 2. použít dýchací pigmenty s vyšší afinitou 3. zvýšit ventilační a cirkulační proudění Gastrophilus – larva střečka Planorbis – okružák Daphnia – hrotnatka (perloočko) Biomphalaria – okružák Chironomus - pakomár U mnoha bezobratlých jsou disociační křivky položeny hodně vlevo a strmě tedy stoupají – afinita hemoglobinu mlže Phacoides nebo larvy Chironomus je velmi vysoká. I zde je vliv pH a teploty. V životě se tyto druhy potkávají s obdobími velmi nízkých koncentrací O2. Pokud jsou chováni v prostředí s nízkým O2, generují mnohem více hemoglobinu - např. korýšek Daphnia. Často jsou v různých tělních kompartmentech pigmenty dva a musejí spolupracovat. Měkkýš Cryptochiton má hemocyanin v krvi a myoglobin ve svalech. Podobně jako u obratlovců je i afinita myoglobinu ve svalech vyšší než krevního barviva – zde hemocyaninu. Chironomus p50 p50 – parc tlak poloviční nasycenosti Daphnia Aklimace na hypoxii díky respiračním pigmentům Daphnia (perloočka) v hypoxii produkuje HIF a ten vede k jinému složení pigmentů. Nová mRNA se objeví v řádu minut, a hemoglobin s jiným poměrem podjednotek a vyšší afinitou se objeví za 18 h. P50 klesá (afinita roste) a koncentrace Hb rovněž. S Hb zčervená. Modří krabi za této situace zvednou koncentraci Cu2+ v krvi. Ten stáhnou z kutikuly a afinita hemocyaninu stoupne. Daphnia