6. KREV
- transport látek
- živiny
- plyny
- regulace homeostázy
- pH
- osmotický tlak
- rozvod tepla
- obranná funkce
- imunita (buněčná – humorální)
- obranné toxiny (ropušníci - Phrynosoma)
- vzácně mechanická funkce
- tlak v očním sinu usnadňuje plazům čištění povrchu oka
ropušník
Krevní objem: 3-16 % (obratlovci)
- objem v cirkulačním systému
- hematokrit (objem buněk)
- objem plasmy
Složení krve
- Ionty – potenciál na membránách, pH
- neelektrolyty – močovina, glukóza,.. (metabolismus)
- proteiny - koloidní osmotický tlak
- pufrační schopnosti – pH
- transport látek
- metabolity, toxiny,..
- buňky
erytrocyty
Hematologické parametry některých obratlovců
Ery – objem erytrocytu/velikost; EryK – počet erytrocytů v 1 litru krve; Hct – hematokryt; Hb – koncentrace hemoglobinu;
PHEry – množství hemoglobinu na buňku; PHEryK – koncentrace hemoglobinu v buňce; OK – kapacita krve pro O2
Ery EryK Hct Hb PHEry PHEryK OK
fL 1012 /L % g/L pg g/L ml O2/L
mlok 10800 0,027 29 76 2830 262 102
(Amphiuma)
skokan 845 0,296 25 70 232 285 94
želva 394 0,52 21 69 133 335 92
velbloud 319 11,0 35 158 14 494 211
slon africký 141 3,03 43 153 51 356 205
krocan 136 2,72 37 123 45 336 165
běluha 134 3,34 46 193 57 427 259
člověk 90 4,99 44 146 29 335 196
myš 60 8,3 50 159 19 320 213
pytlouš 45 11,8 54 193 17 367 259
rejsek 31 11,5 36 162 15 477 217
koza 18 16,1 29 104 7 356 139
kančil 6 55,9 31 117 2 380 154
úhořík (Amphiuma)
kančil
Dýchací barviva (DB)
- u obratlovců zejména svalový myoglobin (1x globin) a krevní
hemoglobin (4x globin)
DB + O2 DB-O2
nízký pO2
vysoký pO2
Fylogeneze dýchacích barviv u živočichů
Hb – hemoglobin; Mb – myoglobin; E – erytrokruorin (hemoglobin bezobratlých); Ch – chlorokruorin (zelený);
Hr – hemerytrin (bez hemu, bezbarvý → fialový); Hc – hemocyanin (Cu2+, bez hemu, bezbarvý → modrý)
Struktura některých hemových skupiny globinů
KYSLÍK (kov
kotvící aminokyselina – histidin)
Základní skupiny globinů u savců
Evoluce globinů (chromosomy člověk)
Podobnost jednotlivých globinů u obratlovců
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 O2 (reverzibilně)
–> oxygenace, oxyhemoglobin (HbO, oxyHb)
- Oxidací Fe2+ na Fe3+ - methemoglobin (MetHb), neuvolňuje O2,
patologické, po otravách oxidačními činidly
- Vazba CO – karbonylhemoglobin (COHb), CO má ~300x vyšší afinitu k Hb než O2
- Vazba CO2 – karbaminohemoglobin (HbCO2), fyziologické v rámci transportu CO2
Úloha globinů
A) Vazba a přenos O2
B) Redukce ROS a RNS
(reactive species – tzv. radikálů)
C) Metabolismus NOxů
D) Regulace GTPás
E) Oxidačně redukční
reakce s cytochromy
Nitrace fenolů zprostředkovaná neuroglobinemReakce 1 – odkysličování
Reakce 2 – okysličování
Reakce 3 – NO dioxygenace
Reakce 4 – nitrosylace
Reakce 5 – NO redukce
Reakce 6 – O2nitrosylace
(hem denitrosylace)
Reakce 7 – NO2- redukce
Reakce 8 – MetHb redukce
Metabolismus NOx
Katalyzované
hemoglobinem
NONO
Úloha myoglobinu v ochraně myokardu
Význam normální sigmoidní křivky pro transport O2 krví; P50 = 3,8 kPa, n = 2,6.
Srovnání s hyperbolami pro n = 1 při „stejné“ arteriální saturaci O2 (P50 = 0,4 kPa)
a pro stejné P50.
n – kooperativní koeficient interakce molekul hemu při vazbě O2, závislost na počtu hemových
Molekul; n = 1 pro 1 molekulu Hb (monomer); n = 2,6 pro 4 molekuly Hb (tetramer);
200mer – n ~ 8 (Arenicola); některé hemoglobiny n > 8
Saturační kapacita krve pro různé skupiny obratlovců a vody v ml O2
na 100 ml média při plné saturaci a při pO2 = 21,8 kPa pro vodu
voda (20°C) 0,65
kruhoústí 1 – 1,2
paryby 4,4 – 4,5
ryby 4,9 – 19,7
obojživelníci 6,3 – 10,4
plazi 6,6 – 12,5
ptáci 10 - 22
savci 14 - 32
Saturační křivka hemoglobinu
kyslíkem a (negativní = normální)
Bohrův efekt u člověka
Změny v 50% saturaci hemoglobimu kyslíkem (P50)
v závislosti na pH (Bohrův efekt - f) u dospělého
skokana volského (R. catesbeiana) a jeho pulce
Faktor Bohrova efektu (f = DlogP50/DpH)
pro hemoglobiny obratlovců.
ryby -0,54 až -0,31
obojživelníci -0,29 až 0
plazi -0,52 až -0,13
ptáci -0,5 až -0,4
savci -0,96 až -0,32
Bez Bohrova efektu
- embryonální hemoglobiny
- hemoglobin sliznatek (Polistotrema)
- myoglobiny
Normalní / negativ
Bohrův efekt.
Reversní / poyitivní
Bohrův efekt
Bez Bohrova efektu.
Vazbu O2 k hemoglobinu dále ovlivňují
- parciální tlak CO2 => Rootův efekt
- u ryb napomáhá uvolňování plynů do plynového měchýře
- koncentrace iontů – vyší koncentrace = vyší P50 / nižší vazebnost (savci)
- koncentrace organických fosfátů (intracelulárně) - vyší koncentrace = vyší P50 /
nižší vazebnost (savci)
- teplota – vyší teplota = vyší P50 / nižší vazebnost
Účinek Bohrova a Rootova efektu/posunu na transport O2 krví
DPG(BPG)–2,3bifosfoglycerát
Vliv intenzity metabolismu na disociační křivku hemoglobinu pro O2.
Menší živočichové mají intenzivnější metabolismus = větší spotřeba O2 na 1g tkáně,
rejsek (shrew) přibližně 40x větší než slon (elephant) => větší nároky na přenos O2 z krve do tkání.
Různé typy hemoglobinů => růuné afinity k O2, význam v ontogenezi
Senzitivita jednotlivých typů hemoglobinu člověka k změně pH (A)
a koncentraci 2,3-BPG (B)
Saturační křivky krve O2 u matky a plodu
- různé hemoglobiny
- podobný vztah i mezi dalšími O2 přenášejícími
barvivy, dle parciálního tlaku O2
(př. myoglobin x hemoglobin)
Účinnost transportu kyslíku krví v závislosti na hematokritu / koncentraci hemoglobinu
Hct – hematokrit
OT – transportní kapacita O2
OT = Vbl*k1*Hct
Vbl – průtok krve (ml za minutu)
k1 – relativní kapacita vazby O2 krví
v závislosti na Hct (ml O2 / ml krve * Hct)
hkrve – viskozita krve = hplasmy ek3Hct
k2 – konstanta charakterizující tlak a odpor cév
k3 - konstanta
OT in vivo x Opt. hematokrit
Posun umožňuje větší zásoby
kyslíku v krvi
Vztah mezi transportní kapacitou O2 (OT) a
A) koncentrací hemoglobinu
B) Molekulární hmotností hemoglobinu (M = Mr !!!)
viskozita x koncentrace (molární koncentrace)
Zásoby O2 - významné zejména pro potápějící se savce a ptáky
Hemoglobin jako zásobárna O2
- 1,3 ml O2 na 1g hemoglobinu
- < 15 g% hemoglobinu v krvi
- objem krve < 10 % tělní hmoty
Myoglobin jako zásobárna O2
- koncentrace ve svalu < 5 %
- svaly 20-40 % tělní hmoty
Plicní zásoby O2 – malý význam v důsledku redukce objemu vzduchu před potopením
Objem ml 02 na kg tkáňové masy
plíce arteriální krev žilní krev svaly rozpuštěno celkem
člověk 12,2 2,8 10,1 0,9 1,9 27,9
kachna divoká 12,3 4,7 10,2 1,8 2 31,0
lvoun 16,5 5,0 7,2 8,1 2 39,4
polák chocholačka 19,8 6,3 13,6 1,8 2 43,5
mrož 17,4 7,7 11,5 10,0 2 48,6
lachtan medvědí 21,8 6,7 9,9 11,7 2 52,1
tuleň obecný 13,6 12,2 18,8 18,6 2 65,2
vydra mořská 51,2 6,1 9,4 8,8 2 77,5
tuleň pruhovaný 12,6 14,3 22,6 27,2 2 78,7
Výměna O2 v plovacím měchýři u kostnatých ryb
- objem je závislý na hloubce ponoření (10 m = 1 atm = 101 kPa)
- mechanismy pro uvolňování plynů do měchýře a zachování jeho konstantního
objemu, mnohé druhy pak ještě žlázy pro zpětnou resorpci plynů
- problematické ve velkých hloubkách, parciální tlaky plynů v krvi obecně malé,
parc. tlaky v měchýři značně narůstají s hloubkou
- nejsou mechanismy aktivního transportu, jen pasivně
- uplatnění Rootova (pCO2) efektu
Plynové žlázy se sítí cév napojených na plynový měchýř
- navození Root efektu anaerobním metabolismem
(produkce H+, laktátu, CO2)
- vytěsnění O2 z hemoglobinu
- zvýšení rozpuštěného pO2
- část O2 přejde do plynového měchýře
Transport CO2 a jeho důsledky
za normálního stavu převažují hydrogen-uhličitanové ionty
CO2 + H2O  H2CO3  H+ + HCO3
zvyšující
se pH zvyšuje množství uhličitanových iontů
CO2 + OH-  HCO3
-  H+ + CO3
2CO2
se také váže na –NH2 skupiny proteinů (významné u odkysličené krve)
CO2 + -NH2  -NHCOO- +H+
Obecně jsou malé rozdíly*) mezi obsahem CO2 v arteriózní a venózní krvi – 1.8 objem.%
- okysličená krev: 48,2 objem.%, pCO2 = 5,4 kPa (arterie)
- odkysličená krev: 50 objem.%, pCO2 = 6,3 kPa (vény)
Odkysličená krev má vyší obsah CO2 pro stejný pCO2 -> Haldanův efekt
*) – parametry lidské krve, ale nejsou moc odlišné od ostatních obratlovců
Transport CO2
- Konečný produkt metabolismu, dobře rozpustný ve vodě, ale pro transport většina
chemicky vázaná
1) V podobě hydrogenuhličitanových iontů (až 65%)
CO2 + H2O  HCO3
- + H+
- Spontálně v plasmě, 250x rychleji v erytrocytech, enzym karbonátdehydratáza
(karboanhydráza)
- H+ reagují s Hb a vytěsňují O2
- HCO3
- přechází do plasmy (nahraženo ionty Cl->
Hamburgerův shift / chloridový posun)
2) V erytrocytech
karbaminovazbou na globin Hb
=> karbaminohemoglobin (HbCO2)
Hb-NH2 + CO2  Hb-NH-COO- + H+
Úloha erytrocytů v transportu CO2
Membrána erytrocytů je málo prostupná pro kationty. Vznikající HCO3
- je měněn
za Cl- (chloridový / Hamburgerův efekt), s Cl- vstupuje i H2O => větší erytrocyty = vyší hematokryt
Transport CO2
Transport CO2
Haldanův efekt
human
H2O  H+ +OHpH
= pK + log [A-] / [HA] (pK = pH pro [A-] = [HA])
b - pufrační kapacita; b = Dmmol / DpH
Acido-bazická rovnováha
- voda má pH = 7 při 25°C
- pH tělních tekutin člověka ~ 7,6
- intracelulární pH ~ 7
Pufrační základ
tělních tekutin tvoří celková koncentrace HCO3
-, fosfátů a proteinových anionů.
Ostatní ionty (tzv. silné ionty) jsou plně disociovány a nepodílí se na pH.
Pufrační kapacita plasmy a krve u různých druhů
b
Bahník (Protopterus) 15,2
Žralok (Squalus) plasma 6,5
krev 9
Ďas (Opsanus) 6,7
Makrela (Scomber) 14,8
Žábronoš (Necturus) 8,0
Skokan (Rana) 16,4
Aligátor 22,6
Bobr 27
Člověk plasma 6,5
krev 30,8
Vztah mezi HCO3
- (y; mM) a pH
(Daven-port diagram) - člověk
RAC / RAL
Respirační acidóza / alkalóza
MAC / MAL
Metabolická acidóza / alkalóza
mM
torr
pCO2 a koncentrace HCO3
- u některých obratlovců,
- srovnání pro vodní a vzdušné dýchání
Závislost disociační konstanty na teplotě pro vodu a různé pufry (A)
Závislost intracelulárního (svaly) a extracelulárního (krev) pH na teplotě (B)
pH krve, pCO2 a HCO3
versus
teplota těla/okolí
Vtah mezi pCO2 a pH krve u některých savců a ptáků
v klidu „●“ a při oddychování (po výkonu) „○“
Přerušovaná linie nekompenzovaný poměr
pro danou koncentraci HCO3
-
Změna pH v závislosti na teplotě (organismy x pufry)
DpH/D°C
Kapr -0,019
Aligátor -0,018
Voda -0,017
Žába -0,017
Pstruh -0,017
Mořská želva -0,016
Ropucha -0,016
HCO3
-/imidazol pufr (25mM + 20mM) -0,015
Žába -0,013
netopýr -0,009
myš -0,009
Pouštní leguán -0,008
HCO3
- pufr (25mM) -0,005
HCO3
-/PO4
3- pufr (25mM + 20mM) -0,004
Lenochod -0,003
Ještěrka -0,002
Hibernující ježek -0,002
Hibernující křeček -0,002
Hibernující netopýr 0
Hiberující pozemní veverka 0
• základní homeostatický
mechanizmus
• udržování integrity organizmu:
• - obranyschopnost
• - autotolerance
• - imunitní dohled
• už u fylogeneticky nejstarších
druhů
IMUNITNÍ MECHANIZMY:
Nespecifické
• evolučně starší
• bez imunologické paměti
• reakce na antigen (Ag) řádově v min.
• bariéry – mechanické, chemické
(lysozym), mikrobiální
• složky: buněčná (fagocyty, NK) +
humorální (komplement, interferony,
lektiny, další sérové proteiny)
Specifické
• evolučně mladší
• imunologická paměť
• reakce na Ag: dny – týdny
• složky: buněčná (T-lymfocyty) +
humorální (protilátky – Ab)
 Úrovně –> geny –> molekuly –>
buňky –> orgány (primární +
sekundární)
IMUNITA
Fakta z roku
1980 (1992)
rejekce
imun.
spec.
rejekce
imun.
paměť
fago-
cytóza
enkap-
sulace
nespec.
humor.
faktory
ameboid.
fagocyty
diferen-
ciace
leuko-
cytů
protilát
ky
Protozoa A N N A N N N N N
Porifera A A A N A N N N N
Cnidaria A A A N A N N N N
Annelida A A ? A A A A asi A N
Mollusca A ? ? A A A A N N
Arthropoda A ? A A A A A N N
Echinodermata A A A A A A A A N
Tunicata A asi A A A A A A A N
Vertebrata A A A A N A A A A
komplement
A. Bezčelistnatci (Agnatha)
Sliznatky (Myxinoidea) nemají organizovaný thymus a jsou vybaveny jen
jednoduchými hematopoetickými a lymfopoetickými tkáněmi; krevní „lymfoidní
hemoblasty“ zajišťují funkce jak krvinek, tak zánětlivých buněk. Sliznatky jsou
schopny „senzibilizovanými lymfocyty“
vypudit cizí štěpy a projevit známky
imunologické paměti. V séru se nachází
několik bílkovin s vlastnostmi imunoglobulinů.
Mihule (Petromyzones) - v krvi hemaglutininy
a antibakteriální látky odpovídající Ig vyšších
obratlovců, fylogenetický přechod mezi
protilátkami bezobratlých a obratlovců.
B. Čelistnatci (Gnathostomata)
Mají již zřetelný thymus, slezinnou bílou pulpu a dokonalejší
tkáňové i krevní lymfocyty, a objevují se u nich poprvé i
plazmatické buňky. Aloštěpová reakce je velmi účinná,
v krvi přibylo imunoglobulinů,
prudčeji probíhají reakce
zprostředkované protilátkami IgM.
Paryby (Chondrichthyes)
- typické Ig (2 lehké + 2 těžké řetězce),
1 typ Ab – IgM.
- u žraloků brzlík a slezina
Ryby (Pisces)
- tkáňové Ag – MHC
- aktivita IgM závisí na teplotě (jako u
všech poikilotermů)
- proteiny komplementu uniformní
- plně diferencovaný brzlík a slezina
Obojživelníci (Amphibia)
V souvislosti s přechodem z vody na souš
- Kvalitativně vyší stupeň imunity
- Jsou vytvořeny uzliny a již existuje
systém T i B lymfocytů
- Ve střevní tkáni lze nalézt velké
množství plazmocytů.
Žáby (Anura)
- Silný MHC
- 2 druhy Ab (IgM a IgG)
- prokázána alergická reakce
- hematopoéza v kostní dřeni
- sekundární lymfat. org. (slezina, ledviny,
lymfatické uzliny)
- GALT (gut associated lymphoid tissue).
Mloci (Urodela)
- nejsou MHC
- hematopoéza v kostní dřeni
neprokázána,
probíhá v ledvinách a játrech
Plazi (Reptilia)
- Podobnost s IS obojživelníků
- Jsou zde přítomny protilátky IgM a
objevují se předchůdci IgG, navíc i
„slizničního“ IgA.
- Hematopoéza – kostní dřeň, slezina,
thymus (s přibývajícím věkem involvuje),
v hltanu tonzily
- Není spolehlivě prokázán MHC
- GALT v podobě kloakálního komplexu
(anatomicky podobný Fabriciově burze
ptáků, ale není jejím ekvivalentem)
- Krokodýli (Crocodylia) mají velmi účinné baktericidní
proteiny v krvi (odolnost i proti Staphylococcus aureus...)
Ptáci (Aves)
- Zdokonalení lymfoidního systému. Vedle plně
vyvinutého thymu (všechny 3 typy T lymfocytů
– Th, Tc i Ts) a kostní dřeně se vytvořila
Fabriciova burza (bursa Fabricii) - hlavní orgán
humorální imunity.
- Dále slezina, lymfat. uzliny (nejsou u
kurovitých), Peyerovy plaky, Harderova a
pineální žláza.
- Lymfat. tkáň má také difúzní podobu, její
ohniska téměř ve všech orgánech – např.
myokard, endokrinní org., játra, ledviny,
pankreas i příčně pruhovaná svalovina
- BALT (bronchus associated lymphoid
tissue)
Lokalizace lymfatických orgánů ptáků a savců
Systém lymfatických cév (vasa lymphatica) není u ptáků tak vyvinut jako
u savců. Sbírají lymfu z pletení tvořených lymfatickými kapilárami a
odvádějí ji do doprovodných krevních žil. Lymfatické srdce a lymfatické
uzliny se vyskytují pouze u kachen a hus.
Savci
- Savci včetně člověka mají dokonale vybudovaný thymus a systém buněčné
imunity. Ig 5 resp. 9 typů (IG1-4, IgM, IgA1-2, IgD, IgE).
- Společný původ řady významných povrchových znaků a receptorů dokazují
přesvědčivě analogie a podobnosti v jejich struktuře u nízkých živočišných forem a
savců (člověka). Platí to pro druhové, diferenciační i histokompatibilitní znaky i pro
receptory fagocytů, dendritických buněk a NK buněk i T a B lymfocytů.
- Geny pro receptory T-lymfocytů a geny pro receptory B-lymfocytů (imunoglobuliny)
se začaly odštěpovat od původních pragenů asi před miliardou let a
osamostatňovat se před zhruba 600 milióny let. Vývojové zmnožování a
rozrůzňování probíhalo pomalu, ale trvale. K divergenci histokompatibilitních
znaků I. a II. třídy došlo asi před 200 milióny let.
- Základem vzniku nejspíše selekční tlak vnějšího + vnitřního prostředí, hlavní hnací
síla: vztah parazit-hostitel.
Savci
(zajímavosti)
- IgM – 1. Ig ve fylogenezi i ontogenezi
- velbloudi nemají lehké řetězce Ig
- gepard – nízký polymorfizmus MHC
(bottle neck effect) => genet.
homogenizace => citlivost k infekcím,
vysoká úspěšnost transplantací
(~inbrední kmeny laboratorních zvířat)
- primáti – transplacentární přenos IgG,
ostatní skupiny – IgG přes sliznice do
mateř. mléka