RESPIRACE ZE VZDUCHU A) RYBY respirační vaskularizované tkáně: kůže, epitely úst, žaludku, střeva, hltanové vaky, modifikované žábry (nadžábrové labyrinty), plynový měchýř, plíce Keříčkovitý orgán keříčkovce Clarias a nadžaberní labyrint guramy Osphronemus HABITAT RESPIRAČNÍ TKÁŇ / ORGÁN Gymnotiformes řeky, bažiny ústní dutina/hltan, žaberní dutina Polypteriformes sladké vody zdušné vaky Synbranchiformes bažiny, rybníky nadžaberní vzdušné vaky Siluriformes rybníky, bažiny, řeky nadžaberní vzdušné vaky, keříčkovitý žaberní orgán žaludek, střevo, plynový měchýř Cyrpiniformes rybníky, tůňky, intestinum řeky, bentické vody Perciformes rybníky, bažiny, řeky, nadžaberní vzdušné vaky, skalnaté říčky žaberní dutina, kůže, ústní dutina, nadžaberní labyrint Anguilliformes řeky kůže Amiiformes sladké vody plynový měchýř Lepisosteiformes sladké vody plynový měchýř Salmoniiformes stojaté vody plynový měchýř Osteoglossiformes sladké vody, bažiny plynový měchýř Gonorynchiformes řeky plíce Lepidosireniformes řeky plíce Bichiři Jeseteři Okounovití Amia (Kaprouni) Bahníci Trahiři Evoluce plic a plynového měchýře jako derivátu hltanu velikost (g) total O2 (ml/kg min) % A/V(O2) RQ(A/V/ total) Lepidosiren plíce 500 0,37 96 / 4 0,45 / 6,7 / 0,73 Protopterus plíce 3250 0,19 89 / 11 0,25 / 4,7 / 0,75 Lepisosteus plynový měchýř 600 0,89 73 / 27 0,09 / 2,7 / 0,8 Anabas labyrint 40 1,88 54 / 46 0,2 / 2,29 / 1,17 Amia plynový měchýř 1200 1,5 35 / 65 0,6 / 1,4 / 1 Neoceratodus plíce 6000 0,25 0 / 100 - / 0,72 / 0,72 Podíl výměny O2 ze vzduchu (A) a vody (V), respirační kvocient (RQ) ve vzduchu, vodě a celkově u vzduch dýchajících ryb v „normoxické“ vodě. Znázornění přechodu mezi vzdušným a vodním dýcháním v závislosti na parciálním tlaku O2 ve vodě u dvou ryb s odlišnou preferencí vodního a vzdušného dýchání (obě plynový měchýř). Arapaima –sladké vody Piabucina - bažiny Ventilační cyklus u trahira (Hoplerythrinus unitaeniatus) http://www.youtube.com/watch?v=8XQQlxQfjcY&feature=related bc – ústní dutina e – jícen s – žaludek agb – přední plynový měchýř rgb - resprační plynový měchýř pgb – zadní plynový měchýř cd – komunikační kanál Bahník východoafrický (Protopterus aethiopicus) Velmi dobře vyvinuté plíce bahníka východoafrického B) OBOJŽIVELNÍCI velká variabilita v rozvoji a využívání plic pro dýchání, obecně velký význam dýchání kůží, případně žábrami Zastoupení jednotlivých orgánů ve výměně O2 a CO2 u mloka (Necturus) při teplotě 25°C. O2 CO2 plíce 10 % 12 % žábry 60 % 61 % kůže 30 % 27 % total 26,1 23,7 (ml O2 / g h) Různě vyvinuté plíce ocasatky (Ascaphus) a ropuchy (Bufo) Ascaphus Bufo marinus Plicní ventilace u obojživelníků - na rozdíl od vyspělejších skupin obratlovců, podobně jako vzduch dýchající ryby, nevyužívájí k nasávání vzduchu negativní tlak v plicích C) PLAZI velká variabilita v rozvoji plic, ale dýchání je již na nich plně závislé, poprvé se objevuje využití negativního plicního tlaku pro vdech - dobře vyvinutá žebra a mezižeberní svaly Rozvětvené plíce chameleona (Chameleon zeylanicus) Dýchací cyklus a fluktuace O2 a CO2 v plíci zmije (Vipera xanthina) Želvy mají srostlá a nepohyblivá žebra => mají dobře vyvinutou bránici, a zároveň regulují tlak v plicích pohybem končetin Krokodýlové, podobně jako hadi a ještěři nemají bránici a pouze minimálně využívají pohyb dobře vyvinutých žeber a mezižeberních svalů k dýchacím pohybům. Rozpínání plic zajišťují pohybem jater diafragmatikem Plazi obývající vody (zejména krokodýli a želvy) využívají hydrostatický tlak pro pasivní výdech. Mnozí mají také větší podíl kožního dýchání něž suchozemské druhy. Např. u mořských hadů při ponoření, kůže zprostředkuje výměnu až 94 % CO2 a 33 % O2. Některé vodní želvy (Amyda, Aspidonotus) jsou schopny vstřebávat O2 z vody sliznicí v ústech a hltanu. Amazonská želva (Podocnemy(i)s) je běžně schopná získat až 90 % potřebného O2 rytmickým proplachováním kloaky okolní vodou. Želvy (Trionyx) při ponření, také intenzivně využívají příjem O2 z vody přes ústní a hltanovou sliznici, v menší míře také využívají kožní dýchání. Obecně, mnozí tetrapodi významnou část CO2 uvolňují kůží. Podocnemy(i)s Laticauda colubrina D) SAVCI - obecně velmi dobře vyvinuté plíce s nepostradatelnou funkcí pro dýchání - ventilace je zprostředkována pohybem žeber a bránice - u mnohých je plicní ventilace synchronizována s pohybem - klokani ~ pístový efekt při skocích - synchronizace s chůzí (různé poměry, 1:1, 1:2,..) - netopýři s máváním křídly (1:1) - intenzita ventilace a perfúze není ve všech alveolech stejná horní (menší ventilace i perfúze) x dolní čast plic Lidské plíce - 150 x 106 alveolů o průměru 150-300 mm - celková plocha alveolů = 80 m2 ~ 9 x 9 m Schéma savčích plic E) PTÁCI - pravděpodobně nejúčinněji vyvinuté plíce s nepostradatelnou funkcí pro dýchání - v průběhu ventilace nemění svůj objem, ventilace je prováděna důmyslným systémem vzdušných vaků napojených na plíce a tracheu tyto vaky obklopují vnitřnosti a pronikají i do velkých dlouhých kostí (humerus, femur) - u plicních vaků se předpokládá i termoregulační funkce - plicní ventilace synchronizována s pohybem - s máváním křídly (1:1) - 2 primární průdušnice (bronchi) - 4 ventrální sekundární průdušnice (ventrobronchi - VB) - 7-10 dorsálních sekundárních průdušnic (dorsobronchi - DB) - VB a DB jsou spojeny množstvím kanálků (parabronchi – P) Schéma ptačích plic Paleopulmo je vždy, neopulmo jen u pokročilejších řádů (např. emuové nemají), u Galliformes a Passeriformes tvoří až 25% objemu plic T – trachea; CAS – cervikální, IAS interclavikulární, AAS – anterio thorakální, PAS – posteriol thorakální a ABAS – abdominální vzdušný vak Mikroskopická struktura ptačích plic P – parabronchi, G – tkáň výměny plynů, A – vzdušné kapiláry, V – cévy, C – krevní kapiláry Znázornění proudů inspirovaného a expirovaného vzduchu v plicích ptáků Změny parciálních tlaků CO2 a O2 v jednotlivých částech plic ptáků při inspiraci (I) a expiraci (E) vzduchu T – trachea, B – primární bronchus, PAS - posteriární vzdušný vak, TAS – thoratický vzdušný vak, VB – ventrobronchus, DB – dorso bronchus Principy plicní ventilace Ventilace - ventilační objem - residuální objem - anatomický mrtvý prostor - fyziologický mrtvý prostor - inspirační minutový objem Parciální tlaky (kPa) plynů v různých částech plic člověka vzduch mrtvý prostor alveoly vydechovaný vzduch O2 21,1 19,8 13,8 15,9 CO2 0,039 0,037 5,32 3,59 vodní páry 0,53 6,25 6,25 6,25 N2 79,3 74,8 75,6 75,2 celkem 101 101 101 101 Dechový (respirační) objem - ~ 500ml v klidu (člověk) Inspirační reverzní objem - ~ 2500ml (člověk), maximum co lze vdechnout Exspirační reverzní objem - ~ 1000ml (člověk), maximum výdechu v klidu Vitální kapacita plic – součet reverzních objemů, měřítko maximálních možností plicní ventilace Reziduální objem = objem kolapsový (uvolní se po plicním kolapsu, pneumotoraxu) + objem minimální (část prvního nadechnutí při narození) Transalveolární výměna plynů - difúzní vzdálenost - plicní difúzní kapacita O2 Alveolární vzduch – řízení ventilace udržuje stejné složení – 13-16% O2 a 4-5% CO2 Difúzní vzdálenosti mezi vnějším médiem a krví v kapilárách u různých vzduch dýchajících organismů difúzní vzdálenost (mm) tlamovec (Haplochromis) 0,31-2,0 keříčkovec (Saccobranchus) žábry 3,6 vzdušné vaky 1,6 pokožka 98,0 lezoun (Anabas) žábry 10,0 nadžaberní dutina 0,21 labyrint 0,21 holub 0,1-1,4 vlaštovka 0,09 ťuhýk 0,17 potkan 0,13-0,26 člověk 0,36-2,5 rejsek 0,27 Plicní difůzní kapacita O2 (PDKO2; ml / min kPa kg) keříčkovec (Saccobranchus) žábry 0,024 vzdušný vak 0,029 pokožka 0,003 lezoun (Anabas) žábry 0,007 nadžaberní dutina 0,054 labyrint 0,229 skokan (Rana) 0,027 varan (Varanus) 0,072 ještěr (Tupinambis) 0,049 želva (Pseudemys) 0,066 želva (Testudo) 0,114 slepice 0,580 vrabec 70 špaček 48 myš (aktivní) 7,5 rejsek (aktivní) 11,2 člověk (v klidu) 0,3 člověk (aktivní) 3,59 Stabilizace alveolů - je potřeba vyrovnat tlak povrchového napětí vody ~> smáčedla / surfaktanty - dipalmityl-lecitin v kombinaci s proteiny Povrchové napětí vody a různých povrchových filmů povrchové napětí (mN / m) voda (0°C) 76,6 voda (20°C) 72,8 voda (40°C) 69,6 mýdlový roztok 25 10% butyl alkohol 26 povrchový film plynového měchýře karase 10-20 povrchový film plic kaprouna (Amia) 3,9 povrchový film plic bahníka (Lepidosiren) 1 povrchový film plic savců 1 Řízení respirace - respirace ve vodě – větší kapacita vody pro CO2 než pro O2 ~ parciální tlaky (p) CO2 se mění jen málo -> receptory sensitivní zejména na změny parciálních tlaků O2 - respirace na vzduchu – stejná kapacita vzduchu pro CO2 a O2 ~ parciální tlaky se mění stejně - celkové množství O2 v krvi (díky vazbě na hemoglobin) se přiměřeně nemění s poklesem pO2 a s poklesem rozpuštěného O2 -> receptory sensitivní zejména na změny parciálních tlaků CO2 ( - změna pH – K+ kanály citlivé k poklesu pH ) mechanosenzory (pohybový aparát) senzory kašlání, polykání, zívání senzory nádechu / výdechu baroreceptory v cévách a plicích Schéma inspiraračního a respiračního centra v prodloužené míše obratlovců - 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 fluid) Také „anticipační zpětná vazba“ => Proprioreceptory ve svalech a šlachách při zvýšené námaze stimulují dýchaní v předstihu před zvýšením CO2 Recepce kyslíku (savci) Tkáňová úroveň – přizpůsobené struktury se schopností výrazné odezvy na změny v koncentraci O2 -Plicní krevní 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) Neuroepiteliální tělíska (NEB) DRG – dorsal root ganglia 5-HT – serotonin CGRP - Calcitonin gene-related peptide / kalcitonin Karotické tělísko – glomové buňky / buňky I. Typu (neurosekreční chemoreceptory, dopamin a acetylcholin – zvýšeno poklesem pO2 v krvi) - průtok krve 1,5-2L /100g / min (mozek 120ml / 100g / min) Karotické tělísko Ledviny – REPOS, buňky produkující erytropoietin (EPO) => regulace proliferace a zrání erytrocytů (Wenger a Hoogewijs, 2010) Keratinocyty – hypoxie (část O2 získávají přímo!) => produkce NO = vasodilatace => produkce VEGF = angiogeneze Prokrvení kůže - pokles PO2 v těle - aktivace REPOS (Semenza, 2008) Buněčná úroveň – jednotlivé molekulární mechanismy citlivé ke změnám koncentrace O2 Akutní hypoxie Bioenergetické sensory – klíčová úloha mitochondrií - AMP (adenosin monofosfát) kinázy, energetický stav buňky (citlivost na poměr AMP:ATP) AMPK reguluje metabolismus i aktivitu iontových kanálů (Towler a Hardie, 2007 ) (Peers et al., 2010) - ROS (reactive oxygen species), redoxní teorie (Ward, 2008) PASMCs - pulmonary arteries smooth muscle cells; buňky hladké svaloviny plícních cév AMCs - adrenal medulla cells; buňky dřeně nadledvin Biosyntetické sensory - NADPH oxidásy - Hem oxygenása-2 - Cytochrom p-450 monooxygenásy Chronická hypoxie Sensorem jsme zejména prolyl-hydroxylásy => stabilizace / degradace hypoxií indukovaného faktoru (HIF) - je součástí obecné odpovědi na hypoxii - je konstitutivně exprimovaný - přítomnost kyslíku indukuje jeho degradaci - nedostatek kyslíku způsobuje jeho akumulaci -indukuje buněnčnou proliferaci - indukce cyklinu D1 - indukce růstových faktorů - indukuje angiogenezi -> VEGF - indukuje erytropoézy -> EPO HIF – hypoxia inducible factor Změny v koncentraci CO2 a O2 jako stimulant intenzity ventilace Ryby - intenzita ventilace v závislosti na koncentraci O2 a CO2 ve vzduchu a ve vodě - senzitivita je druhově specifická a zdá se závislá na preferenci v zdroji O2 (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 Vzduch dýchající ryby Obojživelníci - receptory v aortě citlivé k hypoxii i hyperkapnii (shoda se savci) - zřejmě nemaji CO2 receptory v plicích (na rozdíl od plazů a ptáků, ale napěťové receptory v plicích jsou citlivé k pCO2 - podobně jako u vzduch dýchajících ryb je senzitivita k vodnímu / vzdušnému pCO2 a O2 druhově specifická a zdá se závislá na preferenci v zdroji O2 (vzduch x voda) Plazi - pravděpodobně nemají chemoreceptory v aortě a krkavicích, ale mají CO2 receptory v respiračním traktu - u některých je ventilace regulována zejména pO2 u jiných pCO2 - 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 pCO2 (při vysokém pCO2 > 6.7 kPa snížení frekvence akčních potenciálů) Intenzita ventilace v závislosti na koncentraci O2 a CO2 u plazů a ptáků Lizard Snake Savci - primární regulátor respirace je změna pCO2 - 2 základní typy receptorů 1) karotická a aortická tělíska - pravděpodobně původem z žaberních receptorů, - jsou citlivé na změny pCO2, pO2 a pH 2) centrální chemoreceptory respiračního centra v prodloužené míše - jsou citlivé na změnu koncentrace H+ (pH) v mozkomíšním moku (CSF), jeho pH je přímo úměrné koncentraci CO2 v krvi díky pronikání CO2 mozko-krevní bariérou, která je nepropustná pro H+ - citlivost k změně pCO2 má adaptivní charakter ~ typicky u potápějících se nebo hrabavých druhů (běžně jsou vystaveni hypoxii a hyperkapnii) => citlivost na zvýšené množství CO2 je snížena Intenzita ventilace v závislosti na koncentraci O2 a CO2 u různých savců Marmot – svišt´ Gopher – sysel Mole-rat - rypoš Potápění - zadržení dechu ~ zástava ventilace - hydrostatický tlak ovliňuje výměnu plynů - více O2 a N2 se ze vzduchu v plicích dostane do tělních tekutin - nebezpečí jejich rychlého uvolnění – Caissonova nemoc - vysoký pO2 – toxicita a křeče - vysoký pN2 - narkotizace - hluboko se potápějící savci -> potopení s výdechem, kolaps alveolů => plyn jen v mrtvém prostoru plic (~nevstřebává se) => tužší/pevnější plíce -> snadnější roztažení alveolů - mořští hadi a mořské želvy - pravděpodobně snížena citlivost k toxickému působení O2 a narkotizaci N2 - nadbytečný N2 uvolňují kůží do prostředí - krev vracející se z těla do srdce vynechá plíce (bypass – neoddělený plicní oběh) Proporční zastoupení O2, N2 a CO2 v organismu v závislosti na hloubce u potápěče s přístrojem hloubka (m) 0 50 100 500 vnější tlak (kPa) 101 202 1111 5151 pO2 (kPa) 21,1 42,4 233,5 1082,6 pN2 (kPa) 79,8 159,7 878,3 4072,5 alveolární pCO2 (kPa) 5,32 5,32 5,32 5,35 O2 v plasmě (ml/l) 4,4 8,8 48,3 223,9 N2 v tucích (ml/l) 53 106 582 2700 rozpustnost O2 v plasmě – 0,209 ml / l kPa rozpustnost N2 v tucích – 0,67 ml / l kPa Invazní obrat N2 (invasion rate) u velryby a žáby (organismy s kolapsem alveolů / plic) a potápěče s přístrojem v závislosti na hloubce ponoření * Plíce ploutvonožcú jsou pevnější než plíce suchozemských savců. * Surfaktanty v plicích ploutvonožců nesnižují povrchové napětí tak efektivně, jako u suchozemských, brání hlavně slepení plicní tkáně při ponoření. Adaptace výhodné pro potápění u savců Větší transportní kapacita krve pro O2 - běžně: 17–22 % (ale i delfíni a lachtani) - tuleňi: obecný 26-29%, Weddellův 29-36%, pruhovaný 34% - vorvaň malý: 32% Větší celkový objem krve - běžně: 60-110 ml / kg - tuleňi obecný a pruhovaný 130-140 ml / kg - tuleň Weddellův, rypouš severní, vorvaň obrovský: 200-220 ml / kg  Zásoby kyslíku - člověk, kůň – 14-15 ml / kg - tuleni – 40-70 ml / kg Větší množství svalového myoglobinu (kosterní svaly) - člověk, kůň – 4-9 mg / g - tuleň obecný, Weddellův, rypouš severní – 50-55 mg / g - tuleň pruhovaný, plískavice saravacká – 70-80 mg / g Oběhový systém - zejména u potápějících se „bradykardie“ na 5-20% (vazokonstrikce koronárních arterií, nižší nároky na srdce) - celkově omezený krevní průtok – řízeno sympatikem (vasokonstrikce) - proudění krve zejména do mozku > kosterních svalů > gastrointesticiálních orgánů => tkáně se rozdělují na aerobně a anaerobně metabolizující (obrat ATP x laktátu) Tuleň weddellův -500m, 1h Plískavice saravacká -500m Aerobní limit potápění (ADL, aerobic dive limit) - Na jak dlouho se může organismus potopit bez následného „kyslíkového dluhu“ - Vázano na limity pro metabolismus laktátu tuleň Weddellův – 20 minut lachtan medvědí a ušatý – 4-6 minut delfín skákavý - 4 minut rypouš sloní, vorvaň – 40-50 minut Důsledky ADL pro tuleně Weddellova potopení 6 x 15 minut, 4 minuty na hladině mezi ponory – total 114 minut, 90 minut pod vodou potopení 44 minut, 70 minut na hladině – total 114 minut, 44 minut pod vodou = ½ času ~ -2000m Evoluční adaptace na potápění u člověka (~ 1000 let evoluce) Potlačení potápěcího reflexu - citlivost k CO2 - mutace FAM178B* (regulator carbonic anhdrase) - mutace v BDKRB2** (vazoknstrikce periferie) Zvětšená slezina - mutace v genu PDE10A*** (phosphodiesterase 10A) => zásoba erytrocytů, při potopení její kontrakce *FAM178B - Family with sequence similarity 178 **BDKRB2 - bradykinin receptor2 ***PDE10A – metabolismus(hydrolýza) cAMP a cGMP Velikost sleziny Rekordy (2018) – volné potápění Statická apnoe: výdrž na jeden nádech staticky: 11 min 35 s / 9 minn 02 s. Dynamická apnoe s ploutvemi: vzdálenost na jedne nádech: 300 / 243 metrů. Dynamická apnoe bez ploutví: vzdálenost na jedne nádech: 244 / 191 metrů. Konstantní zátěž s ploutvemi: Potápěč sestupuje do hlubiny jen s pomocí ploutví., stejně i na hladinu: 130 / 107 metrů . Konstantní zátěž bez ploutví: Potápěč sestupuje do hlubiny bez pomocí ploutví., stejně i na hladinu: 102 / 73 metrů . Volný ponor: ručkování po laně: 125 / 97 metrů Variabilní zátěž: dolů se zátěží, nahoru ručkování po laně: 146 / 130 metrů Bez limitu: dolů zátěž, nahoru nadnášení vzduchovým vakem: 253 / 160 metrů. Velké nadmořské výšky - pokles barometrického tlaku – pokles parciálních tlaků (poměrové zastoupení jednotlivých plynů se ale nemění) -> zvyšuje se dehydratační stres (- klesá teplota) - primárně hyperventilace - maximální možný přísun O2, pokles alveolárního tlaku - pokles alveolární pCO2 (normálně je pCO2 závislé na produkci CO2 a alveolární ventilaci) => pokles alveolárního CO2 = pokles krevního CO2 = inhibice respirace - tento efekt je vyrovnáván metabolickou acidósou => zvýšení H+ (pokles pH) v CSF = stimulace ventilace Účinek nadmořské výšky na atmosférický tlak (AP), pO2 a alveolární (a) pO2 a pCO2 u člověka (kPa) výška(m) AP pO2 paO2 paCO2 0 101 21,1 13,8 5,3 3100 70,6 14,6 8,9 4,8 6200 46 9,7 5,3 3,2 7100 normální strop 8848 33 6,9 4,0 1,5 9200 30 6,3 2,8 - 12300 19 3,9 1,1 - 14460 strop s doplňováním čistého O2 15400 12 2,4 0,1 - 20000 6 1,3 0 0 Výškové limity obratlovců n.m. (km) lokalita PTÁCI domácí drůběž 4 Asie, Amerika různé druhy 4-6,5 Skalisté hory, Andy sup 5-6 Himaláje bernešky 6(-7) Himaláje SAVCI křečík 4 USA (Skalisté hory) lidé <4.5 Andy, Himaláje lamy 4,8-5,4 Peru (Andy) činčila 5 Peru (Andy) Jak 5,8 Asie jelen Taruca 6 Peru (Andy) - Ve 20 km je vnější tlak vodních par vyrovnaný se saturačním tlakem vodních par v plicích => v plicích není místo pro O2, N2, CO2 - ¨Nad 20 km, začne na povrchu plic voda vařit Taruca OBOJŽIVELNÍCI n.m. (km) oblast Salamandra 3 Alpy Telmatobius 3,8 Peru / Chile Eleutherodactylus 4,5 Peru (Andy) Bufo 5 Himaláje Salamandra. atra Eleutherodactylus conspicillatus Tlmatobius culeus RYBY n.m. (km) oblast pstruh 2,8 Alpy pstruh 3,8 Peru (Titicaca) Nemachilus 4,7 Himaláje PLAZI n.m. (km) oblast africký scink 4 Tanzanie (Kilimanjaro) Dipsosaurus dorsalis 4,9 Peru (Andy) ještěrky 5,5 Himaláje Nemachilus corica Dipsosaurus dorsalis Některé aspekty (relativního?) nedostatku kyslíku u člověka Choroby + vysoké nadmořské výšky Plíce – velice tenké hranice mezi krví a ovzduším (difuzní vzdálenost) Normoxické oblasti – volný průtok krve, 1/10 krevního tlaku aorty Hypoxické oblasti – vazokonstrikce cév => zvýšení krevního tlaku (lokální plicní hypoxie, hypoxická plicní vazokonstrikce, typické pro plíce a placentu, mechanismem je pravděpodobně vtok Ca2+ iontu do svalových buněk plicní cévy v odpověď na depolarizaci vyvolanou změnou aktivity K+ kanálů v buněčné membráně) Nedostatek kyslíku v plicích -> zvýšení krevního tlaku v plicích (plicnici) (globální plicní hypoxie, dlouhodobě => hypoxická plicní hypertenze) -> hypertrofie pravé srdeční komory -> selhání srdce - význam této adaptace není jasný - změna tlaku v plicnici stejná u bělochů, tibeťanů i andských indiánů - u ostatních savců různé schopnosti - limity ??? normoxie – dostatečné množství kyslíku hypoxie – snížené množství kyslíku –> specifická reakce anoxie – bez kyslíku –> specifická reakce Hypoxická plicní hypertenze Při poruše adaptace nebo nedostatečné adaptaci - “horská nemoc“, otoky plic a mozku - přestavba struktury stěn plicních cév, jejich poškození - v důsledku hypoxie -> produkce kyslíkových radikálů a NO*) -> požkození buněk -> změna programu syntézy ECM, obalení cév pojivovou sítí -> podpora růstu buněk hladkého svalu, zesílení svalové vrstvy Reverze po adaptaci nebo při návratu do normoxie (reverze trvá měsíce) *)NO má vazodilatační schopnosti! Hypoxická plicní hypertenze Hypoxická plicní hypertenze Hypoxická plicní hypertenze Andští indiání x běloši z nížin - více hemoglobinu - větší dechové objemy - větší tlak krve v plicnici - potlačená reakce na nízký parciální tlak kyslíku Tibeťaná x běloši z nížin - srovnatelné koncentrace hemoglobinu - nemají potlačenou reakci na nízký parciální tlak kyslíku - srovnatelný tlak krve v plicnici - koncentrace hemoglobinu a kysliku je nižší než u adaptovaných lidí - větší přítok krve do placenty (v menší míře pozorováno i u andských indiánů - lepší genová výbava, viz. dále Vývojová x fyziologická adaptace Andští indiáni – 3500-4000 m.n.m.; 6 000 let Tibeťani – 4000-5500 m.n.m; 25 000-50 000 let Srdce - embryonální a novorozenecké srdce je odolnější k hypoxii -> minimum infarktů (dodávka kyslíku jak v 8 000 m.n.m.) - podobně u obyvatel trvale žijících nad 3 500 m.n.m. - embryonální srdce také více odolné k poklesu pH a k poklesu Ca2+ - exprese jiných izoforem některých proteinů, např. myozinu, metabolických transportérů a enzymů - efeckt tzv. FETAL GENE PROGRAM SWITCH - ektotermové mají odolnější srdce k hypoxii jak endotermové Ischemická hypoxie – snížení průtoku krve (ischemická choroba, infarkt myokardu) Hypoxická (systémová) hypoxie – malý parciální tlak kyslíku (některé vady a onemocnění srdce a plic, vysoké nadmořské výšky) Anemická hypoxie – poruchy v přenosu kyslíku (nedostatek hemoglobinu,…) Histotoxická hypoxie – snížení využití kyslíku v buňce (požkození respiračních enzymů, apod.) Zdá se, že jednou z klíčových rolí hrají mitochondrie - mohutný redox-oxidační aparát - embryonální srdce jednoduché mitochondrie - velký podíl anaerobní glykolýzy pro zisk energie - dospělé srdce dva typy dobře vyvinutých mitochondrií (pod membránou a mezi fibrilami) - energie hlavně z b-oxidace lipidů - souvislost s adaptací na vysokohorské podmínky není dosud známa Svalová kontrakce MYOKARD Pomalý myokard – dominance MHC-(7)b (MHC - myosin heavy chain) Rychlý myokard – dominance MHC-(6)a - Specifita druhová: rychlý myokard malí savci, pomalý myokard velcí savci - Specifita lokální: předsíně x komory V průběhu embryonálního/fetálního vývoje převaha pomalého myokardu, The myosin heavy chain (MHC) region of a silver-stained SDS gel on which were loaded 3 fetal samples of the following: right atrium (RA) at gestational (from left to right) day 87 (fetus 328), day 94 (fetus 323), and day 101 (fetus 321); left atrium (LA) at gestational day 87 (fetus 328), day 94 (fetus 323), and day 108 (fetus 322); right ventricle (RV) at gestational day 87 (fetus 300), day 105 (fetus 289), and day 87 (fetus 328); and left ventricle (LV) at gestational day 82 (fetus 329), day 87 (fetus 328), and day 87 (fetus 300). A set of molecular weight standards (MW St) containing myosin was loaded in the first lane. The MHC region of a silver-stained SDS gel on which were loaded samples of adult left atrium from 2 nonfailing (NF) individuals and 2 individuals with dilated cardiomyopathy (DCM) or ischemic cardiomyopathy (ICM). Reiser et al., 2001 Myosin heavy chain MHC-a MHC-b Rychlost kontrakce rychlá pomalá Síla kontrakce velká malá Afinita k ATP malá vysoká SRDCE embryo adult Rychlost kontrakce pomalá rychlá Síla kontrakce slabá silná Palivo glukóza mastné kyseliny / laktát Koncentrace ATP nízká vysoká Koncentrace Ca2+ nízká vysoká pH kyselé neutrální Relativní parametry myokardu u embrya a dospělého jedince Vlastnosti MHC Hypoxie na molekulární úrovni - hypoxie vede k produkci reaktivních kyslíkových radikálů (ROS) - ROS ovlivňují dráhy signální transdukce - ROS požkozují buněčné komponenty - ukládání lipofuscinu*) do svalů (myokard a hladká svalovina), hepatocytů, neuronů,… - hypoxie indukuje HIF (hypoxia inducible factor) *)Lipofuscin – hnědý pigment, vznik oxidací lipidů -> požkozování membrán Lidé nížin adaptovaní na 5 500 m.n.m. versus Tibeťani - o 20% nižší hustota mitochondrií ve svalech - o 25% nižší oxidativní enzymatická aktivita - aktivity glykolytických enzymů s minimálními změnami - Tibeťani 4x více glutathion-S-transferázy (isoenzym P1-1) => syntéza glutathionu - u Tibeťanů - zvýšená exprese D2-enoyl-CoA-hydratázy (oxidace mastných kyselin v mitochondriích) - méně tuku ve svalových vláknech - zvýšený metabolismus tuků – adaptace na vysokohorské prostředí ??? Ukládání lipofuscinu v myokardu Produkce a účinky ROS na buněčné úrovni Luis Covarrubias, et al.,2008. Developmental Biology 320:1-11. Produkce ROS v mitochondriálním respirsčním řetězci Některé interakce ROS s intracelulárními signálními drahami Nejvýznamnější mechanismy chránící proti ROS - degradační enzymy – kataláza, superoxid dismutáza,… Neenzymatické antioxidanty Glutathion (g-glutamyl-cystinyl-glycine; GSH) GSH GSSG oxidace GSH reduktáza Thioredoxiny (Trx1,2,3) a glutaredoxiny (Grx1,2) - malé peptidy s aktivním disulfidovou skupinou) - Trx reduktázy (3): Trx1 a TrxR1 – cytosol, nukleus Trx2 a TrxR2 – mitochondrie - Grx reduktázy (2): Grx2 a GrxR2 – mitochondrie, nukleus Produkce a detoxikace ROS v mitochondriích (souhrn) Význam jednotlivých proteinů podílejících se na oxidačních procesech (Covarrubias, et al. 2008)