E-mail: jipa@sci.muni.cz
Tel: 532 146 223
SROVNÁVACÍ FYZIOLOGIE OBRATLOVCŮ
(Podpořeno FRVŠ 1555/2009)
VNĚJŠÍ a VNITŘNÍ PROSTŘEDÍ
Vnější prostředí:
atmosféra
procentuální zastoupení jednotlivých plynů
barometrický tlak (poměrný tlak jednotlivých plynů je konstantní)
teplota, záření
voda
salinita (osmomolarita), iontové složení, Na+, Cl-, Ca2+, Mg2+, SO4
2obsah
rozpuštěných plynů, zejména 02 a CO2 + H2O <-> H+ + HCO3(voda
je přirozeně slabě alkalická, je však pufrovaná H+ ionty za vzniku HCO3-)
teplota
hydrostatický tlak
koncentrace molekul => koncentrační gradienty, rychlost chem. reakcí
teplota => rychlost chemických reakcí a tekutost/viskozita tekutin,
lipidů (stabilita membrán)
tlak => mechanický stres, transport , saturace,..
proudění ~ tepelná i látková výměna
záření ~ chemické reakce
1. ÚVOD
Vnitřní prostředí:
Extracelulární (mezibuněčné) x Intracelulární (uvnitř buněk)
Všichni obratlovci aktivně (dynamická rovnováha) regulují parametry
svého vnitřního prostředí a zachovávají ho tak prakticky konstantní.
Toto udržování stabilního vnitřního prostředí se nazývá homeostáza.
Nejpozději vyvinutí živočichové, jako jsou savci a ptáci, regulují
homeostázi nejdokonaleji (nejkomplikovaněji).
Homeostáza
nemusí být ale přesně regulována pouze fyziologickými mechanismy
(aktivně), ale i vnějším prostředím.
Např. některé ryby žijící v ledovém oceánu antarktidy mají stejnou
teplotu těla jako okolní voda (-1,9 oC). Jak teplota vody, tak jejich těl se
nemění v průběhu roku o více jak 1 oC, což je srovnatelné či i méně než
teplota lidského těla v průběhu dne.
Zachovat stabilní všechny parametry nemusí být u různých druhů stejně
důležité, např. teplota.
Vedle homeostáze existuje ještě enantiostasis, což je stav kdy je
určitá funkce zachována změnou několika fyziologických proměných.
Enantiostasis
zachování metabolických a fyziologických funkcí při změně vnějších
podmínek
Callinectes sapidus
(www.vims.edu)
Příklad enantiostasis – přenos kyslíku u kraba (Callinectes sapidus)
Někteří krabi při přenosu z mořské vody do brakické sníží koncentraci iontů a
osmotický tlak svých tělních tekutin, tím se zvýší hladina amoniaku a tím pádem i pH
jeho hemolymfy. A ačkoliv za nízké koncentrace solí v hemolymfě jejich respirační
barvivo (hemocyanin) má nižší afinitu ke kyslíku, tak vyší pH tuto afinitu zvyšuje a
celkově tak zůstane úroveň transportu kyslíku hemolymfou během přenosu
z mořské vody do brakické nezměněna.
koncentrace iontů v hemolymfě (~osmotický tlak)
závisí na koncentraci iontů ve vnějším prostředí
afinitaO2khemocyaninu
vhemolymfě
pH hemolymfy
afinita O2 x koncentraci iontů v hemolymfě
afinita O2 x pH hemolmfy
relativně stabilní afinita O2
k hemocyaninu
ADAPTACE
Adaptace – evoluční adaptace
-> výsledkem jsou možnosti fyziologické adaptace, rozsah (plasticita) tolerance
a rezistence
-> cílem pak přežít a mít potomky (fitness)
-> jednotlivé vlastnosti nemusí vždy vypadat jako nejlepší řešení, je třeba zachovat
jejich celkovou souhru
-> všichni obratlovci jsou relativně velcí
živočichové (většina v dospělosti > 10g), z toho
plyne i jejich značná strukturní složitost
a nutnost kvalitního řízení
– neuroendokrinní systém s centrální
jednotkou (integrace vnějších a vnitřních
signálů)
(nejmenší obratlovci – ~ 7-8mm, ≤ 1mg)
Paedophryne amauensis
Schindleria brevipinguis
Užívané předpony
poikilo –, veličina se mění
homeo -, veličina se nemění
Př. s tělní teplotou: V obou případech se může uplatňovat jak regulace
(aktivně řízeno organismem), tak přizpůsobení vnějšímu prostředí. Člověk je
homeotermní s termoregulací, ryby antarktických vod jsou homeotermní
přizpůsobením se danému prostředí. Tyto předpony tedy nevypovídají o
fyziologické regulaci dané veličiny. Člověk je však endotermní a většina ryb
ektotermní.
ekto -, vnější
ento -, vnitřní
eury -, široká míra tolerance pro danou veličinu
steno -, úzká míra tolerance pro danou veličinu
Tolerance x Rezistence
tolerance - rozpětí parametrů prostředí, kdy organismus přežívá
rezistence – rozpětí parametru prostředí mezi dolní a horní hranicí tolerance
a okamžitou smrtí jedince
Př. : Tolerance a rezistence pstruha na teplotu vody
Aklimatizace – posunutí hranic tolerance, např. v důsledku sezóních změn
Aklimace – aklimatizace v kontrolovaných laboratorních podmínkách (často změna jen jednoho parametru)
Př.: Polygon teplotní tolerance pstruha
aklimovaného na různou teplotu
v rozsahu 0 – 24°C.
Fyziologická adaptace – aklimatizace (+ aklimace)
Srovnání počtu druhů u jednotlivých živočišných skupin
(v tisících)
Obratlovci – 3,7%
Bezobratlí – 96,3%
Členovci – 86%
Fylogenetická četnost jednotlivých skupin obratlovců
Convergence tvarů u obratlovců
2. ENERGETIKA & METABOLIZMUS
- soustavný tok energie, zajišťující dostatek univerzálního energetického
přenašeče a donoru – ATP využívaném v celkovém metabolismu
=> zajištění membránových gradientů (Na+/K+, Ca2+ pumpy), pohybu,
metabolismu proteinů, sacharidů, lipidů,....+ produkce tepla
- část chemické energie je uchovávána také v ADP, AMP a creatin fosfátu
- metabolismus všech obratlovců je závislý na kyslíku a chemické energii
získané oxidací vhodných substrátů - aerobní metabolismus.
Aerobním metabolismem je vytvářeno 95 % ATP (mitochondrie)
Anaerobní metabolismu tvoří jen 5% ATP (v cytoplasmě buněk)
Základní schéma energetického metabolismu buňky
(AEROBNÍHO)
GLYKOLÝZA
(Embden-Meyerhofova dráha)
 substrát glukóza
 produkt pyruvát (~> laktát)
(laktát inhibuje glykolýzu)
 nespotřebovává se kyslík
=> anaerobní proces
neprodukuje se CO2
(Krebsův cyklus)
1xglukóza + 2xATP => 2xpyruvát (laktát) + 4xATP + 2xNADH + 2xH+ (-2x NADH + 2x H+)
Krebsův (citrátový) cyklus
1xATP + 3xNADH + 1xFADH
 Krebs. cyklus => dostatek NADH a FADH
pro tvorbu protonového gradientu
v mitochondriích jako pohonu ATPsyntetáz
Schéma zapojení proteinů a lipidů
v jednotlivých krocích energetického
metabolismu
Lipidy jako substrát pro energetický metabolismus
triglyceridy
glycerol mastné kyseliny
glykolýza
b-oxidace
b-oxidace probíhá v mitochondriích,
vazba na děje elektornového transportu
na mitochondriální membráně
Aminokyseliny (proteiny) jako substrát pro energetický metabolismus
ANAEROBNÍ METABOLIZMUS
Nedostatek kyslíku: hypoxie ---> anoxie
(nejen nedostatek v prostředí, ale i v tkáních např. v důsledku větší spotřeby kyslíku při zvýšené námaze)
=> alternativní metabolické dráhy
Samotná glykolýza je nejvýznamnější dráha anaerobní syntézy ATP u obratlovců
- neodbouraný pyruvát je snadno přeměněn na laktát, vysoká koncentrace laktátu
způsobuje akumulaci pyruvátu a tím zastavení glykolýzy.
=> pro co největší využití nutná schopnost odstranit/odbourat laktát
nebo zvýšit rezistenci k jeho vysoké koncentraci
A. U některých ryb (kaprovití) prokázána schopnost metabolizovat acetyl-CoA
na acetát –> acetaldehyd -> etanol
Obratlovci obecně malé možnosti ve využití anaerobních metabolických drah
pro celkovou produkci energie
(nejlépe vyvinuto pravděpodobně u ryb)
acetate thiokinaze
Obraty klíčových látek anaerobní glykolýzy v tkáních karase
Svaly / mozek
glukóza -> LAKTÁT
Játra
LAKTÁT ->-> EtOH
LAKTÁT ->> glukóza -> glykogen
Žábry
+
Povrch těla
Vnější
prostředí
EtOH
LAKTÁT
(krevním oběhem)
EtOH
Vnitřní
prostředí
(krevním oběhem)
Glukóza
(krevnímoběhem)
aerobně
anaerobně
Coriho cyklus
B. Různé koncové metabolity
- succinát
- lipidy (elongace acetylCoA)
(Opačný proces k b-oxidaci,
probíhá však v cytoplasmě)
- amoniak (deaminace aminokyselin ve spřažených reakcích)
R-NH2 + NAPH+ + H2O -> R-OH + NADPH/H+ + NH3*)
lipidy
*) Vázáno na možnost vyloučit amoniak do vnějšího (vodního) prostředí.
succinate + FAD → fumarate + FADH2.
Ostatní obratlovci (obojživelníci, plazi, ptáci a savci) jsou odkázáni prakticky pouze
na energii z glykolýzy. Jiné koncové produkty než laktát (např. sukcinát, alanin, etanol) se objevují
jen v minimální míře.
Schéma metabolismu substrátů na koncové produkty
v průběhu anaerobního metabolismu vyších obratlovců
glukóza laktát
+ 2xATP
- 6xATP
C. Variabilita koncentrace enzymů glykotýzy a Krebsova cyklu a rezistence
ke zvýšené koncentraci laktátu v červených a bílých svalových fibrilách.
červená svalovina / pomalá
- převažují menší tmavé fibrily
s množstvím mitochondrií
a myoglobinu
- vytrvalost a stabilita
bílá svalovina / rychlá
- převažují větší bílé fibrily
s menším množstvím mitochondrií
a myoglobinu
- rychlé kontrakce
- vysoká ATPasová a glykolytická aktivita
ale malé zásoby a rychle se unaví
Arapaima x tuňák (Euthynnus)
BF ČF BF ČF
Anaerobní
pyruvát kináza 103 134 1295 195
Lactát dehydrogenáza 260 263 5492 514
Aerobní
citrát syntáza 1,7 3,3 2,1 20,6
malát dehydrogenáza 140 221 718 723
glutamát dehydrogenáza 1,3 3,1 3,0 5,9
glutamát-oxaloacetát
transamináza 11,2 54,4 43 102
jednotky enzymové aktivity
Kreatin fosfát -1,73 -12,90
ATP -0,87 -2,60
Glykogen -1,70 -22,80
Glukóza -0,13 +2,01
Glukóza-6-fosfát +0,41 +2,30
Fruktóza-6-fosfát -0,21 -0,45
Fruktóza-1,6-fosfát -0,06 -0,34
Di(OH)acetonfosfát -0,05 -0,02
Glyceraldehyd-3-fosfát -0,04 -0,01
Citrát +0,08 -0,05
a-Ketoglutarát -0,02 -0,07
Malát +0,13 +0,12
Laktát +5,9 +70,95
Změny v koncentraci metabolitů v červené a bílé svalovině
po nástupu svalové aktivity tuňáka
(mM na g živé váhy)
Periferní tkáně s menším prokrvením a nižším krevním tlakem, (např. bílá svalovina) produkují zejména laktát,
ten pak difunduje do tkání s větším prokrvením a tím i snadnější dostupností kyslíku (např. játra, červená
a srdeční svalovina) kde je dále oxidován na další anaerobní produkty jako je etanol nebo mastné kyseliny.
Předpokládá se, že v játrech jsou tyto pochody navíc spřaženy s anaerobním metabolismem aminokyselin.
Citrátový cyklus
Glykolýza
Srovnání hladin laktátu v jednotlivých tkáních, zásob glykogenu a pH krve
u neaktivní a vysílené žáby (Xenopus laevis)
neaktivní vysílená
Jaterní glykogen (g%) 10,4 9,3
Svalový glykogen
(Gastrocnemius, g%) 1,8 0,7
Celkový laktát (mg%) 11 213
Laktát v krvi (mg%) 42 177
Laktát v játrech (mg%) 29 144
Laktát ve svalu
(Gastrocnemius, mg%) 98 289
pH krve 7,62 6,89
Někteří obojživelníci a plazi dlouhodobě snášejí hypoxii / anoxii, což je dáno velkou
tolerancí k vysokým koncentracím laktátu v tkáni, a to zejména tolerancí k narušení
acidobasické rovnováhy, která vede až k uvolňování Ca2+ iontů z kostí do plasmy.
Želva (Chrysemys) ponořená 180 dní do vody
sycené N2.
normoxie anoxie
laktát v krvi ~50mM >200mM
Ca2+ v plasmě 4mM >120mM
Až 2/3 Ca2+ jsou vázány na laktát. Předpokládá se, že takto vysoká koncentrace
Ca2+ v plasmě ovlivňuje i přenos nervového vzruchu a regulaci kontrakce svaloviny
(U této želvy in vitro prokázáno, že zvýšení hladiny Ca2+ zvyšuje srdeční kontrakci).
Změny v zastoupení jednotlivých metabolitů
v krvi tuleně (mM) před a po vynoření
mM před potopením po vynoření změna
Aspartát 96 73 -23
a-Ketoglutarát 200 110 -90
Succinát 40 280 +240
Alanin 300 650 +350
Laktát 9 000 16 000 +7000
U těchto ploutvonožců bylo také zjištěno využívání metabolismus aminokyselin k zisku energie,
odhaduje se však že jeho energetický přínos představuje 1-2% energie získané anaerobně,
většina energie je získána z glykolýzy.
Koncentrace laktátu
v krvi (mM) Navýšení
koncentrace
laktátu
Zisk
ATP (mM)
ATP tuleň
/
ATP člověknormal potopení/
anaerobní práh
tuleň 9 16 1.8x 7 9-14x
člověk 2 2.5-3 1.25-1.5x 0.5 - 0.75
V IV III II I
LDH a laktát <=> pyruvát na tkáňové úrovni u savců
Srovnání klidové spotřeby kyslíku, produkce laktátu při aktivitě
a čas potřebný k jeho odbourání
mlok potkan
Aerobní metabolismus
ml O2 za hodinu 3,9 120
mmoly ATP za hodinu 1,09 (3,58) 33,6 (3,57)
Anaerobní metabolismu
akumulovaný laktát (mg) 153 90
ATP z laktátu (mmoly) 2,6 (58,85) 1,5 (60,00)
Aerobní odbourání laktátu
ATP z odbouraného laktátu (mmoly) 30,6 18
potřebný čas (minuty) 1680 32
Produkce ATP jak při aerobním tak anaerobním metabolismu je relativně stejná jak u mloka tak potkana,
mlok ale více toleruje laktát a tak si může dovolit vytvořit více ATP v anaerobní fázi glykolýzy.
Univerzálním donorem energie v živém systému je molekula ATP.
Pro obratlovce je prakticky jediným významným zdrojem energie (ATP) za
anearobních podmínek glykolýza. Limitujícím faktorem pro její plné využití je
hromadění laktátu, který
a) inhibuje vlastní glykolýzu => STOP produkce ATP
b) narušuje acidobasickou rovnováhu organismu.
Laktát se akumuluje při svalové práci (nedostatečně rychlý přísun kyslíku) a nebo
během hypoxie a anoxie. K odbourání laktátu jsou pak nutné aerobní podmínky,
kromě svaloviny se velká část laktátu odbourává a nebo přeměňuje zpět na
glukózu v játrech a vrací se krevním oběhem zpět do mozku a svalů (Coriho
cyklus). U člověka je hladina laktátu v krvi relativně stabilní až do 70% pracovní
zátěže (anaerobní / hyperlaktemický práh (threshold)) , se zvyšující zátěží se pak
hladina laktátu lineárně zvyšuje.
U homoiotermních regulátorů (savci, ptáci), je tento zisk z hlediska jejich
energetické bilance celkově nedostatečný a uplatňuje se zejména krátkodobě při
svalové práci.
SHRNUTÍ
3. CELKOVÁ ENERGETIKA & METABOLIZMUS
O2 CO2
teplo
Chemická energie
- Teplo
- Chemická energie
- Práce
Respirační kv(q)ocient – RQ
vydaný CO2 na přijatý O2
cukry – 1
lipidy – 0,7
proteiny – 0,84 (je třeba započítat i dusík)
Přímá a nepřímá
kalorimetrie
Přijmutá chemická energie
(ChE)
Absorbovaná
chemická energie
Vyloučená chemická
energie (fecal)
ChE
vyloučená močí,
kůží, sekrety atd.
ChE
uložená do stavby/růstu
organismu
Provoz
cirkulace,
respirace,
peristaltika střev atd.
(Energie vnitřní práce)
Vnější práce
Teplo
- Se zvyšující se složitostí, se zvyšují
i energetické nároky
- Metabolismus je úměrný celkovému
povrchu buněk (skok z jednobuněčných
k mnohobuněčným organismům)
Nárůst u endotermů je dán i dalšími faktory
Např. Rubnerův povrchový zákon
se zvětšováním povrchu u homoiotermních
regulátorů se zvětšuje i jejich metabolismus
Srovnání spotřeby O2 (intenzita metabolismu) a velikosti těla u různých skupin organismů
3 hlavní kategorie organismů – jednobuněnční, mnohobuněnční ektotermové a endotermové
jednobuněční (1m, pro krychli)
povrch – 6m2 ( 6 x 1 x 1)
mnohobuněční (1m, pro krychli, 1000
buněk)
povrch – 60m2 (1000 x (6 x 0,1 x 0,1))
=> ~ 10x (9,8x) vetší metabolismus
Model zvětšení povrchů pro stejnou velikost
jednobuněčného x mnohobuněčného organismu
Jedním z nejklíčovějších parametrů korelujících s intenzitou metabolizmu
je celková plocha membrán mitochondrií. I při podobné morfologii
a biochemizmu mají savci o něco větší
(i plocha crist) a četnější mitochondrie
něž ostatní endotermové. Proporcionální
zastoupení v jednotlivých tkáních/
orgánech je si ale celkově velice
podobné.
Proporce mezi spotřebou kyslíku,
velikostí těla a plochou mitochondriálních
membrán pro různé tkáně (plíce, mozek,
srdce, ledviny, játra, kosterní svaly)
u savců.
Na buněčné úrovni je množství a maturace mitochondrií regulována
také aktuální dostupností kyslíku -> částěčně i ochrana před ROS
-> hospodárnost systému
Srovnání tělní teploty, velikosti orgánů, standardního / basálního metabolismu
celkového a jater, a náročnosti jaterního Na+ transportu
u ještěrky (A. nuchalis) a myši (M. musculus).
ještěrka myš poměr
myš/ještěrka
hmotnost těla (g) 34,3 32,1 1,1
teplota těla (°C) 37,0 36,8 1,0
velikost jater (% celkem) 10,7 20,7 1,9
velikost ledvin (% celkem) 1,9 5,9 3,1
velikost srdce (% celkem) 1,1 2,8 2,5
velikost mozku (% celkem) 1,7 5,5 3,3
VO2 (ml O2 / g h)
celkem 0,2 1,62 8,1
játra (in vitro, per gram) 0,9 4,59 5,1
Na+ transport (in vitro, per gram) 0,22 1,97 9,0
objem mitochondrií (%) 12,4 16,0 1,3
mitochondriální povrchy
total (m2) 3,4 10,2 3,0
cristae (m2/g) 15,5 22,9 1,5
vnitřek (m2/g) 0,79 1,34 1,7
cytochrom oxidáza 11,2 30,0 2,7
(nmol O2 /mg min)
Celkově je intenzita metabolizmu lineárně
úměrná velikosti organismu
relativně, však menší organismy mají
intenzitu metabolismu vyšší.
Pro endotermní regulátory jsou ~1.5 - 2g
pravděpodobně mezní hmotností pro zachování
homeostáze (netopýrek thajský, bělozubka nejmenší
a kolibřík (Mellisuga helenae)).
watt / kg
Intenzita bazálního
a standardního
metabolismu u ektoa
endotermních
obratlovců
normální normální metabolizmus
teplota (°C) metabolismus při 38 °C (korekce)
Savci 38 3,34 3,34
ježura Zaglossus 32 0,86 1,53
ježura Tachyglossus 32 0,98 1,81
ptakopysk Ornithorhynchus 32 2,21 3,8
Edentata 33 1,69 2,66
Marsupialia 35 2,37 3,00
Insectivora (primitivní) 35 2,76 3,63
zlatokrt 35 2,86 3,76
bělozubky 36 6,7 8,0
rejsci 38 13,4 13,4
Ptáci
nelétaví/běžci 37 2,10 2,31
ptáci obecně 40 4,05 3,37
pěvci 41 7,40 5,62
Plazi
želvy 20 0,15 0,58
ještěři 30 0,40 1,02
hadi 30 0,48 1,02
krokodýli 23 0,29 1,06
Obojživelníci
beznozí (červoři) 25 0,15 0,25
mloci 20 0,06 0,33
bezplicí mloci 20 0,07 0,36
žáby 20 0,21 1,07
savci mají schopnost zvýšit metabolismus (spotřeba O2 při maximální
aktivitě oproti spotřebě O2 pro bazální metabolismus)
- < 4 kg, ~ 8.3x
- větší savci (pes, člověk, kůň) ~ 11.5x
ektotermové mají schopnost zvýšit metabolismus 5 – 10x
Intenzita metabolismu x aktivita organismu
Intenzita metabolismu u ropuchy Bufo boreas
v klidu a v průběhu aktivity v závislosti na její velikosti
Metabolismus obratlovců je
limitován dostupností kyslíku
a energetických zdrojů
(a enzymovou kapacitou)
Nástup aktivity a zastoupení
anaerobního a aerobního
metabolismu u člověka.
produkce ATP mmol / g min
aktivita aerobně anaerobně celkově % anaerobně
Savci
hraboš 30 sec 23,2 12,6 35,8 35 %
Hadi
chřestýš 5 min 2,1 3,2 5,4 60%
Ještěrka
Aniella 2 min 2,0 7,1 9,2 78%
Obojživelníci
skokan 3 min 2,9 0,8 3,7 21%
Poměry mezi prací (watt) aerobním
metabolismem (spotřeba O2),
koncentrací laktátu v krvi a respirací
u atleta.
Anaerobní práh / treshhold
u varana (V. exanthematicus).
Nástup anaerobního prahu u člověka a varana.
Závislost intenzity metabolismu a teploty prostředí
Intenzita metabolismu se mění i s příjmem potravy (dostupnost substrátů)
a s dostupností kyslíku:
a) metaboličtí regulátoři (většina obratlovců)
b) metaboličtí konformeři (většina bezobratlých a někteří vodní obratlovci)
- intenzita metabolismu odpovídá dostupnosti O2 z prostředí