Fyziologie živočichů Bi3030 Doc. Martin Vácha Doc. Pavel Hyršl Dr. Jiří Pacherník Z čeho studovat? Poslouchat přednášky? Z čeho studovat? Poslouchat přednášky? Materiály v ISu Elektronická verze skript Elektronická verze skript 4. Které hormony mohou ovlivňovat energetický metabolizmus. Jmenujte hlavní z nich, zmiňte místo sekrece a způsob působení. Příklad správné odpovědi na plný počet bodů: A) Trijodtyronin a Tyroxin ze štítné žlázy zvyšují oxidační děje v mitochodriích a tak i metabolizmus, proteosyntézu, zrání, růst. B) Somatotropin (růstový h.) z adenohypofýzy zvyšuje využívání lipidů a růst. C) Somatostatin z D buněk pankreasu snižuje využívání živin (tlumí sekreci inzulínu a glukagonu, resorpci ve střevě). D) Katecholaminy ze dřeně nadledvin mobilizují energetické rezervy, zvyšují svalový výkon. Podobně E) kortizol z kůry nadledvin. Test ke zkoušce Fyziologie - kontext Přehled kapitol: 1. Postavení fyziologie mezi ostatními vědami 2. Fyziologické principy 3. Homeostáza, adaptace a regulace 4. Obecná neurofyziologie 5. Problém velikosti a proporcí těla 6. Teplota – její vliv a udržování 7. Přeměna látek a energií – metabolizmus 8. Cirkulace 9. Fyziologie dýchacího systému 10. Funkce tělních tekutin 11. Imunitní systém 12. Fyziologie pohybu 13. Fyziologie trávení a vstřebávání 14. Exkrece a osmoregulace 15. Hormonální řízení 16. Nervová soustava 17. Speciální fyziologie smyslů 18. Biorytmy Fyziologie živočichů fýsis – živá příroda Definice živého: odvodíme nejlépe z funkcí dynamických procesů, které neživá příroda nemá Definice živého: odvodíme nejlépe z funkcí -dynamických procesů, které neživá příroda nemá: Udržování organizovanosti a integrity. Využívání látek a energie z okolí (termodynamické procesy). Studium funkcí – úkol pro fyziologii Definice živého: výjimky z pravidla ? Larvu pakomára lze zmrazit v tekutém N2 a pak zase oživit. Viry „spoléhají“ na cizí život. Spontánní proces Figure 2-37 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Vyžadující energii Figure 2-37 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Na sluneční pohon. Fenotyp je obraz současné stavby a funkce. Je vyjádřením genotypu. Co rozhoduje o fenotypu? Živý organismus má svou historii: je výsledkem milionů let evoluce pod vlivem prostředí. Na biologické vlastnosti se lze dívat ze dvou hledisek: • mechanistické vysvětlení – jak to funguje, proximátní, praktický biomedicínský přístup • evoluční vysvětlení – proč se to vyvinulo, teleologické hledání smyslu Např. svalový třes, pocení, zvracení, trávení atd., atd. Na biologické vlastnosti se lze dívat ze dvou hledisek: • mechanistické vysvětlení – jak to funguje, proximátní, praktický biomedicínský přístup • evoluční vysvětlení – proč se to vyvinulo, teleologické hledání smyslu Např. svalový třes, pocení, zvracení, trávení atd., atd. Znaky vznikají náhodně (?) a ty, které překážejí, selekcí mizí. Mluví se tedy o nich jako o adaptacích – pomáhají zvýšit životaschopnost. Evoluční pohled nabízí teleologická vysvětlení – hledání logiky věcí. Odpověď na otázku proč? K čemu dobré? Živý organismus má svou historii: je výsledkem miliard let evoluce. Má svou minulost, která jej limituje. Znaky tedy nemusí být nejlogičtější. •Páteř – suboptimální design. •Inverzní sítnice obratlovců •Lidský genom je zaneřáděn dříve funkčními geny a většina zřejmě nic nekóduje. Některé úseky DNA máme po virech a bakteriích! •Někdy musíme i říct, že prostě nevíme, proč je to právě takto. v mořive sladké vodě Prostředí a historie určují funkční i stavební znaky Morfologie a funkce Allenovo a Bergmanovo pravidlo Morfologie a funkce Allenovo a Bergmanovo pravidlo Chování jako adaptace Chování jako adaptace Různá řešení téhož problému Velikost určuje stavbu těla a funkce Čím větší tím úspornější Nejtěžší se při non-stop migracích dostanou nejdál Těžkého plavce stojí rychlost méně Poměr Povrch/Objem a maximalizace povrchu Tělesné proporce a nelineární – allometrické vztahy. Velký živočich nemůže být zvětšeninou malého. izometrické trojúhelníky Tělesné proporce a nelineární – allometrické vztahy. Velký živočich nemůže být zvětšeninou malého. allometrické vztahy Velikost limituje funkce Tělesné proporce nelineární – allometrické vztahy. Velký živočich nemůže být zvětšeninou malého. allometrické vztahy Velikost těla je limitem pro: svalový výkon – pohyb a opora těla udržování stálosti uvnitř těla – energetiku termoregulaci transport difúzí – složitost stavby Udržení organizovanosti navzdory chaosu - základní vlastnost živých organizmů. Udržení stálosti vnitřního prostředí - homeostázy. Od jednobuněčných k mnohobuněčným. Mnohobuněčnost – živočich si nese „pramoře“ s sebou - možnost života v dalších volných nikách, větší nezávislost. – nutnost vzniku infrastruktury organizmu - nutnost údržby vnitřního prostředí Podmínky vnitřního a vnějšího prostředí se liší. Vnější navíc kolísají, vnitřní musejí být stálé Homeostáza, adaptace, regulace Co je potřeba hlídat pro udržení homeostázy? •Zdroje energie •Dýchací plyny •Odpadní produkty •pH •Vodu, soli a elektrolyty •Objem a tlak •Teplotu •Sociální parametry ve skupinách Homeostáza, adaptace, regulace Podmínky vnějšího prostředí kolísají, vnitřní musí být stálé. Vznik orgánových soustav u mnohobuněčných - péče o stálost vnitřního prostředí Kontaktní rozhraní musí mít velkou plochu ledvinný tubulus kapiláry plíce střevo Optimum a jeho hranice Podmínky vnějšího prostředí kolísají: Ne všem se ale homeostáza vyplatí Různé adaptační strategie na změnu životních podmínek a) Uteč – „Vyhýbači“ b) Akceptuj - Konforméři c) Vyreguluj - Regulátoři Volba strategie souvisí s tělní stavbou a velikostí těla. „Konformeři“ a regulátoři. „Konformeři“ a regulátoři. Celková životní strategie zahrnuje mnoho faktorů – Neexistuje jediné univerzální, ideální řešení Characteristics of r- and K-selected organisms r-organisms K-organisms short-lived long-lived small large weak strong or well-protected waste a lot of energy energy efficient less intelligent more intelligent have large litters have small litters reproduce at an early age reproduce at a late age fast maturation slow maturation little care for offspring much care for offspring strong sex drive weak sex drive small size at birth large size at birth Note: Not all characteristics apply to all organisms. It is not suggested, for example, that some bacteria have a stronger sex drive or are more intelligent than others. From Principa Cybernetica, http://pespmc1.vub.ac.be/DEFAULT.html R- stratég: vyšší důraz na rozmnožování a mobilitu potomstva, přičemž kvalita a konkurenceschopnost je odsunuta do pozadí. Rychle roste, rychle se množí, jsou malí, bez péče o potomstvo. Mnoho potomků, velká mortalita. Výhodné v ranných stádiích osidlování. K-stratég je organismus, který ve své životní strategii uplatňuje vyšší důraz na kvalitu a konkurenceschopnost potomstva, přičemž jeho kvantita a mobilita je odsunuta do pozadí. Maximálně využívají stabilní prostředí. Celková životní strategie zahrnuje mnoho faktorů – Neexistuje jediné univerzální, ideální řešení Regulace Řídící a obslužné systémy Kompromis mezi rychlostí a přesností Regulace Negativní zpětná vazba jako základní nástroj udržení homeostázy Přesnost regulace: •ON-OFF •Proporcionální •Anticipační Figure 3-57 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Negativní zpětná vazba jako základní nástroj udržení homeostázy Pozitivní zpětná vazba Když je rychlá změna potřeba: Akční potenciál, tvorba krevní zátky, ovulace, porod, orgasmus Pozitivní zpětná vazba Když je rychlá změna potřeba: Akční potenciál, tvorba krevní zátky, ovulace, porod, orgasmus Metody fyziologie: od genetických po behaviorální. von Frish Transgenní organismus Metody fyziologie: od genetických po behaviorální. Molekulární „klasika“ Život je postaven na (samo)udržování organizovanosti navzdory chaosu Živý organismus je výsledkem: konkrétního vývoje v konkrétním prostředí Určité velikosti těla Určité životní strategie např. chování, počtu potomků … Shrnutí Shrnutí Živé organismy pracují na své „údržbě“. Koncept homeostázy umožňuje pochopit smysl práce orgánových soustav mnohobuněčných. Negativní zpětná vazba je základním typem homeostatické regulace Shrnutí Udržení organizovanosti navzdory chaosu -základní vlastnost živých organizmůNutná kontrola nad toky látek Bariéra a brány Figure 2-22 Molecular Biology of the Cell (© Garland Science 2008) Membrána z nepropustného materiálu. Fluidní mozaika. Hlavní membránové struktury buňky Bariéra a brány Funkce membránových bílkovin – přenos látek Funkce membránových bílkovin – přenos signálů Funkce membránových bílkovin – fixace na extra a intracelulární struktury. Bílkoviny – flexibilní molekuly: -přenašeči signálů a látek -generátory pohybu -regulační enzymatická aktivita -jedinečnost vazby Bílkoviny jako brány a další jejich nezastupitelné funkce Protein se skládá do kompaktní konformace určené pořadím AK. Protein se skládá do kompaktní konformace určené pořadím AK. Vazba proteinu k jiné molekule je selektivní – jedinečnost vazby Protilátka-antigen, vůně-receptor Vazba proteinu (enzymu) k jiné molekule je selektivní a umožní spustit reakci. Enzym – substrát Enzymy jsou spouštěči a regulátory buněčných dějů Díky slabým vazbám je možné překlápění alosterické struktury po aktivaci • Po vazbě ligandu na receptorové místo • Změnou elektrického napětí • Mechanickou deformací • Enzymatickou fosforilací (kinázou) nebo defosforilací (fosfatázou) (Základ proteinových strojů). Fosforylace proteinu. Fosforylová skupina modifikuje strukturu Zapíná nebo vypíná funkci. Typy transportu Transport látek přes membrány Pasívní Usnadněná difuze – změna konformace transportní bílkoviny (brány) Kanály mohou regulovat pasivní transport. Jsou mnohem rychlejší než transportéry Mohou být velmi selektivní a řízené různými podněty Řízené (vrátkované) ligandem Pasívní Kanály mohou regulovat pasivní transport. Jsou mnohem rychlejší než transportéry Mohou být velmi selektivní a řízené různými podněty Řízené (vrátkované) elektricky Pasívní Kanály mohou regulovat pasivní transport. Jsou mnohem rychlejší než transportéry Mohou být velmi selektivní a řízené různými podněty Řízené (vrátkované) mechanicky Pasívní Aquaporin umožňující tok vody přes membránu. Tam, kde nejsou, voda přes membránu neprotéká Strukturu kanálů lze znázornit různě Draslíkový kanál Ligandem řízený kanál pro kationty a receptor pro glutamát v jedné struktuře – video. Aktivní transport – poháněn energií nesenou ATP Animation – Na/K pumpa Typy transportu Transport látek přes membrány Například ATP- H+ pumpa – (protonová) Žaludek, lyzozóm, ledvinný tubulus Aktivní transport http://highered.mcgraw- hill.com/olc/dl/120068/bio05.swf Sekundární aktivní Transport – Můžeš projít, ale vezmi náklad http://highered.mcgr aw- hill.com/olc/dl/1200 68/bio04.swf Sekundární aktivní Transport – Můžeš projít, ale vezmi náklad ATP syntetáza na vnitřní membráně mitochondrie se točí obráceně – Můžeš projít, ale vyrob ATP http://highered.mcgraw- hill.com/olc/dl/120071/bio11.swf https://www.youtube.com/watch?v=xbJ0nbzt5 Kw https://www.youtube.com/watch?v=OT5AXGS1aL8 Přehled transportů ještě jednou Cytóza – aktivní transport velkých množství http://highered.mcgraw-hill.com/olc/dl/120068/bio02.swf Membrána se selektivním aktivním transportem iontů elektricky nabíjí. Nabitá membrána - Klidový potenciál Elektrické napětí na membráně: Membrána se selektivním aktivním transportem iontů elektricky nabíjí. Nabitá membrána - Klidový potenciál Využitelný pro: • sekundární transport • tvorbu a přenášení signálů Nabitá membrána - Klidový potenciál Je to hlavně Na/K pumpa, která nabíjí membránu Na/K pumpa Animace Na/K pumpa Na – daleko od rovnováhy K – v rovnováze K+: Na+: INTRA (-) EXTRA (+) KONCENTRACE NÁBOJ Ještě jednou: K+ volně protéká přes malý rozdíl hladin (8mV) Na+ má mnohem větší snahu vtékat (157mV) Vápník – extracelulární iont, nositel signálů Mechanismy udržující nízkou hladinu Ca v buňce Stačí malé podráždění a Ca proudí do buňky Jednobuněčný Mnohobuněčný Bariéry a brány Paracelulární transport – určuje „děravost“ epitelu Těsný (kapiláry mozku) versus děravý (fenestrovaný) epitel (k. glomerulu) Tight junction v epitelu střeva Toky látek přes bariéru epitelu jsou pod kontrolou. Spolupráce – buněčná spojení Gap junction propojuje buňky do funkčních celků. Konexon a „gap junction“ Funkce membránových bílkovin – přenos látek, signálů, ale i fixace buněk na extra a intracelulární struktury. Spolupráce ve tkáních – buněčná spojení Extracelulární matrix : • Tvoří tmel mezi buňkami (hlavní složka je kolagen) • Tvoří basální membránu epitelů • Je mechanicky napojena na cytoskelet uvnitř buněk Cytoskelet Cytoskelet Cytoskelet Améboidní pohyb a úloha cytoskeletu Makrofág a bakterie Bez cytoskeletu by nebyl aktivní pohyb. Ani buněčný ani orgánový. Typy filament Úloha středních Život v buňce – Animace komentovaná http://sparkleberrysprings.com/innerlifeofcell.html Život v buňce - Animace Řízený transport splňuje základní podmínku udržení stálosti. Bílkoviny mají zásadní úlohu v přenosů látek i signálů. Nabitá membrána se hodí. Cytoskelet umožňuje pohyb i oporu – pro buňku zásadní. Shrnutí Přenos informací Mezibuněčná komunikace a signálová transdukce Mezibuněčná komunikace a signálová transdukce Obecná chemorecepční schopnost buněk Komunikace ve společenství buněk, rozeznání poškozené nebo cizí buňky Signály: diferencuj, proliferuj, syntetizuj, zemři… Porozumění = klíč k podstatě Mezibuněčná komunikace a signálová transdukce Obecná chemorecepční schopnost buněk Komunikace ve společenství buněk, rozeznání poškozené nebo cizí buňky Signály: diferencuj, proliferuj, syntetizuj, zemři… Porozumění = klíč k podstatě Chemické signály přijímá buňka od svého vzniku… Embryonální diferenciace …po svou smrt Apoptóza Ovariální teratom Mezibuněčná komunikace a signálová transdukce Obecná chemorecepční schopnost buněk Komunikace ve společenství buněk, rozeznání poškozené nebo cizí buňky Signály: diferencuj, proliferuj, syntetizuj, zemři… Porozumění = klíč k podstatě Regenerativní medicína a onkologie Na jednu stranu chceme aby už nerostly (novotvary) na druhou aby zase rostly (náhrady) Úkol biomedicíny: rozplétání signálních drah Inzulínová dráha jako příklad ▪ Peptidy a proteiny – mnoho hormonů a neurohormonů ▪ Steroidy – hormony a feromony ▪ Aminy – od tyrozinu (adrenalin, par. histamin) ▪ Retinoidy – od vit A ▪ Plyny – (NO, CO) ▪ Puriny – ATP, cAMP ▪ Eikosanoidy – (prostaglandiny) Chemická struktura signálních látek. Způsob předání signálu – jeden klíč, ale různé dveře Způsob předání signálu – mezi buňkami Způsob předání signálu – mezi buňkami Způsob předání signálu – přes membránu Např. Tyroxin Např. Adrenalin Způsob předání signálu – přes membránu Nepolární hormon - účinek Varianta nepolární hormon Způsob předání signálu – přes membránu Více např. zde: http://www.physiome.cz/atlas/bunka/01/ Varianta polární hormon Ligandem řízený kanál Ligandem aktivovaný enzym Ligandem aktivovaný enzym Tyrozin kinázový receptor – např. pro inzulín 1 – ligand se navazuje na receptor 2 – receptor dimerizuje a autofosforyluje 3 – Fosforylovaný receptor interaguje s proteinkinázami 4 – Ty aktivují Ras proteiny 5 – Ras přepíná mezi aktivní a inaktivní formou Ještě jednou: 4 způsoby předání signálu přes membránu A – GPCR (G protein coupled receptor) B – Ligandem řízený kanál C – Ligandem řízený enzym D – Proteosyntézu řídící receptor Proteinkinázy – zprostředkují „nabití“ , fosforilaci Proč tolik úrovní? •Zesílení •Propojení http://highered.mcgraw-hill.com/olc/dl/120069/bio08.swf Způsob předání signálu – za membránou Druzí poslové Animace Terminace přenosu – stejně důležitá jako iniciace a – ligand degradován v těle b – odstraněn okolními buňkami c – ligand degradován v okolí buňky d – ligand receptor internalizován e – receptor inaktivován f – transdukční dráha inaktivována Použité bílkoviny musí být degradovány Proteazómy Úklid signálů – transkripčních faktorů a enzymů Příprava volných AK Obecná neurofyziologie signály přenášené vzrušivými membránami Elektrický přenos vhodný pro cílené a rychlé signály. Smysly a pohyb. Řeč elektrických změn je pro neurony typická, ale citlivost na chemické signály zůstává a je bohatě využita. Neuron je základní stavební jednotka nervového řízení. Spolupráce s gliovými buňkami. Reflexní oblouk je základní funkční jednotka nervové soustavy. http://www.southtexascollege.edu/nilsson/4_GB_Lecture_figs_f/4_GB_16_Homeostasis_Fig_f/ReflexArc_fig46_8.GIF Neuron a jeho součásti Koncentrace hlavních iontů na membráně v klidu. Rozdílné postavení Na a K iontů Na – daleko od rovnováhy K – v rovnováze K+: Na+: INTRA (-) EXTRA (+) KONCENTRACE NÁBOJ Koncentrace hlavních iontů na membráně. Iont, který nejlépe prochází membránou určuje její celkové napětí (vnucuje svůj rovnovážný potenciál) Goldmanova rovnice Iont, který nejlépe prochází membránou (P – permeability) určuje její celkové napětí (vnucuje svůj rovnovážný potenciál) Při akčním potenciálu přejde membrána z převažující K+ propustnosti na dominantní Na+ propustnost a zpět. Akční potenciál Akční potenciál Buď nevznikne vůbec, nebo vzniká stále stejně velký. Informace, kterou přenáší, je zapsána do frekvence. Časový záznam AP AP kanály Mechanismus vzniku: Spolupráce kanálů při vzniku AP – daleko od rovnováhy K+: Na+: INTRA EXTRA KONCENTRACE NÁBOJ (-) (+) – v rovnováze Na K Napěťově řízený Na kanál – podmínka pro depolarizaci při vzniku AP 3 stavy Převažující Na propustnost vystřídá K propustnost – propustnější má větší slovo a táhne membránu ke svému rovnovážnému napětí. Šíření podél membrány. Kromě příčného i podélný tok iontů. Záleží na průměru. Šíření AP1 Šíření AP2 Šíření podél membrány. Záleží také na myelinizaci. Synapse Přerušení elektrického vedení po membráně. Proč taková komplikace? A) Zpracování informací B) Plasticita NS ukládání informací Chemický prostředník Chemický prostředník: Exocytóza mediátoru Receptor na postsynaptické straně je součástí kanálu – ionotropní signalizace nebo spojen s kanálem kaskádou signálů – metabotropní signalizace Metabotropní signál: Intracelulární předání signálu jde vyzkoušenou cestou G proteinové signalizace – univerzální mechanismus Metabotropní: Látková signalizace1 Látková signalizace2 Látková signalizace3 Látková signalizace na synapsi Ionotropní: Nervosvalová ploténka Nemusí být jen excitační, jsou i inhibiční transmitery. Mediátory - neurotransmittery Vzácně i elektrická synapse. Rychlé, obousměrně vedoucí Jak spolu neurony komunikují. C. elegans 302 neuronů Drosophila 100k Člověk 15-25 G Divergence, konvergence Dva druhy kódování informace Dálkové šíření – digitálně Zpracování – analogově na synapsích Dva druhy kanálů – dva druhy kódování Elektricky a chemicky Smysl synapsí: A) Zpracování: sčítání, syntéza, porovnávání signálů. Integrace vstupů. Časová a prostorová sumace B) Plasticita NS – základ paměti Smysl: Zpracování - analogově Časová sumace Časová sumace Prostorová sumace Smysl: Zpracování - analogově Některé synapse inhibiční Některé excitační Facilitace Inhibice Smysl: A) Zpracování: sčítání, syntéza, porovnávání signálů. Integrace vstupů. Časová a prostorová sumace B) Plasticita NS – základ paměti Synapse vytvářejí dynamickou síť spojů, základem reflexů – funkčních jednotek NS. Monosynaptické x Polysynaptické reflexy – jednoduché a komplexní pohyby Nepodmíněné x Podmíněné reflexy – základ paměti http://www.southtexascollege.edu/nilsson/4_GB_Lecture_figs_f/4_GB_16_Homeostasis_Fig_f/ReflexArc_fig46_8.GIF Jak spolu neurony komunikují. C. elegans 302 neuronů Drosophila 100k Člověk 15-25 G Jak spolu neurony komunikují a jak zprostředkují chování. Larva octomilky jako model. Jak spolu neurony komunikují. Larva octomilky jako model. Aktivace různých drah pro různé typy chování. Neurony integrují vstupy a výstup je výsledem časové a prostorové souhry excitačních a inhibičních vstupů. Model háďátko: Sensorický vstup – řídící sst. – motorická reakce Synaptická plasticita základem paměti. Rychlá – potenciace. Pomalá – přestavba. Přestavba dentritických trnů Látkové signály doprovázejí buňky po celý život a určují jejich funkci a osud. Nervové buňky kromě látkových signálů používají i elektrické. Akční potenciál je vhodnou řečí na dálkové digitální vysílání. Místní potenciály umožňují zpracování signálu. Synaptická spojení umožňují plasticitu a paměť Shrnutí Život v buňce – Animace komentovaná Život v buňce Obecná fyziologie smyslů Co se děje na membránách. Receptorové buňky jsou brány, kterými vstupují signály do NS Exteroreceptory x interoreceptory Svět smyslů – úloha mozku. Paralelní dráhy specializované na určitou vlastnost (kvalitu – pohyb odděleně od tvaru). V rámci dráhy ještě specializace na konkrétní hodnotu (výšku tónu, chuť) . Receptorová buňka převádí energii podnětu na změnu iontové propustnosti. Transdukce Transformace Receptorová buňka převádí energii podnětu na změnu iontové propustnosti. Vlastnosti membrány jsou klíčem pro transdukci. Intenzita podnětu a intenzita odpovědi. Weber-Fechnerův zákon Trvání podnětu a trvání odpovědi. Většina receptorů pracuje jako diferenční Laterální inhibice: vyšší rozlišovací schopnost zesílení kontrastů