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 ANd9GcSnVTUWWw58Och_i6C5sSwPq9TUlMeO86S02ZKCEXIplMk37e-u 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) Tejero%20fig Základní skupiny globinů u savců F5 Evoluce globinů (chromosomy člověk) F4 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 Functions 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 bj4070089u03 Nitrace fenolů zprostředkovaná neuroglobinem Reakce 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 NO NO 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 / pozitivní 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 http://pex.referata.com/w/images/Screen_shot_2012-09-24_at_12.21.38_PM.png 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 => různé afinity k O2, význam v ontogenezi C:\Users\JiPa\Desktop\F4.large.jpg 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 ó H2CO3 ó H+ + HCO3- zvyšující se pH zvyšuje množství uhličitanových iontů CO2 + OH- ó HCO3- ó H+ + CO32- CO2 se také váže na –NH2 skupiny proteinů (významné u odkysličené krve) CO2 + -NH2 ó -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 Haldanův efekt human Transport CO2 -Konečný produkt metabolismu, dobře rozpustný ve vodě, ale pro transport většina chemicky vázaná 1)V podobě hydrogenuhličitanových iontů (až 65%) CO2 + H2O ó 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 ó Hb-NH-COO- + H+ http://www.wikiskripta.eu/images/thumb/b/b8/Hamburger%C5%AFv_efekt.JPG/350px-Hamburger%C5%AFv_efekt .JPG 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 http://o.quizlet.com/XCxt.45VmLSXhO4ifpQ7Uw.jpg Transport CO2 http://fyziologie.lf2.cuni.cz/uceni/lecture_notes/transport_plynu/fig4.gif Transport CO2 H2O ó H+ +OH- pH = 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. Závislost disociační konstanty na teplotě pro vodu a různé pufry (A) Závislost intracelulárního (svaly) a extracelulárního (krev) pH na teplotě (B) 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 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-/PO43- 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 Laboratorní/experimentální zvířata (Člověk) Potkan Myš Makak Prase Kur Pes Kočka Danio Xenopus Fylogeneze Anorganické ionty krve Bez anorganickych iontu “Všechny” parametry Fylogeneze Cholesterol a jeho deriváty Glukosa a spol. Tyroidní hormony https://is.muni.cz/auth/th/pr1ez/ ALP – alkalická fosfatáza ALT - alaninaminotransferáza AST – aspartátaminotransferáza GGT – g-glutamyltransferáza Lipidy a jaterní enzymy • •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 protilátky 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 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