1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif 1212570_28446780.jpg logo_mu_cerne.gif Luděk Bláha, PřF MU Živé systémy v ekotoxikologii - úvod - OPVK_MU_stred_2 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Co by si student(ka) měl(a) odnést ? Znát a vysvětlit pojmy a chápat význam v ekotoxikologii pro … - úrovně a hierarchie biologické organizace - základní strukturní elementy živé hmoty - základní funkce živé hmoty - základní procesy (zejm. toky energií) v živých systémech - Rovnováha a stres u živých systémů - Udržování rovnováhy - Energie a rovnováha - Stres - primární a sekundární reakce, adaptace / evoluce - 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Život Hierarchie … a význam v ekotoxikologii 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif www.mwsu-bio101.ning.com Organizace života à působení látek na různých úrovních ! U studentů se zde předpokládá, že znají definice jednotlivých úrovní „života“ 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Chemická látka v prostředí a její toxicita à Vnější prostředí - environmentální OSUD àŽivý systém - osud v organismu TOXIKOKINETIKA àDosažení „cílového místa“: molekula à interakce – TOXIKODYNAMIKA à projev toxicity …ÚČINEK Toxické účinky Toxické efekty se odehrávají VŽDY nejprve nejnižších úrovních MOLEKULY … ale mohou se projevit i na vyšších úrovních à tkáň, organismus, populace, společenstva BIOLOGICKÉ SYSTÉMY V EKOTOXIKOLOGII 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Mechanistické porozumění účinkům (& predikce toxicity) AOPs – Adverse Outcome Pathways (Dráhy škodlivého účinku) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif E3 Změny na molekulární úrovni (chemické interakce) se projeví v ekosystémech 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Život Struktura a Funkce … a význam v ekotoxikologii 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Toxické látky reagují s biologickými makromolekulami a ovlivňují jejich funkce Voda (H2O) – 70% hmoty – účastní se řady „toxických“ reakcí Hlavní biologické makromolekuly - nukleové kyseliny - proteiny - fosfolipidy - polysacharidy - spíše zásobní funkce: méně významné pro toxicitu - Další „malé“ molekuly, se kterými mohou toxické látky interagovat a působit tak toxicky - voda J - nízkomolekulární hormony a neurotransmitery (např. steroidy, dopamin) - ochranné (protektivní) látky – glutathion (endogenní), antioxidanty (dietární) - Život na nejnižší úrovni: základní struktura ? ! U studentů se zde předpokládá, že znají základní chemickou povahu bio-molekul 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Základní vlastnosti živé hmoty - Metabolismus (udržování existence za využití energie) - Růst a pohlavní dozrávání - Rozmnožování - Vnímavost / dráždivost a komunikace (uvnitř i s okolím) (za normálních podmínek jsou funkce v rovnováze) Toxické látky (a další stresory) ovlivňují tyto hlavní funkce -účinky na molekulární úrovni propagují à buňka à organismus... Společenstvo -S různými důsledky pro vyšší úrovně Živý organismus – základní funkce ? Metabolismus = udržování života Růst – velikost pohlavní zralost Rozmožování Komunikace a řízení 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Rovnováha & distribuce energie 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Metabolismus Řízení, kontrola, vnímání & reakce na podněty Ochrana před patogeny, parazity, predátory Ochrana před toxikanty Energie hv potrava Ztráty teplo fekálie Existence (udržování, maintenance) Růst, pohlavní zralost Rozmnožování Vliv chemické látky stres 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Energie hv potrava Ztráty teplo fekálie Existence (udržování, maintenance) Růst, pohlavní zralost Rozmnožování Metabolismus Vnitřní řízení, kontrola, vnímání & reakce na podněty Ochrana před patogeny, parazity, predátory Ochrana před toxikanty Chemický stres: vyšší nároky / alokace energie à „nedostatek“ energie jinde 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Energie hv potrava Ztráty teplo fekálie Existence (udržování, maintenance) Růst, pohlavní zralost Rozmnožování Metabolismus Vnitřní řízení, kontrola, vnímání & reakce na podněty Ochrana před patogeny, parazity, predátory Ochrana před toxikanty Chemický stres + nedostatek „energetických vstupů“ (např. potravy) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Rozdělování energie mezi hlavní funkce organismu - Udržování života (délka života) - Růst (zvětšování vlastní hmoty) - Rozmnožování - Signály a jejich zpracování MODELOVÁNÍ & předpovědi Teorie dynamických zásob energie DEB Dynamic Energy Budget www.debtox.info 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Udržování rovnováhy & stres 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Homeostáza: akce/reakce Existence živé hmoty = udržování „rovnováhy“ Zobecnění – toky energie à příjem energie à zpracování energie : hlavní funkce živých organismů : ukládání / ztráty energie 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Mechanismy udržování rovnováhy ZPĚTNÉ VAZBY pozitivní = nárůst „B“ způsobuje nárůst „A“ A+ B+ negativní = nárůst „B“ způsobuje pokles „A“ A- B+ Podnět („akce“) mimo hranice homeostázy (např. dlouhodobé působení „stresového faktoru“ (vč. chemických) à vývolává „reakce“ (nutně doprovázené zvýšenou potřebou energie) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif STRES Definice 1 Stav mobilizace obraných a nápravných procesů vůči podnětům přesahujícím obvyklé rozpětí homeostázy (na něž je obvykle dobře adaptováno) Definice 2 Odpověď (reakce) na podněty, které vytváří abnormální podmínky; stresorem jsou např. chemické látky apod. Stresor Každý faktor/situace nutící mobilizovat vnitřní rezervy a používat abnormální výdaje energie pro udržení homeostázy 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif TEORIE STRESU – vychází z experimentů s živočichy Obecná teorie stresu 1) různé podněty vyvolávají stereotypní („nespecifické“) reakce 2) průběh reakce určuje velikost, trvání a frekvence podnětu 3) existují podstatné odlišnosti v reakcích jednotlivců stejného druhu 4) odolnost je geneticky fixována, ale může být individuálně změněna Existují analogie i v dalších úrovních biologické hierarchie : př. Ekosystém: Požár / smršť / havárie / imise SOx -> +/- stejná odpověď 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif TEORIE STRESU – vychází z experimentů s živočichy Procesy dobře popsány u živočichů (platí obecně) 1) 1)Primární stresová/záchranná reakce = příprava na obranu/útěk Zvýšení koncentrace adrenalinu, zvýšení tlaku, snížení aktivity trávicího traktu 2) 2)Sekundární (dočasné) přizpůsobení – fyziologické změny (fyziologická adaptace: ADME!) (změny metabolismu, zvýšení hladin detoxikačních enzymů apod.) 3) 3)Dlouhodobá adaptace = evoluce (evoluční adaptace) … ale obdobné procesy platí obecně (u různých organismů a také na všech úrovních biologické organizace: buňky à společenstva) 1) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif TEORIE STRESU Trvalé působení stresu = kontinuální odpověď - poplachové stadium - stadium rezistence - stadium vyčerpání (a/nebo evoluce) E3 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Stres - příklad = poplachová reakce u živočichů Øsignál k útěku, mobilizace zásob energie Ø ØModulace / Inhibice dalších (při „útěku“ méně potřebných a významých funkcí): imunitní systém, rozmnožování apod. Stresový hormon KORTIZOL 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif 0°C -10°C RT 2dny 2 týdny 4 týdny 2,5 týdne 2dny Adaptace @ 0°C Příklad reakce na působení stresu (stres vs energie) Příklad - přežívání potkanů při -10°C - Adaptace 0°C (žádná vs. 2 dny vs. 4 týdny) (FYZIOLOGICKÁ ADAPTACE) - Stále stejné dávky potravy (energie) Adaptační fáze umožnila (dočasně) delší přežití, ale současně vyšší spotřeba dodávané energie à uhynutí 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2021.145202 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Adaptace - evoluční 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif •Adaptace je evoluční proces, ve kterém se organismus (resp. DRUH) přizpůsobuje vnějším podmínkám a dalším faktorům (včetně chemického stresu), které panují v areálu jeho výskytu. • Přizpůsobování probíhá procesem přirozeného výběru (na úrovni jedinců à populací) à vznikají „účelné“ vlastnosti • Přirozený výběr selektuje ze všech náhodně vznikajících mutací ty, které jsou výhodné a užitečné za daných vnějších podmínek • Evoluční adaptace a její podstata 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Příklad evoluční adaptace: selekce populací roztočů rezistentních na pesticidy http://econjsun.files.wordpress.com/2011/11/pest.gif 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Příklad evoluční adaptace: vznik bakterií rezistentních na antibiotika ATB: nemocnice à prostředí: další šíření „mutací“ (i horizontální transfer genů) ATB přímo v prostředí à rezistentní kmeny v sedimentech, na ČOV atd. http://my.clevelandclinic.org/PublishingImages/Disorders/6260_gene_transfer2_nih.gif 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Jaké parametry určují toxické projevy? (kombinace vlivu genomu, TK, TD) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Vlastnosti ovlivňující výslednou toxicitu (citlivost organismu / druhu) - genetické, TK a TD vlastnosti (traits) https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fenvs.2020.588380/full 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Parametry ovlivňující výslednou toxicitu (resp. citlivost konkrétního organismu / druhu) https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fenvs.2020.588380/full Figure 4. (A) Schematic representing the role of TK and TD traits in toxicity, following uptake the chemical may be detoxified by different enzymes or may escape detoxification to bind with the biological target, (B) interactive mixture effects (e.g., synergism can occur if one chemical changes the toxicokinetics of another chemical (e.g., block detoxification so more gets to target site) leading to greater effects on exposed species or (C) when one chemical changes the TD of another (e.g., changes the structure of the target to allow better interaction) again leading to greater effects. Analogicky vzniká ANTAGONISTICKÉ působení (viz také dále) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Chemické látky (akce) vs. odpovědi živých systémů (reakce: účinky) - PŘEHLED – (detaily budou diskutovány v dalších přednáškách) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Efekty toxikantů (akce) a odpovědi na různých úrovních organismu (reakce) na všech úrovních reparace/adaptace molekulární - vazba na DNA, změna struktury, aktivace „inaktivních proteinů“ buněčná - změna profilu proteinů produkovaných buňkou (nové, mutace) orgánová - změna fyziologie (koncentrace hormonů, tlak krve) organismální - změny chování/zdraví, změny reprodukce, růstu -> smrt populace - změny demografie (staří > mladí) společenstvo - vymizení druhu Hierarchie biologických systémů vs. ekotoxicita 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif REPARACE / ADAPTACE v různých stupních osudu/účinků látky (1/3) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif REPARACE / ADAPTACE v různých stupních osudu/účinků látky (2/3) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif REPARACE / ADAPTACE v různých stupních osudu/účinků látky (3/3) 1212569_21823227.jpg logo_mu_cerne.gif Otázky Co je to buňka? druh? populace? Společenstvo? atp. U rybníku Brčálníku žije populace skokana hnědého. Uveďte z jakých rozdílných jedinců (jaké mezi nimi byli rozdíly?) byla tato populace tvořena v červnu 2012? Z jakých jedinců pak v listopadu 2012? Popište chemickou podstatu nukleových kyselin? Bílkovin? Fosfolipidů? Co je základním stavebním prvkem každé z těchto makromolekul? Jak v organismech (v buňce) vznikají? Jaké mají funkce? Jaké jsou hlavní funkce živých organismů? Jak budou tyto funkce ovlivněny u ryb, která bude dlouhodobě vystavena vlivu polycyklických aromatických uhlovodíků (např. Benzo[a]pyren)? Popište a zdůvodněte hlavní fáze vzniku stresu, vysvětlete význam (a rozdíly) v transformacích energie ve stádiu rovnováhy a dlouhodobého stresu. Popište jak mohou látky přímo a nepřímo ovlivňovat správné funkce imunitního systému Vysvětlete pojem „adaptace“ na působení chemické látky. Co je fyziologická adaptace? Co je evoluční adaptace? Co je to evoluce? Jaký je význam evoluce při dlouhodobému působení chemického stresu? Popište molekulární podstatu evolučních změn. Uveďte alespoň dva příklady chemikáliemi-indukované evoluce?