BIOLOGICKÁ OLYMPIÁDA. 43. ročník. Kategória A Celoštátne kolo. Praktická časť laboratórna úloha 02. Číslo súťažiaceho: Dátum: Milí súťažiaci,

Transkript

1 Číslo súťažiaceho: Dátum: BIOLOGICKÁ OLYMPIÁDA 43. ročník Kategória A Celoštátne kolo Milí súťažiaci, Praktická časť laboratórna úloha 02 v tejto časti súťaže budete riešiť dve praktické (laboratórne) úlohy - jednu úlohu z molekulárnej biológie a druhú z biológie človeka. Na vyriešenie každej z nich máte 80 minút. Najskôr si pozorne prečítajte, čo máte robiť, aby ste si vedeli správne zadeliť čas a rozhodnúť sa, ako budete pri riešení postupovať. Všetky pomôcky máte pripravené na stole. V prípade nejasností sa opýtajte asistenta. Ak Vám nestačí miesto, ktoré je na úlohy určené, použite miesto na konci tejto časti. Prajeme Vám veľa úspechov! Slovenská komisia Biologickej olympiády

2 BIOLÓGIA ČLOVEKA TÉMA: PĽÚCA I. TEORETICKO-VEDOMOSTNÁ ČASŤ 1 PĽÚCA ZA FYZIOLOGICKÉHO STAVU Dýchací systém sa skladá z dýchacích ciest (nosová dutina, nosohltan, hrtan (pharynx), priedušnica a priedušky (bronchy)) rozvádzajúcich vzduch do pľúc a z pľúc, a pľúca, v ktorých mechúrikoch (alveolách) sa uskutočňuje najmä vlastná výmena dýchacích plynov (O 2 a CO 2 ) cez b a r i é r i u k r v v z d u c h. Najdôležitejšie vdychové svaly sú bránica a vonkajšie medzirebrové svaly, na výdychu sa podieľajú vnútorné medzirebrové svaly. Anatómia (anatomická stavba, makroskopický vzhľad) pľúc Pľúca (pulmo) sú párový orgán, ktorý vypĺňa väčšiu časť hrudníkovej dutiny. Pravé aj ľavé pľúca človeka sa skladajú z lalokov. Otázka č. 1. Z koľkých lalokov sa skladajú pravé a z koľkých lalokov ľavé pľúca človeka? (Napíšte, ich počet!) (hodnotená bodmi) Otázka č. 2. Z ktorých lalokov sa skladajú pľúca človeka? (Napíšte ich názov!) (hodnotená bodmi) Do každých pľúc v híle vstupuje h l a v n ý (primárny) b r o n c h u s ( p r i e d u š k a ), ktorý sa v nich rozvetvuje na sekundárne bronchy pre zodpovedajúce pľúcne laloky a ďalej na bronchy rozličných rádov. Pravé pľúca majú desať, ľavé osem p r i e d u š k o v o - p ľ ú c n y c h s e g m e n t o v. Ide o úsek pľúcneho laloka, ktorý je ventilovaný t e r c i á r n y m b r o n c h o m, odstupujúcim z l o b á r n e h o ( s e k u n d á r n e h o ) b r o n c h u. Tieto segmenty tvoria anatomické aj funkčné jednotky spolu s vetvami pľúcnice, ktoré sprevádzajú bronchy. Terciárne bronchy sa vnútri prieduškovo-pľúcneho segmentu dichotomicky delia na b r o n c h i o l y ( p r i e d u š n i č k y ), ktoré zásobujú p ľ ú c n y l a l ô č i k l o b u l 2

3 u s. Je to jednotka pyramídového tvaru, ktorého báza je 1 2 cm široká, jej hrot smeruje k pľúcnemu hílu. Lalôčiky ľudských pľúc sú neostro ohraničené väzivovým tkanivom oproti susediacim lalôčikom. Bronchiolus vstupujúci do lobulu ( b r o n c h i o l u s t e r m i n a l i s ) sa rozdeľuje na 1 3 r e s p i r a č n é b r o n c h i o l y s pokračujúcimi 2 11 d u c t u s a l v e o l a r e s. Z nich odstupujú a l v e o l o v é v a č k y a p ľ ú c n e a l v e o l y. Pleura pokrýva plochu hrudníkovej dutiny ako parietálna pleura, ktorá prechádza v híle na pľúca ako viscerálna pleura. Pokrýva ju m e z o t e l. Pod ním je vrstva subserózneho väziva. V hlbších vrstvách väziva sú väčšie vény a lymfatické cievy; tieto vrstvy prechádzajú plynule do interlobulového septa. V pľúcach je vyvinutý f u n k č n ý o b e h, ktorý je určený na respiráciu, a n u t r i t í v n y o b e h, ktorý vyživuje dýchacie cesty. Nervové plexy pľúc sa začínajú v pľúcnom híle z vetví nervus vagus (bronchokonstrikčné vlákna) a zo sympatikových hrudníkových ganglií (bronchodilatačné vlákna); vazomotorické vlákna zásobujú pľúcne cievy. Mikroskopická anatómia (histologická stavba, mikroskopický vzhľad) pľúc Tkanivo pľúc tvoria prázdne alveolové priestory, pooddeľované úzkymi alveolovými septami s kapilárami a kde-tu menšie či väčšie vetvičky priedušiek sprevádzané cievami. Väčšie priedušky sú vystlané viacradovým cylindrickým epitelom s riasinkami a v stene okrem hladkej svaloviny majú serózno-hlienové žliazky a hyalínovú chrupku. Postupne ako sa vetvičky priedušiek stenčujú, miznú z ich stien žliazky aj chrupka (na ich mieste je cirkulárna hladká svalovina) a epitel sa stáva nižším (jednovrstvovým cylindrickým s riasinkami (bronchioly)) a nakoniec stratí aj riasinky (terminálne bronchioly). V bronchioloch (priedušničkách) cirkulárna svalovina je ešte silná a úplne chýba len v alveolových septách, v ktorých je naproti tomu hojne elastických a retikulínových vláken. Respiračné bronchioly (priemer pod 0,5 mm) vystiela jednovrstvový cylindrický až kubický epitel. V ich stene sa tiež nachádza riedke väzivo a hladké svalové bunky. Alveolové chodbičky sú tenkostenné, majú nízky epitel, elastické a kolagénové vlákna a ojedinele svalové bunky. Zo steny alveolových chodbičiek odstupujú alveoly. Na preparáte vidno početné pľúcne alveoly, alveolové vačky, alveolové chodbičky a prierezy bronchiolov (priedušničiek) a bronchov (priedušiek) rôzneho kalibru. Prevažnú časť tvoria pľúcne alveoly alebo alveolové vačky. Ich stena je veľmi tenká, tvorí ju nízky, jednovrstvový respiračný epitel, vystužený retikulo-elastickou blankou. Bazálna membrána epitelu nasadá tesne na bazálnu membránu kapilár, ktoré tvoria hustú sieť v stene alveolov. V interstíciovom väzive, často v lymfatických folikuloch vedľa bronchov, býva u dospelých čierny antrakotický (uholný, amorfný uhlík) pigment. 3

4 Fyziológia (funkcia) pľúc Dýchanie vyšších živočíchov a človeka je zložitá funkcia, na ktorej sa zúčastňujú: dýchacie orgány (prijímajú O 2 a vydávajú CO 2 ) vdychové a výdychové svaly, krv (viaže a dopravuje O 2 a CO 2 ), krvný obeh (umožňujúci túto dopravu a zabezpečujúci spojenie medzi dýchacími orgánmi a tkanivami) a ústredná nervová sústava (riadi dýchacie pohyby). Hlavnou úlohou dýchacích ústrojov je sprostredkovanie výmeny dýchacích plynov, t. j. získavanie O 2 z okolitého ovzdušia do krvi a vylučovanie CO 2 z krvi do vzduchu. Prebieha cez bariéru vzduch krv. Povrch kapilár v respiračnej oblasti je 140 m 2. Otázka č. 3. Aké iné dôležité funkcie pľúca majú (vymenuj jednu)? (hodnotená 1 bodom) Ventilácia pľúc. Pri normálnom, pokojovom dýchaní vymení dospelý človek jedným dychom a výdychom asi 500 ml vzduchu (respiračný (dychový) objem (RO)). Otázka č. 4. Aká je frekvencia dýchania (dýchací rytmus) u dospelého človeka (za pokojových podmienok)? (hodnotená 1 bodom) Otázka č. 5. Čo je to minútový dychový objem? Aká je jeho fyziologická hodnota u dospelého človeka (za pokojových podmienok)? (hodnotená bodom) V pokoji je však využitá len malá časť kapacity pľúc; zostáva ešte značná rezerva. Po normálnom, pokojovom vdychu možno ešte maximálne vdýchnuť 2500 ml objemu vzduchu. Otázka č. 6. Ako sa tento objem vzduchu označuje? (hodnotená 1 bodom) Po pokojovom výdychu možno maximálne vydýchnuť ešte istý objem vzduchu. Otázka č. 7. Aká hodnota objemu vzduchu to je? Ako sa označuje? (hodnotená bodom) Otázka č. 8. Čo je to vitálna kapacita pľúc? Aká je jej fyziologická hodnota u dospelého človeka (za pokojových podmienok)? (hodnotená bodom) 4

5 Vitálna kapacita pľúc je u žien menšia ako u mužov. Závisí od telesnej výšky a hmotnosti, od tvaru a rozmerov hrudníka, od spôsobu zamestnania a od trénovanosti. Reziduový (zvyškový) objem vzduchu zostáva v pľúcach i po maximálnom výdychu. Otázka č. 9. Čím je daná celková kapacita pľúc? (hodnotená 1 bodom) Aj frekvencia dýchania sa môže zväčšiť, takže pri prehĺbenom a zrýchlenom dýchaní sa môže v pľúcach dospelého človeka vymeniť až 150 l vzduchu za minútu. Otázka č. 10. Ako označujeme túto (až 150 l vzduchu vymeneného v pľúcach za minútu) hodnotu? (hodnotená 1 bodom) 2 PĽÚCA ZA PATOLOGICKÝCH (CHOROBNÝCH) STAVOV Vdychovaním atmosférického vzduchu sa dostávajú do pľúc aj škodliviny fyzikálneho, chemického a biologického charakteru. Sú príčinou veľkej chorobnosti dýchacieho systému. Choroby dýchacích ústrojov (zápalové, alergické, tuberkulóza, nádorové a i.), akútne aj chronické, so svojimi 40% majú najväčší podiel na práceneschopnosti obyvateľstva. Nebezpečenstvo akútnych zápalových procesov, spočíva nielen v krátkodobej práceneschopnosti, ale môžu byť aj príčinou zníženia obranyschopnosti dýchacích ústrojov a začiatkom prechodu do chronických (zápal priedušiek a pľúc, priedušková astma a i.) ochorení so všetkými dôsledkami (vzostup chorobnosti a práceneschopnosti obyvateľstva aj včasná invalidizácia a predčasná smrť). Postihujú ľudí stredného veku (kvalifikovaných na vrchole ich pracovnej výkonnosti), ktorí sú predčasne vyradení z pracovného procesu. Tým sú ochorenia dýchacích ústrojov problémom medicínskym, sociálnym aj ekonomickým. Choroby dýchacieho systému môžu postihnúť prevažne horné dýchacie cesty (napr. nádcha), larynx a priedušnicu (napr. diftéria), priedušky (napr. zápal, astma, zhubný nádor), pľúca (napr. emfyzém, pneumokonióza, zápal) alebo pohrudnicu (zápal). V patologických okolnostiach najčastejšie zisťujeme, že vzdušnosť pľúc je znížená (edém, zápal, kolaps) alebo zvýšená (emfyzém). V postihnutom okrsku nemusia byť alveoly prázdne, ale môžu mať patologický obsah, alebo môže byť patologický obsah v lúmene vetiev priedušiek, príp. môžu byť zmenené interstícium a septá alveol atď. Podľa niektorých z uvedených zmien sa mnohé chorobné procesy pľúc dajú ľahko rozoznať. 5

6 Kolaps pľúc Úvod/Definícia. Kolaps (atelektáza) pľúc je abnormálne zníženie obsahu vzduchu (nevzdušnosť) v pľúcach. Etiológia a patogenéza. Príčinou býva prekážka v dýchacích cestách (hyalínové membrány terminálnych bronchiolov u nedonosených novorodencov) alebo v pohrudnicovej dutine (pneumotorax, hydrotorax), ktorá sťažuje predovšetkým inspírium, menej expírium. Tiež nahromadený vzduch v oblastiach obštrukcie dýchacích ciest (pri chronickom emfyzéme) môže stláčať okolité tkanivo pľúc a viesť k čiastočnej alebo úplnej nevzdušnosti, čím sa v pľúcach vytvára obraz dystelektázy. Mikroskopická anatómia (histologická stavba, mikroskopický vzhľad). Okrem úsekov s čiastočne rozvinutým pľúcnym tkanivom, zisťujeme väčšie-menšie ložiská nevzdušnosti. Lúmen alveol je prázdny, neobsahuje ani vzduch ani inú látku. Steny alveol sú k sebe priložené a iba štrbinovitý lúmen, raz ľahšie, inokedy ťažšie zistiteľný, prezrádza u- miestnenie pľúcnej alveoly. Kapiláry v septách alveol sú rozšírené a preplnené erytrocytmi. Emfyzém (rozdutie) pľúc Úvod/Definícia. Emfyzém pľúc je abnormálne zvýšenie obsahu vzduchu v pľúcach. Etiológia a patogenéza. Pri akútnom (krátkotrvajúcom) emfyzéme nie sú okrem roztiahnutia nijaké zmeny, ale pri chronickom (dlhotrvajúcom) emfyzéme sú zreteľné štruktúrne zmeny pľúc. Následkom sťaženého najmä expíria, menej inspíria. Príčinou býva prekážka v dýchacích cestách (hlien, chronický zápal priedušiek a predušničiek, astma priedušiek). Nahromadený a zvýšený tlak vzduchu v alveolách vedie k roztiahnutiu pľúcnych vačkov, kompresii, deštrukcii a zániku sept alveol aj kapilár v nich. Tak sa spoja susedné alveoly vo väčšie dutiny pľúc. Nahromadený vzduch v oblastiach obštrukcie dýchacích ciest môže stláčať okolité tkanivo pľúc a viesť k nevzdušnosti (kolapsu), vzniká dystelektáza pľúc. Mikroskopická anatómia (histologická stavba, mikroskopický vzhľad). Pri chronickom emfyzéme alveoly sa rozšíria a ich septá sa vplyvom zvýšeného tlaku stenčia. Miestami stenčené alveolové septá (nevedia odolať) vymiznú a spoja sa susedné alveoly vo väčšie dutiny. Do lúmenu týchto dutín trčia potom ešte kde-tu zvyšky prerušených stien alveol. V prieduškových vetvičkách možno nájsť znaky chronického zápalu (zmnožené hlienové žliazky a pohárikovité bunky; miestami býva sliznica porušená a tvorí sa granulačné tkanivo, ktoré môže vytvárať polypovité výrastky alebo spôsobovať obliteráciu lúmenu. V cievach možno nájsť viac-menej vyvinuté chronické hypertenzné zmeny (zhrubnutie stien sýtoružovo sfarbenými homogénnymi uloženinami). V interstíciu okolo ciev, bronchov a v alveolárnych septách vidno čierny pigment. 6

7 Edém (opuch) pľúc Úvod/Definícia. Edém je nadmerné nahromadenie tekutiny, vystupujúcej z ciev, v interstíciu tkanív (orgánov) živého tela. Tekutina obsahuje menej ako 2 % bielkovín, má špecifickú hmotnosť menšiu ako 1,015 = transsudát. Etiológia a patogenéza. Vzniká z rôznych príčin, ktoré vedú k zvýšeniu kapilárneho (žilového) tlaku a priepustnosti kapilár, k zníženiu hladiny bielkovín v krvi a k zníženiu odtoku lymfy z tkanív alebo k zadržaniu solí v tkanivách. Najčastejšie býva pri chorobách srdca a obličiek, ďalej pri cirhóze pečene, pri hladovaní, pri zvýšenej hladine aldosterónu, hormónu kôry nadobličiek, pri obštrukcii lymfatických ciest atď. Tekutina sa hromadí v interstíciovom tkanive, roztláča od seba trámce alebo lalôčiky tkaniva a odďaľuje i jednotlivé vlákna interstíciového väziva. Výrazne sa prejaví edém v pľúcach, v ktorých sa hromadí tekutina v drobných dutinách v alveolách. Mikroskopická anatómia (histologická stavba, mikroskopický vzhľad). V drobných dutinách alveolách vidno bledoružovú homogénnu masu (zrazenú bielkovinu edémovej tekutiny). V nej sú často opticky prázdne okrúhle priestory (vzduchové bubliny), niekedy ojedinelé odlúpané epitélie alveol. Edémová tekutina stláča kapiláry alveolových sept. Preto pri pokročilejšom edéme nezisťujeme v septách žilovú hyperémiu (rozšírené kapiláry, napchaté erytrocytmi), ktorá je najčastejšou príčinou edému pľúc. Bronchopneumónia (zápal priedušiek a pľúc) Úvod/Definícia. Edém pri zápale má odlišný charakter a je výsledkom zápalového pochodu exudácie. Tekutina obsahuje viac ako 2 % bielkovín, má špecifickú hmotnosť väčšiu ako 1,015 = exudát. Ak vzniknú vo viacerých lalokoch pľúc viaceré menšie zápalové ložiská, pričom sa zápal obyčajne začína v bronchoch (prieduškách) a z nich sa šíri endobronchiovo alebo peribronchiovo až do alveol pľúc, hovoríme o bronchopneumónii. Striedajú sa nevzdušné ložiská (zápalového exudátu) s normálnym alebo hyperemickým vzdušným tkanivom. Etiológia a patogenéza. Vzniká zväčša sekundárne, pri zníženej odolnosti organizmu (v priebehu iných chorôb, najčastejšie u detí a starcov) proti infekcii. Často po aspirovaní infikovaného materiálu do pľúc. Vyvolávajú ju rôzne baktérie (najmä pneumokoky, streptokoky, stafylokoky atď.). Mikroskopická anatómia (histologická stavba, mikroskopický vzhľad). Miestami okolo bronchov sú alveoly ešte vzdušné, iné sú uprostred zápalovo infiltrovaného tkaniva 7

8 pľúc. Vidno, že zápalový proces sa šíri z bronchov na tkanivo pľúc priamo až do najmenších rozvetvení, alebo prestupuje cez stenu priedušiek do okolitých alveol. Stena bronchov je silne hyperemická (cievy rozšírené a preplnené erytrocytmi), edémovo presiaknutá, infiltrovaná neutrofilnými (polymorfonukleovými t.j. so segmetovaným jadrom) (PMN) granulocytmi (leukocytmi) a monomorfonukleovými (t.j. s nesegmetovaným jadrom) (MMN) bunkami. PMN prestupujú cez bazálnu membránu, medzi poškodenými a čiastočne odlúpanými epitéliami, najmä však vo veľkom množstve vypĺňajú lúmen bronchov. Lúmen vypĺňa aj serózny exudát s čiastočne odlúpanými epitéliami a väčšou prímesou hlienu a predovšetkým však vo veľkom množstve PMN. Väčšinou sa zápal zakrátko vyhojí. Drobné dutiny alveoly v okolí bronchov sú vyplnené bledoružovou homogénnou masou (zrazená bielkovina edémovej tekutiny)) s čiastočne odlúpanými epitéliami alveol a najmä veľkým množstvom PMN (v rôznom štádiu degenerácie a rozpadu). Lúmeny ciev (kapiláry v septách) sú hyperemické (rozšírené a preplnené erytrocytmi), v ktorých možno vidieť aj neutrofilné granulocyty (= migrujú z mikrocirkulácie do ložiska). Bronchioalveolový (priedušničkovo-alveolový) karcinóm pľúc Úvod/Definícia. Bronchioalveolový karcinóm je vysoko diferencovaný adenokarcinóm (zhubný nádor z epitelových žľazových buniek), vyrastajúci v periférnych častiach pľúc mimo makroskopicky viditeľných priedušiek. Mikroskopická anatómia (histologická stavba, mikroskopický vzhľad). V tkanive pľúc prítomné ložiská nádorových formácii, ktoré nemajú, ale viac-menej pripomínajú, štruktúrne usporiadanie (pôvodného tkaniva) pľúc. Tvoria ich epitelové bunky, ktoré tvarom i veľkosťou nepripomínajú bežné pneumocyty; prítomné sú atypické nádorové bunky s mitózami, ktoré rastú po stenách pôvodných alveol (a bronchiolov) vytvárajúc alveolové (acínové) a často papilové (vrastajúce do acínových lúmenov) štruktúry. Menšie bunky kubického až cylindrického tvaru sa striedajú s objemnejšími bunkami s hyperchrómnym a bizarným, inokedy s mechúrikovitým jadrom, ktoré má veľké zreteľné jadierko. Miestami sú polyedrické, môžu mať až atypický pleomorfný vzhľad. Miestami vo vnútri aj mimo buniek prítomný hlien. Otázka č. 11. Odôvodnite, prečo dochádza k zvýšenej aktivite mitóz v nádorovom tkanive? (hodnotená 2 bodmi); Správna odpove : 8

9 II. PRAKTICKO-VEDOMOSTNÁ ČASŤ Úloha: Svetelná mikroskopia a hodnotenie histologických preparátov Pri mikroskope máte 6 histologických preparátov z rôznych (fyziologický a vybrané patologické) stavov pľúc, farbených hematoxylínom a eozínom. Sú označené 1 až 6. Na základe mikroskopicko-anatomických opisov (uvedených vyššie v I. Teoreticko-vedomostnej časti ) posúďte svetelným mikroskopom o aké stavy pľúc ide. Číslo histologického preparátu s príslušným stavom pľúc priraďte a vpíšte k predpísanému stavu pľúc do tabuľky 1. Prezeranie preparátu a diagnostikovanie: Pod mikroskopom preparát spravidla pozeráme najprv pri malom zväčšení, ktorým sa podrobnejšie orientujeme v preparáte a získame prehľad o rozličných jeho štruktúrach. Potom pozeráme preparát pri strednom zväčšení, ktorým môžeme zistiť už aj jeho podrobnejšiu štruktúru (vieme už často určiť nielen to, o aký orgán alebo tkanivo ide, ale viac-menej aj to, o aký proces ide). Pri veľkom zväčšení pozrieme podrobnosti štruktúry preparátu a aj osobitosti jednotlivých jeho štruktúrnych elementov. Pri prezeraní preparátu (najprv pri malom a potom pri väčších zväčšeniach) všímame si jednak jeho celkovú štruktúru, jednak jednotlivé bunky (tkanivo) a medzibunkovú (väzivo s cievami) hmotu. Tabuľka 1 Vyhodnotenie histologických preparátov pľúc za fyziologického a patologických stavov Fyziologický a patologické (chorobné) stavy pľúc Číslo preparátu Normálne pľúca Kolaps (nevzdušnosť) pľúc Emfyzém (rozdutie) pľúc Edém (opuch) pľúc Bronchopneumónia (zápal priedušiek a pľúc) Bronchioalveolový (priedušničkovo-alveolový) karcinóm pľúc (hodnotená 6 x 5 bodmi = 30 bodmi); Poznámky 9