Fyziologie živočichů. Prof. Vladimír Šimek Doc. Martin Vácha

Transkript

1 Fyziologie živočichů Prof. Vladimír Šimek Doc. Martin Vácha

2 Z čeho studovat? Chodit na přednášky?

3 Test ke zkoušce 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.

4 Přehled kapitol: 1. Postavení fyziologie mezi ostatními vědami 2. Fyziologické principy 3. Homeostáza, adaptace a regulace 4. Obecná neurofyziologie 5. Přeměna látek a energií metabolizmus 6. Teplota její vliv a udržování 7. Problém velikosti a proporcí těla 8. Fyziologie pohybu 9. Funkce tělních tekutin 10. Imunitní systém 11. Cirkulace 12. Fyziologie dýchacího systému 13. Fyziologie trávení a vstřebávání 14. Exkrece a osmoregulace 15. Hormonální řízení 16. Nervová soustava 17. Speciální fyziologie smyslů 18. Biorytmy

5 Fyziologie živočichů - kontext

6 Fyziologie živočichů Definice živého: odvodíme nejlépe z funkcí - dynamických procesů, které neživá příroda nemá

7 Definice živého: odvodíme nejlépe z funkcí - dynamických procesů, které neživá příroda nemá: Udržování organizovanosti a integrity, rozmnožování. Využívání látek a energie z okolí. Studium funkcí úkol pro fyziologii

8 Figure 2-37 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

9 Na sluneční pohon.

10 Živý organismus má svou historii: je výsledkem milionů let evoluce díky variabilitě a přírodní selekci.

11 Na fyziologické vlastnosti se lze dívat ze dvou hledisek: mechanistické vysvětlení jak to funguje (proximátní, tradiční fyziologický přístup) evoluční vysvětlení jak se to vyvinulo, teleologické hledání smyslu Např. svalový třes

12 Na biologické vlastnosti se lze dívat ze dvou hledisek: mechanistické vysvětlení jak to funguje (proximátní, tradiční fyziologický přístup) evoluční vysvětlení jak se to vyvinulo, teleologické hledání smyslu Např. svalový třes Protože znaky pravděpodobně vznikají selekcí, a ty, které překážejí, zmizí. Mluví se tedy o nich jako o adaptacích ty pomáhají zvýšit životaschopnost. Evoluční pohled nabízí teleologická vysvětlení hledání logiky věcí. Odpověď na otázku proč? K čemu dobré?

13 Živý organismus má svou historii: je výsledkem milionů let evoluce díky variabilitě a přírodní selekci. Má svou minulost, která jej limituje. Znaky tedy nemusí být nejlogičtější. Omezení termínu adaptace. Páteř suboptimální design. Inverzní oko obratlovců Proč zrovna 37 C tělesné teploty? Historie a prostředí savců. Lidský genom je zaneřáděn dříve funkčními geny a většina zřejmě nic nekóduje. Některé geny máme po virech a bakteriích!

14 Srovnávací přístup vidí vývojové a environmentální souvislosti

15 Prostředí a historie určují funkční i stavební znaky ve sladké vodě v moři

16 Morfologie a funkce Allenovo a Bergmanovo pravidlo

17 Morfologie a funkce Allenovo a Bergmanovo pravidlo

18 Chování jako adaptace

19 Chování jako adaptace

20 Různá řešení téhož problému

21 Velikost určuje stavbu těla a funkce

22 Čím větší tím úspornější

23 Nejtěžší se dostanou nejdál

24 Těžkého plavce stojí rychlost méně

25 Poměr Povrch/Objem a maximalizace povrchu

26 Velikost limituje funkce

27 Tělesné proporce a nelineární allometrické vztahy. Velký živočich nemůže být zvětšeninou malého. izometrické trojúhelníky

28 Tělesné proporce a nelineární allometrické vztahy. Velký živočich nemůže být zvětšeninou malého. allometrické vztahy

29 Tělesné proporce nelineární allometrické vztahy. Velký živočich nemůže být zvětšeninou malého. allometrické vztahy Limituje: svalový výkon pohyb a opora těla udržování stálosti uvnitř těla energetiku transport difúzí složitost stavby

30 Udržení organizovanosti navzdory chaosu - základní vlastnost živých organizmů. Udržení stálosti vnitřního prostředí - homeostázy. Od jednobuněčných k mnohobuněčným.

31 Homeostáza, adaptace, regulace Podmínky vnitřního a vnějšího prostředí se liší. Mnohobuněčnost živočich si nese pramoře s sebou - možnost života v dalších volných nikách, větší nezávislost. nutnost vzniku infrastruktury organizmu - nutnost údržby vnitřního prostředí

32 Homeostáza, adaptace, regulace Podmínky vnitřního i vnějšího prostředí kolísají. Co je potřeba hlídat pro udržení homeostázy? Zdroje energie Dýchací plyny Odpadní produkty ph Vodu, soli a elektrolyty Objem a tlak Teplotu Sociální parametry

33 Vznik orgánových soustav u mnohobuněčných - péče o stálost vnitřního prostředí

34 Kontaktní rozhraní musí mít velkou plochu střevo ledvinný tubulus kapiláry plíce

35 Optimum a jeho hranice Homeostáza, adaptace, regulace Podmínky vnějšího prostředí kolísají:

36 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.

37 Konformeři a regulátoři.

38 Konformeři a regulátoři.

39 Celková životní strategie zahrnuje mnoho faktorů Neexistuje jediné univerzální, ideální řešení

40 Celková životní strategie zahrnuje mnoho faktorů Neexistuje jediné univerzální, ideální řešení 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.

41 Regulace Řídící a obslužné systémy

42 Regulace Kompromis mezi rychlostí a přesností

43 Negativní zpětná vazba jako základní nástroj udržení homeostázy

44 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)

45 Pozitivní zpětná vazba Když je rychlá změna potřeba: Akční potenciál, tvorba krevní zátky, ovulace, porod, orgasmus

46 Metody fyziologie: od genetických po behaviorální. von Frish

47 Transgenní organismus Genová terapie

48 Elektrofyziologie

49 Neuroetologie Co vidí Drosophila

50 Metabolismus Mikroskopie

51 Molekulární klasika

52 Shrnutí Živý organismus je výsledkem: konkrétního vývoje v konkrétním prostředí Určité velikosti těla Určité životní strategie např. chování, počtu potomků

53 Shrnutí Živé organismy pracují na své údržbě. Koncept homeostázy umožňuje pochopit smysl práce orgánových soustav mnohobuněčných.

54 Shrnutí Negativní zpětná vazba je základním typem homeostatické regulace

55 Udržení organizovanosti navzdory chaosu -základní vlastnost živých organizmů- -Buněčná fyziologie

56 Bariéra a brány

57 Membrána z nepropustného materiálu. Fluidní mozaika. Figure 2-22 Molecular Biology of the Cell ( Garland Science 2008)

58 Bariéra a brány

59 Hlavní membránové struktury buňky

60 Hlavní membránové struktury buňky + cytoskelet

61 Bílkoviny jako brány Bílkoviny flexibilní molekuly: -přenašeči signálů a látek -generátory pohybu -regulační enzymatická aktivita -jedinečnost vazby

62 Funkce membránových bílkovin přenos látek, signálů, fixace na extra a intracelulární struktury.

63 Protein se skládá do kompaktní konformace.

64 Vazba proteinu k jiné molekule je selektivní jedinečnost vazby Protilátka-antigen, vůně-receptor

65 Vazba proteinu (enzymu) k jiné molekule je selektivní a umožní reakci. Enzym - substrát

66 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).

67 Fosforylace proteinu. Fosforylová skupina modifikuje- Zapíná nebo vypíná.

68 Typy transportu

69

70 Usnadněná difuze změna konformace ve funkci brány

71 Kanály mohou regulovat pasivní transport. Jsou mnohem rychlejší než transportéry Mohou být velmi selektivní a řízené různými podněty

72 Strukturu kanálů lze znázornit různě

73 Draslíkový kanál

74 Aktivní transport poháněno E nesenou ATP animation

75

76 Například ATP- H+ pumpa (protonová) Žaludek, lyzozóm, ledvinný tubulus Aktivní transport

77 Sekundární aktivní Transport Můžeš projít, ale vezmi náklad awhill.com/olc/dl/ /bio04.swf

78 ATP syntetáza na vnitřní membráně mitochondrie se točí obráceně Můžeš projít, ale vyrob ATP Animace

79

80 Cytóza aktivní transport velkých množství

81

82 t-snare: docking marker akceptor v-snare: docking marker Coatomer: drží zakřivenou stěnu vezikulu

83 Améboidní pohyb a úloha cytoskeletu

84 Makrofág a bakterie

85 Použité bílkoviny musí být degradovány Proteazómy Úklid vlastních signálů transkripčních faktorů a enzymů Příprava volných AK Lysozómy likvidují látky a částice z venku - animace

86 Bariéry a brány Jednobuněčný Mnohobuněčný

87 Paracelulární transport určuje děravost epitelu

88 Spolupráce buněčná spojení

89

90 Spolupráce ve tkáních buněčná spojení

91 Konexon a gap junction

92

93 Extracelulární matrix tvoří: tmel mezi buňkami (hlavně kolagen) basální membránu epitelů Napojena na cytoskelet uvnitř buněk

94 Funkce membránových bílkovin přenos látek, signálů, fixace na extra a intracelulární struktury.

95 Extracelulární matrix tmel mezi buňkami (hlavně kolagen) Integriny kotví v membráně

96 Membrána se selektivním aktivním transportem iontů elektricky nabíjí. Nabitá membrána - Klidový potenciál Využitelný pro: sekundární transport tvorbu a přenášení signálů

97 Nabitá membrána - Klidový potenciál

98 Na/K pumpa nabíjí membránu

99 Na daleko od rovnováhy K + : K v rovnováze Na + : KONCENTRACE NÁBOJ INTRA (-) EXTRA (+)

100 Na/K pumpa

101 Na/K pumpa

102 Mechanismy udržující nízkou hladinu Ca v buňce Vápník extracelulární iont, nositel signálů

103 Vápník extracelulární iont, nositel signálů Mechanismy udržující nízkou hladinu Ca v buňce Stačí malé podráždění a Ca proudí do buňky

104 Vápník extracelulární iont, nositel signálů

105 Cytoskelet

106 Cytoskelet

107 Cytoskelet

108

109 Život v buňce Animace komentovaná

110 Život v buňce - Animace

111

112 Barvozměna také jedna důležitá úloha pro cytoskelet

113 Shrnutí 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.

114 Přenos informací Mezibuněčná komunikace a signálová transdukce

115 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

116 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

117 Mezibuněčná komunikace a signálová transdukce Obecná chemorecepční schopnost buněk Komunikace ve společenství buněk, rozeznání poškozené nebo cizí buňky Ovariální teratom 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)

118 Chemická struktura Eikosanoidy (prostaglandiny) Plyny (NO, CO) Puriny ATP, camp Aminy od tyrozinu (adrenalin, par. histamin) Peptidy a proteiny mnoho hormonů neurohormonů Steroidy hormony a feromony Retinoidy od vit A Způsob předání signálu jeden klíč, ale různé dveře

119 Způsob předání signálu mezi buňkami

120 Způsob předání signálu mezi buňkami

121 Způsob předání signálu přes membránu Např. Tyroxin Např. Adrenalin

122 Způsob předání signálu přes membránu Polární hormon - účinek

123 Způsob předání signálu přes membránu Nepolární hormon - účinek

124

125 Univerzální mechanismy signalizace

126 Proč tolik úrovní? Způsob předání signálu za membránou Zesílení Propojení

127 Druzí poslové Animace

128 Použité bílkoviny musí být degradovány Proteazómy Úklid signálů transkripčních faktorů a enzymů Příprava volných AK

129 Obecná neurofyziologie - signály přenášené vzrušivými membránami

130 Nabitá membrána - Klidový potenciál

131 Řeč elektrických změn je typická, ale citlivost na chemické signály zůstává a je bohatě využita.

132 Základní stavební a funkční plán nervového řízení. Spolupráce s gliovými buňkami.

133 Základní stavební a funkční plán nervové soustavy.

134 Neuron a jeho součásti

135 Koncentrace hlavních iontů na membráně v klidu.

136 Rozdílné postavení Na a K iontů

137 Na daleko od rovnováhy K + : K v rovnováze Na + : KONCENTRACE NÁBOJ INTRA (-) EXTRA (+)

138 Akční potenciál

139 Jak se dnes měří a jak vypadá? rophysiology/index.html

140 Akční potenciál Buď nevznikne vůbec, nebo vzniká stále stejně velký. Informace, kterou přenáší, je zapsána do frekvence.

141 Časový záznam AP AP kanály

142 Mechanismus vzniku: Spolupráce kanálů při vzniku AP

143 Napěťově řízený Na kanál podmínka pro depolarizaci při vzniku AP 3 stavy

144

145 Převažující Na propustnost vystřídá K propustnost propustnější má větší slovo a táhne membránu ke svému rovnovážnému napětí.

146 Šíření podél membrány. Kromě příčného i podélný tok iontů. Záleží na průměru.

147 Šíření podél membrány. Záleží také na myelinizaci. Šíření AP1 Šíření AP2

148 Synapse Přerušení elektrického vedení po membráně. Proč? Plasticita, zpracování Chemický prostředník

149 Chemický prostředník: Exocytóza mediátoru

150 Superrychlá cytóza Klatrin tvoří vesikuly

151 Receptor na postsynaptické straně je součástí kanálu ionotropní signalizace nebo spojen s kanálem kaskádou signálů metabotropní signalizace Synapsin váže vesikuly k cytoskeletu

152 Metabotropní signál: Intracelulární předání signálu jde vyzkoušenou cestou G proteinové signalizace univerzální mechanismus

153 Látková signalizace na synapsi Metabotropní: Látková signalizace1 Látková signalizace2 Látková signalizace3 Ionotropní: Nervosvalová ploténka

154 Mediátory - neurotransmittery

155

156 Nemusí být jen excitační, jsou i inhibiční transmitery.

157 Vzácně i elektrická synapse.

158 Jak spolu neurony komunikují.

159 Dva druhy kanálů dva druhy kódování Elektricky a chemicky

160 Dva druhy kódování informace Dálkové šíření digitálně Zpracování - analogově

161 Smysl: Zpracování - analogově Časová sumace

162 Smysl: Zpracování - analogově Časová sumace Prostorová sumace

163 Některé synapse inhibiční Některé excitační Facilitace Inhibice

164 Smysl: A) Zpracování: sčítání, syntéza, porovnávání signálů. Integrace vstupů. Časová a prostorová sumace B) Plasticita NS základ paměti

165 Neuronální signalizace

166 Divergence, konvergence

167 Synapse vytvářejí dynamickou síť spojů, základem reflexů. Monosynaptické x Polysynaptické Nepodmíněné x Podmíněné

168 Synaptická plasticita základem paměti. Rychlá potenciace. Pomalá přestavba.

169 Přestavba dentritických trnů

170 Shrnutí 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

171 Život v buňce

172 Obecná fyziologie smyslů Co se děje na membránách. Receptorové buňky jsou brány, kterými vstupují signály do NS Exteroreceptory x interoreceptory

173 Svět smyslů úloha mozku. Paralelní dráhy specializované na určitou vlastnost (kvalitu). V rámci dráhy ještě specializace na konkrétní hodnotu.

174 Receptorová buňka převádí energii podnětu na změnu iontové propustnosti. Transdukce Transformace

175 Vlastnosti membrány jsou klíčem pro transdukci.

176 Intenzita podnětu a intenzita odpovědi. Weber-Fechnerův zákon

177 Trvání podnětu a trvání odpovědi. Většina receptorů pracuje jako diferenční

178 Laterální inhibice: vyšší rozlišovací schopnost zesílení kontrastů