Transkript

1

2 Přehled fyziologie I pro VFU Brno (3. vydání) Jaroslav Doubek Eva Matalová Ivana Váňová Veterinární a farmaceutická univerzita Brno Ústav živočišné fyziologie a genetiky AV ČR, v.v.i. Tribun EU 2019 CZ.1.07/2.2.00/

3 , znalost zvířat zvyšuje lásku ke zvířatům. Joseph Eichendorff Tento učební materiál, oproti textu z roku 2017 upravený a rozšířený, je určen pro cílovou skupinu studentů projektu Kreativní fyziologie, především pro studenty Fakulty veterinárního lékařství a Fakulty veterinární hygieny a ekologie Veterinární a farmaceutické univerzity Brno. Zaměřením vychází ze sylabů a požadavků na zkoušku z předmětu Fyziologie včetně klinických vztahů. Při omezeném rozsahu studijního materiálu nebylo aspirací autorů podat vyčerpávající informace k jednotlivým tématům, ale naopak zvolenou formou zpracování jednotlivých kapitol poskytnout přehled poznatků v dané oblasti a vybídnout uživatele ke kladení si otázek a aktivně si na ně hledat odpovědi. Návodem k odpovědím nechť jsou také přednášky a literární prameny uvedené na konci tohoto učebního textu, dále pak související studijní materiály připravené projektovým týmem, které jsou k dispozici na stránkách Literární prameny uvedené na konci tohoto učebního materiálu byly nejen zdrojem poznatků při sepisování textu, ale v řadě případů i inspirací pro obrazovou dokumentaci a tabulky, za což patří autorům náš veliký dík. Prof. MVDr. Jaroslav Doubek, CSc. Prof. RNDr. Eva Matalová, Ph.D. MVDr. Ivana Váňová, Ph.D. Veterinární a farmaceutická univerzita Brno Ústav živočišné fyziologie a genetiky AV ČR, v.v.i. Jaroslav Doubek et al. 2019

4 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 4 Obsah 1. ÚVOD VYMEZENÍ FYZIOLOGIE HISTORIE FYZIOLOGIE METODY ZKOUMÁNÍ VE FYZIOLOGII VZTAH FYZIOLOGIE K OSTATNÍM DISCIPLÍNÁM BUŇKA STAVBA A FUNKCE ZÁKLADNÍCH KOMPONENT BUŇKY KMENOVÉ BUŇKY BUNĚČNÝ CYKLUS ZÁNIK BUNĚK Apoptóza Nekróza 2.5. KOMUNIKACE MEZI BUŇKAMI MEMBRÁNOVÝ TRANSPORT REGULACE SYSTÉM VAZBA REGULAČNÍ OBVOD KVALITA A PODSTATA REGULACE RŮST, VÝVOJ, STÁRNUTÍ RŮST VÝVOJ STÁRNUTÍ ZDRAVÍ, NEMOC, SMRT ZDRAVÍ ZDRAVOTNÍ STAV NEMOC Příčiny nemoci Fáze nemoci SMRT Premortální fáze Smrt Klasifikace smrti KREV MNOŽSTVÍ KRVE FUNKCE KRVE SLOŽENÍ KRVE A VÝZNAM KOMPONENT KREVNÍ PLAZMY VE VZTAHU K VNITŘNÍ- MU PROSTŘEDÍ 6.4. VLASTNOSTI KRVE HEMATOPOÉZA ERYTROCYTY Charakteristika erytrocytů Funkce erytrocytů Zánik erytrocytů LEUKOCYTY Charakteristika leukocytů Funkce leukocytů TROMBOCYTY Charakteristika trombocytů Funkce trombocytů BUNĚČNÉ KREVNÍ ELEMENTY U VYBRANÝCH DRUHŮ SAVCŮ Pes CZ.1.07/2.2.00/

5 Kočka Kůň Přežvýkavci Prase Králík Morče Potkan Myš Základní fyziologické parametry hematologického vyšetření krve SLEZINA HEMOSTAZE Hemokoagulace Fibrinolýza Základní fyziologické parametry hemostazeologického vyšetření krve KREVNÍ SKUPINY SAVCŮ ANTIGENY GRANULOCYTŮ A KREVNÍCH DESTIČEK KREV U PTÁKŮ IMUNITNÍ SYSTÉM VÝZNAM IMUNITNÍHO SYSTÉMU KOMPONENTY IMUNITNÍHO SYSTÉMU OBRANA ORGANISMU Vrozená (nespecifická) obrana Získaná (adaptivní, specifická) obrana Srovnání faktorů nespecifické a specifické obrany IMUNITNÍ SYSTÉM U PTÁKŮ VNITŘNÍ PROSTŘEDÍ VNITŘNÍ PROSTŘEDÍ A JEHO DETERMINANTY Celková tělesná tekutina Extracelulární tekutina Stálost vnitřního prostředí Gibbsova-Donnanova rovnováha Starlingův zákon 8.2. REGULACE VNITŘNÍHO PROSTŘEDÍ Regulované veličiny Regulační obvod Regulátory vnitřního prostředí 8.3. ELEKTROLYTY Sodík Draslík Chloridy Vápník Fosfáty Hořčík Základní fyziologické parametry elektrolytů při vyšetření krevní plazmy ACIDOBAZICKÝ STATUS Základní determinanty AB-statusu Homeostaze H AB-poruchy Vyhodnocování AB-statusu Základní fyziologické parametry AB-vyšetření krve TERMOREGULACE TVORBA A ZTRÁTY TEPLA REGULACE TĚLESNÉ TEPLOTY HOREČKA

6 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO HYPERTERMIE HYPOTERMIE STRES TERMINOLOGIE TEORIE ZABÝVAJÍCÍ SE STRESEM DRUHY STRESU HLAVNÍ STRESOVÉ MECHANISMY MARKERY STRESU SELYEHO KONCEPCE STRESU MODIFIKOVANÉ SELYEHO KONCEPCE STRESU BOLEST STIMULY VYVOLÁVAJÍCÍ BOLEST KATEGORIE BOLESTI VNÍMÁNÍ BOLESTI Hlavní prvky nocicepce Odpověď organismu na bolest UTRPENÍ VĚDOMÍ VIGILITA LUCIDITA METABOLISMUS CHARAKTERISTIKA METABOLISMUS KONEČNÝCH PRODUKTŮ TRÁVENÍ SACHARIDŮ, PROTEINŮ A LIPI- DŮ ENERGETICKÝ METABOLISMUS METABOLISMUS ELEKTROLYTŮ METABOLISMUS VODY METABOLISMUS STOPOVÝCH PRVKŮ METABOLISMUS VITAMINŮ OBEZITA PODVÝŽIVA POUŽITÁ LITERATURA CZ.1.07/2.2.00/

7 7 ÚVOD 1. ÚVOD 1.1. VYMEZENÍ FYZIOLOGIE Fyziologie je věda o funkcích a výkonech živého organismu, její členění: fyziologie rostlin; fyziologie živočichů, fyziologie veterinární fyziologie normální, tj. věda o životních funkcích v organismu v normě (věda o životních funkcích ve zdravém organismu), fyziologie patologická, tj. věda o životních funkcích v organismu v patologických (chorobných) situacích, fyziologie klinická, tj. věda o životních funkcích organismu z klinického hlediska (věda o životních funkcích v průběhu nemoci u pacienta), fyziologie savců, fyziologie ptáků, fyziologie ryb, ; fyziologie člověka fyziologie lékařská fyziologie normální, fyziologie patologická, fyziologie klinická; fyziologie srovnávací (mezi člověkem a zvířecími druhy a mezi druhy zvířat navzájem); fyziologie obecná, tj. věda o obecných (společných) funkcích v živém organismu; fyziologie speciální, tj. je věda o funkcích jednotlivých říší, druhů aj., ale také fyziologie orgánových systémů v rámci např. fyziologie veterinární. Členění fyziologie podle tematického zaměření: fyziologie buňky (fyziologie buněčná, celulární); fyziologie transportů; fyziologie extrémních situací (fyziologie zátěže, tj. stresu, fyziologie letecká, kosmická); behaviorální fyziologie; integrativní fyziologie (integrující poznatky molekulární biologie, informatiky, experimentální fyziologie a dalších oborů); etc.

8 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 8 Fyziologie zkoumá funkce ve vzájemných souvislostech (na rozdíl např. od molekulární biologie). Funkce jednotlivých orgánů, příp. tkání jsou samozřejmě předmětem zkoumání specialistů v rámci kardiologie, gastroenterologie, neurologie, endokrinologie atd. V 90. letech se také zrodila nová fyziologie, která pomáhá objasnit složité děje organismu pomocí jednoduchých nelineárních modelů objevila se hypotéza, podle níž chaos souvisí se zdravými funkcemi organismu (nelineární systém se na rozdíl od lineárního vrací po malém vychýlení do původního rovnovážného stavu), teorie nelineárních systémů došla největšího uplatnění při studiu činnosti srdce. Probíhal také intenzivní výzkum buněčných a mezibuněčných mechanismů (až na molekulové úrovni) a začala se rozvíjet integrativní fyziologie, integrující poznatky více oborů (viz výše). Ve 20. století (od roku 1901 do roku 2000 včetně) získalo Nobelovu cenu za Fyziologii nebo medicínu 172 laureátů. V 21. století (2001 až 2018) má Nobelova cena za Fyziologii nebo medicínu 44 laureátů. V posledních desetiletích jsou ceny za Fyziologii nebo medicínu udělovány převážně za výsledky vědeckého výzkumu na poli molekulární fyziologie, resp. molekulární biologie. Za období 1901 až 2018 obdrželo Nobelovo cenu za Fyziologii nebo medicínu celkem 216 osob (204 muži a 12 žen) HISTORIE FYZIOLOGIE Fyziologie byla původně chápána jako nauka o přírodě (víceméně až do 16. stol.). Teprve později jako nauka o funkcích organismu (poprvé Fernel 1554), což je základem i současného chápání fyziologie. Z dějin medicíny je známo, že zkoumáním funkcí v organismu se zabývala řada významných osobností, i když svým zaměřením mnozí byli spíše lékaři, přírodovědci aj., nikoliv však ryzí CZ.1.07/2.2.00/

9 9 ÚVOD fyziologové. Následující přehled je výtahem některých významných poznatků či objevů ve vztahu k fyziologii nebo patologické fyziologii, a to ve spojení s příslušnou osobností. Starý Egypt Smithův papyrus (1600 př. n. l.), popisující chirurgické případy, autorem je ale zřejmě Imhotep, asi př. n. l., pojednává mj. o struktuře mozku a míchy. Antika Osobnost Alkmaion (* ) Anaxogoras Klazoménský (* ) Hippokratés (* ) Démokritos (* ) Aristoteles (* ) Hérofilos (* ) Erasistratos/Erasistratus (* ) Galénos/Galén (* nebo * ) Předmět zkoumání/získané poznatky zajímal se o smyslové funkce (chuť) trávení považoval za proces přeměny potravy na části těla za hlavní činitele životních pochodů považoval: - živly (elementa): oheň, vodu, vzduch, zemi, - tělesné šťávy (humores): krev (sanguis, haima), světlou žluč (cholé) ze žlučníku, černou žluč (melaina cholé) ze sleziny (černou žluč ale nikdo neviděl), hlen (phlegma) z plic, postuloval tzv. humorální teorii vzniku nemoci, podle níž nerovnováha tělesných šťáv vyvolává nemoc představil tzv. solidní teorii vzniku nemoci, podle které změny hustoty a pohybu atomů jsou příčinou nemoci považoval srdce za ústřední orgán, v němž se tvoří krev, vzniká teplo, je tam sídlo inteligence, racionální duše, mozek podle něj je pouze orgán ochlazující krev, rozlišoval pět smyslů zrak, sluch, čich, chuť a hmat domníval se, že mozek je centrum nervové soustavy, sídlo inteligence, nervy že zprostředkují hybnost a citlivost, pneuma (tj. vzduch a voda) vstupuje do těla a je v cévách rozváděno srdcem jako spiritus vitalis do mozkových komor, kde je převedeno na spiritus animalis, který odpovídá za pohyb, pocity a myšlení zkoumal trávení a činnost srdce (správně chápal význam chlopní), nervy rozlišoval dostředivé a odstředivé velká osobnost medicíny, byl osobním lékařem Marka Aurelia, zdatným experimentátorem používal k pokusům pouze zvířata (ovce, prasata, opice), popsal sympatické nervy, životní funkce chápal jako systém, jeho učení bylo do 16. stol. považováno za zákon, je tvůrcem tzv. pneumatické fyziologie pneumata jsou principy (princip životní, p. živný, p. citlivosti, p. hybnosti), rozvinul koncepci tělních sil spojených s orgány a uvádí tři druhy v srdci sídlí spiritus vitalis, v mozku spiritus animalis a v játrech spiritus naturalis, je autorem teorie tzv. vitalismu (po něm nazvané galenismus): nerovnováha tělesných tekutin (krve, žluči, černé žluči a hlenu) + neuspořádanost atomů + nesprávné rozpoložení duše způsobují nemoc

10 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 10 Středověk Osobnost Avicenna (* ) Ibn al-nafís (* ) Paracelsus (* ) Předmět zkoumání/získané poznatky autor dvou významných děl: Kánonu lékařství a Knihy uzdravení, Kánon lékařství obsahuje 5 knih a v nich popisované nemoci jsou v některých případech uvedeny poznatky z anatomie a fyziologie popsal plicní cirkulaci, uvedl, že srdeční septum je neprostupné a krev z pravého srdce se do levého dostává spíše plícemi (než skrze septum) stanovil učení o chemických látkách v těle a nemoc podle něj vzniká z nepoměru látek (solí, síry aj.), prováděl farmakologické studie blízké homeopatii století (lze označit za nástup moderní fyziologie) Osobnost Předmět zkoumání/získané poznatky Fernel (* ) ve spise Medicina poprvé použil a charakterizoval pojem fyziologie (1554) Estienne (* ) podrobně znázornil periferní nervstvo a popsal páteřní kanál Vesalius (* ) ve svých základech anatomie usiloval o překonání vitalismu, popsal a zobrazil mj. spoustu mozkových struktur Cesalpino (* ) poprvé použil termín circulatio (krve) Coiter (* ) rozlišoval šedou a bílou hmotu míchy Santorio (* ) odhalil podstatu metabolismu na základě měření tělesné hmotnosti a tělesné teploty Helmont, van (* ) zkoumal trávení v žaludku, prokázal v žaludku kyselinu Galilei (* ), jsou považováni, s příklonem k tomu či jinému, Jacobszon Drebbel (* ), za objevitele mikroskopu a položili tak základy Fontana (* ) zkoumání biologických objektů pomocí mikroskopu Malpighi (* ), Leeuwenhoek, van (* ), Hooke (* ), Swammerdam (* ) Harvey (* ) Descartes (* ) Borelli (* ) Willis (* ) rozvinuli mikroskopii, Malpighi objevil kapilární propojení tepenného a žilního systému, Hooke snad zavedl pojem buňka, Swammerdam první pozoroval a popsal červené krvinky prokázal funkci srdce jako pumpy a funkci krevního oběhu (pokusy na zvířatech) byl filozof racionalista (známý výrok cogito ergo sum, myslím, tedy jsem), živočišný a lidský organismus si představoval jako mechanické stroje, popsal reflex zabýval se zkoumáním činnosti svalů, jeho pohled byl ale mechanický, zkoumal složení krve pod mikroskopem pozoroval nervové funkce, poprvé použil termín reflex, jako první popsal 11. pár hlavových nervů století Osobnost Boerhaave (* ) Předmět zkoumání/získané poznatky konstatoval, že život nelze vysvětlit jen mechanicky nebo chemicky, autor první učebnice fyziologie CZ.1.07/2.2.00/

11 11 ÚVOD (Institutiones medicinae, 1708), bývá nazýván otcem fyziologie Hales (* ) poprvé přímo měřil krevní tlak u koně Réaumur (* ) zkoumal účinky žaludeční šťávy in vitro Haller, von (* ) shrnuje poznatky z fyziologie do díla Elementa physiologiae, vymezil fyziologii jako samostatný obor, vypracoval metody experimentální neurofyziologie a je zakladatelem teorií dráždivosti a citlivosti nervové tkáně Della Tore (* ) zabýval se zdokonalením mikroskopických technik a využil je k pozorování nervové tkáně Spallanzani (* ) zkoumal, podobně jako Réaumur, trávení v žaludku, účinky žaludeční šťávy in vitro Galvani (* ) prokázal dráždivý efekt slabého elektrického proudu na organismus Lavoisier (* ) provedl první respirometrii u člověka, zabýval se kalorimetrií a metabolickými bilančními pokusy, konstatoval, že teplo v těle vzniká spalováním živin, dále že ze vzduchu se v těle zadržuje kyslík a vylučuje oxid uhličitý Prochaska (* ) uvedl koncepci nervového reflexu, zkoumal hemodynamiku Laplace (* ), obdobně jako Lavoisier prováděl měření produkce tepla a metabolické bilanční pokusy Legalois (* ) předpokládal existenci dýchacího centra Magendie (* ) velký experimentátor, pokus považoval za jediný zdroj poznání, učinil průkaz rozdílné funkce předních a zadních kořenů míšních, založil Journal de physiologie, vydavatel Journal de physiologie expérimentale Flourens (* ) realizoval výzkum funkce dýchacího centra, mozečku a vestibulárního ústrojí Purkyně (* ) nadšený experimentátor s obrovskou vědeckou erudicí, také organizátor založil celosvětově první samostatný fyziologický ústav (ve Vratislavi), později jako druhý ústav v Praze, vyšetřoval čidla, prováděl výzkum mozku, trávení, byl průkopník buněčné teorie, zabýval se vývojem roztoku pro uchování životaschopnosti nervových buněk v experimentech Müller (* ) zabýval se studiem smyslů, činnosti nervstva, trávení, napsal Handbuch der Physiologie des Menschen (kniha je shrnutím tehdejšího stavu vědění z fyziologie, nově formuluje náplň oboru fyziologie) Schwann (* ) zakladatel obecné buněčné teorie Bernard (* ) hlavní představitel experimentální medicíny, koncepce stálosti vnitřního prostředí, autor Introduction á l étude de la médecine expérimentale Ludwig (* ) použil rtuťový manometr k měření krevního tlaku (zkonstruoval záznamové zařízení kymograf), zkoumal tvorbu moči Virchow (* ) rozvoj buněčné teorie (dceřiné buňky vznikají z mateřských buněk)

12 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 12 Sečenov (* ) zkoumal nervové děje, jejich reflexní podstatu Marey (* ) zkonstruoval sfygmomanometr (k registraci tlaku krve na základě objemových změn cév), jeho poznatky jsou základem Mareyova zákona, podle kterého tepová frekvence je nepřímo úměrná krevnímu tlaku Ringer (* ) vyvinul roztok vhodný pro zkoumání elektrofyziologických vlastností svalových buněk Cannon Walter (* ) použil termín homeostaze, je průkopníkem poznávání autonomního nervového systému, radiologického vyšetřování gastrointestinálního traktu, popsal komplexní adaptační reakci fight or flight (boj nebo útěk) Pavlov (* ), nositel NC objevy v regulaci trávení a zkoumal podmíněné reflexy (1904) Golgi (* ), nositel NC (1906) spolu s Cajalem (*1852- objevy ve stavbě a funkci nervového systému, objev neuronu 1934) Mečnikov (* ), nositel práce na poli imunity, objev fagocytózy NC (1908) spolu s Ehrlichem (* ) Kocher (* ), nositel NC práce o fyziologii, patologii a chirurgii štítné žlázy (1909) Kossel (* ), nositel NC objevy na poli chemického složení buňky (1910) Gullstrand (* ), nositel poznatky o optických vlastnostech oka NC (1911) Carrel (* ), nositel NC práce na poli transplantací (1912) Richet (* ), nositel NC poznatky na poli anafylaxe (1913) Bárány (* ), nositel NC (1914) poznatky o fyziologii a patologii vestibulárního systému Bordet (* ), nositel NC práce na poli imunity (1919) Krogh (* ), nositel NC poznatky o mechanismu motorické regulace (1920) Hill (* ), nositel NC (1922) spolu s Meyerhofem (* ) Banting (* ), nositel NC (1923) spolu s Macleodem (* ), na objevu se podílel ještě tehdejší student Best Einthoven (* ), nositel NC (1924) Fibiger (* ), nositel NC (1926) Eijkman (* ), nositel NC (1929) spolu s Hopkinsem (* ) Landsteiner (* ), nositel v kapilárách (mikrocirkulace) a fyziologii dýchání objevy na poli tvorby tepla ve svalech (Hill), objevy vztahů mezi spotřebou kyslíku a tvorbou laktátu ve svalech (Meyerhof) objev inzulinu objev hodnocení srdečních potenciálů (vynález elektrokardiografu) objev experimentálně vyvolaného nádorového růstu objev vitaminu B 1 (Eijkman), objev vitaminů podporujících růst (Hopkins) objev krevních skupin u člověka CZ.1.07/2.2.00/

13 13 ÚVOD NC (1930) Warburg (* ), nositel NC (1931) Sherrington (* ), nositel NC (1932) spolu s Adrianem (* ) Minot (* ), nositel NC (1934) spolu s Whipplem (* ) a Murphym (* ) Spemann (* ), nositel NC (1935) Dale (* ), nositel NC (1936) spolu s Loewim (* ) Szent-Györgyi (* ), nositel NC (1937) Heymans (* ), nositel NC (1938) Dam (* ), nositel NC (1943) spolu s Doisym (* ) Erlanger (* ), nositel NC (1944) spolu s Gasserem (* ) Cori (* ), pražský rodák, nositel, NC (1947) spolu s manželkou Gerty Coriovou (* ), rovněž původem z Prahy, a Houssayem (* ) Hess (* ), nositel NC (1949) spolu s Egasem Monizem (* ) Hench (* ), nositel NC (1950) spolu s Kendallem (* ) a Reichsteinem (* ) Krebs (* ), nositel NC (1953) spolu s Lipmannem (* ) Theorell (* ), nositel NC (1955) Forssmann (* ), nositel NC (1956) spolu s Cournandem (* ) a Richardsem (* ) Bovet (* ), nositel NC (1957) Kornberg (* ), nositel NC (1959) spolu s Ochoou (* ) Burnet (* ), nositel NC objev enzymů dýchacího řetězce objevy o funkcích neuronů objev léčby anémie výtažkem z jater objev organizačního plánu v embryogenezi objevy chemické podstaty přenosu nervových impulzů objevy v oblasti biologických oxidací, zejména role vitaminu C, a katalýzy fumarátu poznatky o úloze karotid a aorty v regulaci dýchání objev vitaminu K (Dam), objev chemického složení vitaminu K (Doisy) objev vysoce diferencovaných funkcí nervových vláken objev katalytické přeměny glykogenu (Coriovi), objev významu hormonů adenohypofýzy pro metabolismus sacharidů (Houssay) objev funkce mezimozku pro koordinaci činnosti vnitřních orgánů (Hess), objev použití prefrontální leukotomie pro léčbu některých psychóz (Egas Moniz) objevy hormonů kůry nadledvin a jejich účinků objev cyklu kyseliny citronové (Krebs), objev koenzymu A (Lipmann) objev struktury a účinku oxidačních enzymů objev katetrizace srdce a patologických změn krevního oběhu objevy účinku syntetických sloučenin na cévní systém a kosterní svaly objevy syntézy RNA a DNA objev získané imunologické tolerance

14 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 14 (1960) spolu s Medawarem (* ) Békésy, von (* ), nositel NC (1961) Crick (* ), nositel NC (1962) spolu s Watsonem (*1928) a Wilkinsem (* ) Eccles (* ), nositel NC (1963) spolu s Hodgkinem (* ) a Huxleym (* ) Bloch (* ), nositel NC (1964) spolu s Lynenem (* ) Jacob (* ), nositel NC (1965) spolu s Lwoffem (* ) a Monodem (* ) Granit (* ), nositel NC (1967) spolu s Hartlinem (* ) a Waldem (* ) Holley (* ), nositel NC (1968) spolu s Khoranou (* ) a Nirenbergem (* ) Euler, von (* ), nositel NC (1970) spolu s Axelrodem (* ) a Katzem (* ) Selye (* ) Sutherland (* ), nositel NC (1971) Edelman (*1929), nositel NC (1972) spolu s Porterem (* ) Lorenz (* ), nositel NC (1973) spolu s von Frischem (* ) a Tinbergenem (* ) Claude (* ), nositel NC (1974) spolu s de Duvem (* ) a Paladem (* ) Guillemin (*1924), nositel NC (1977) spolu s Schallym (*1926) a Yalowovou (* ) Sperry (* ), nositel NC (1981) spolu s Hubelem (*1926) a Wieselem (*1924) Bergström (* ), nositel NC (1982) spolu se Samuelssonem (*1934) a Vanem (* ) Jerne (* ), nositel NC (1984) spolu s Köhlerem (*1946- objev fyzikálního mechanismu podráždění v hlemýždi vnitřního ucha objev struktury nukleových kyselin a jejich významu při přenosu informace objev iontového mechanismu dráždění a útlumu membrán neuronů objevy na poli metabolismu cholesterolu a mastných kyselin poznatky o genetické kontrole syntézy enzymů a virů objev fyziologických procesů při vidění poznatky o genetickémm kódu a jeho funkci při proteosyntéze objev role neurotransmiterů poznatky z fyziologie zátěže (Selyeho koncepce stresu) objev mechanismu působení hormonů objevy chemické struktury protilátek objev vzorců chování objevy v organizaci buňky objev peptidových hormonů v mozku (Guillemin a Schally), objev radioimunologických metod pro stanovení peptidových hormonů (Yalowová) objev funkční specializace mozkových hemisfér (Sperry), objevy zpracování informací ve zrakové soustavě (Hubel a Wiesel) objevy v oblasti prostaglandinů a příbuzných látek poznatky o imunitním systému a tvorbě monoklonálních protilátek CZ.1.07/2.2.00/

15 15 ÚVOD 1995) a Milsteinem (* ) Brown (*1941), nositel NC (1985) spolu s Goldsteinem (*1940) Cohen (*1922), nositel NC (1986) spolu s Levi-Montalciniovou (* ), Murray (* ), nositel NC (1990) spolu s Thomasem (* ) Neher (*1944), nositel NC (1991) spolu se Sakmannem (*1942) Fischer (*1920), nositel NC (1992) spolu s Krebsem (* ) Gilman (*1941), nositel NC (1994) spolu s Rodbellem (* ) Lewis (* ), nositel NC (1995) spolu s Nüsslein- Volhardovou (*1942) a Wieschausem (*1947) Doherty (*1940), nositel NC (1996) spolu s Zinkernagelem (*1944) Prusiner (* ), nositel NC (1997) Ignarro (*1941), nositel NC (1998) spolu s Furchgottem (* ) a Muradem (*1936) Blobel (*1936), nositel NC (1999) Carlsson (*1923), nositel NC (2000) spolu s Greengardem (*1925) a Kandelem (*1929) Hartwell (*1939), nositel NC (2001) spolu s Huntem (*1943) a Nursem (*1949) Brenner (*1927), nositel NC (2002) spolu s Horvitzem (*1947) a Sulstonem (*1942) Axel (*1946), nositel NC (2004) spolu s Buckovou (*1947) Marshall (*1951), nositel NC (2005) spolu s Warrenem (*1937) Capecchi (*1937), nositel NC (2007) spolu s Evansem (*1941) a Smithiesem (* ) Blackburnová (*1948), nositelka NC (2009) spolu s Greiderovou (*1961) a Szostakem (*1952) objev regulace metabolismu cholesterolu objev růstových faktorů objevy na poli transplantací objev iontových kanálů v buňkách objev reverzní fosforylace proteinů jako regulačního mechanismu v buňkách objev G-proteinů a jejich role v přenosu signálu v buňce objevy genetického řízení raného vývoje embrya objevy cílené imunity zprostředkované buňkami objev nových původců nemocí prionů objevy účinků oxidu dusnatého objev přenosu proteinů v buňce pomocí vlastních signálů objevy přenosu signálů v nervové soustavě objevy regulátorů buněčného cyklu objevy regulace vývoje orgánů a apoptózy objev čichových receptorů a organizace čichového systému objev bakterie Helicobacter pylori a její úlohy při zánětu a vředu žaludku objevy principů specifických genových modifikací u myši na základě použití kmenových buněk objevy ochrany chromosomů telomerami a enzymu telomerázy Beutler (*1957), nositel NC (2011) objevy aktivace vrozené imunity (Beutler a Hoffmann), spolu s Hoffmannem (*1941) objev úlohy dendritických buněk v získané imunitě a Steinmanem (* ) (Steinman) Gurdon (*1933), nositel NC (2012) objev schopnosti zralých buněk být přeprogramovány

16 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 16 spolku s Jamanakou (*1962) na buňky pluripotentní Rothman (*1950), nositel NC (2013) objevy mechanismu vezikulárního transportu v buňkách spolu s Schekmanem (*1948) a Südhofem (*1955) O Keefe (*1939), nositel NC (2014) objevy buněk v mozku určujících polohu spolu s Moserovou (*1963) a Moserem (*1962) Ósumi (*1945), nositel NC (2016) objevy mechanismů autofagie Hall (*1945), nositel NC (2017) mechanismy cirkadiánních rytmů spolu s Rosbachem (*1944) a Youngem (*1949) Allison (*1948) nositel NC (2018) imunoterapie nádorů spolu s Hondžó (*1942) Vysvětlivky: NC = Nobelova cena, v přehledu výběr laureátů NC s důrazem na fyziologii Zakladatelé české a slovenské lékařské fyziologie Jiří Prochaska (* ); Jan Evangelista Purkyně (* ). První profesor fyziologie na české lékařské fakultě v Praze: Vladimír Tomsa (* ). První profesor fyziologie na lékařské fakultě v Brně: Edward Babák (* ). První profesor fyziologie na lékařské fakultě v Bratislavě: Antonín Hanák (* ). První profesor fyziologie na Vysoké škole zvěrolékařské v Brně Edward Babák (* ) METODY ZKOUMÁNÍ VE FYZIOLOGII Pozorování, empirie (zkušenost) znamená popis vnějších znaků a hledání souvislostí; podstata fyziologických a patologických jevů příliš neodhalena. Pitva (sectio, obdukce, autopsie) je posouzení vztahu příznaků nemoci se změnami orgánů; různost změn a jejich příčiny jsou nevysvětleny; nekropsie (získávání vzorků tkání při pitvě); první pitva ve střední Evropě Ján Jesenský-Jessenius (Praha, 1600), v Brně údajně provedena pitva ženy již v roce 1594 (Šimon Grynaeus). Klinická studie je cílené použití vyšetřovacích klinických metod v souladu se zákonnými a podzákonnými předpisy (viz Fyziologie I Praktická cvičení): neinvazivních (adspekce pohled, palpace pohmat, perkuse poklep, auskultace poslech), invazivních (endoskopických: cysto-, broncho-, laparoskopie aj.), měla by být uplatňována Hippokratova zásada primum non nocere (předně neškodit); biopsie (získávání vzorků tkání ze živého jedince); paraklinické vyšetření (rentgenologické vyšetření, elektrokardiografie; elektroencefalografie, CZ.1.07/2.2.00/

17 17 ÚVOD počítačová tomografie, magnetická rezonance, pozitronová emisní tomografie aj.). Pokus (experiment) zkoumání fyziologických a patologických jevů za kontrolovaných a řízených podmínek, v souladu se zákonnými a podzákonnými předpisy (viz Fyziologie I Praktická cvičení); základ experimentu: teorie, hypotéza, tj. vytyčení předpokladu, resp. stanovení cíle, provedení pokusu, hodnocení výsledků; podmínkou efektivnosti experimentu: správné uspořádání (design) experimentu (tj. omezení vlivu rušivých faktorů, objektivní určení zákonitého a nahodilého aj.); druhy experimentů: in vivo, in vitro, in ovo, in silico (simulace pomocí počítačových programů), ex vivo, akutní, chronické. Modelování je napodobování vybraných vlastností originálu (skutečného objektu) na modelu v souladu se zákonnými a podzákonnými předpisy (viz Fyziologie I Praktická cvičení); vyšší forma zkoumání: složitější vztahy uvnitř zkoumaného procesu i mezi procesy; teoretický základ, hypotéza, provedení (viz pokus); druhy modelů: poznávací (poznávání podstaty originálu), verifikační (ověřování shody/neshody mezi modelem a originálem), neživé (matematické, počítačové), živé (buněčné kultury, embrya, zvířata, lidé). Významné postavení v současném medicínském výzkumu zaujímají animální modely, což zvyšuje roli veterinární medicíny v tomto výzkumu VZTAH FYZIOLOGIE K OSTATNÍM DISCIPLÍNÁM Biologie: fyziologické děje stejné principy (biologické zákonitosti) Biochemie: znalost molekulárních základů fyziologických procesů předpoklad poznání fyziologických procesů na subcelulární, celulární, tkáňové, orgánové a systémové úrovni Patologická fyziologie: znalost funkcí ve zdravém organismu předpoklad poznání patologických procesů Farmakologie: znalost funkčních principů působení léčiv základ účinnosti terapie Klinická medicína: klinická (patologická) fyziologie teoretický základ pro etiopatogenezi (příčiny a mechanismy) patologických procesů a nemocí Klinická laboratorní medicína: klinická fyziologie teoretický základ pro interpretace laboratorních nálezů

18 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO BUŇKA Funkce organismu lze hodnotit na různých úrovních: buněčné, tkáňové, orgánové, orgánově systémové a na úrovni celého organismu, dnešní techniky dovolují hodnotit funkce i na úrovni součástí buňky (organel); funkce se uskutečňují v dynamické jednotě se stavbou tkání, orgánů, organismu (tzn. stavba a funkce se vzájemně ovlivňují). Aktivace buňky znamená její zvýšenou metabolickou aktivitu (zvýšení obsahu lyzosomálních enzymů), zvýšenou expresi povrchových receptorů, zvýšené uvolňování mediátorů. Senzibilita buňky znamená její schopnost vnímat podněty, tj. zachycovat informace a převádět je do jiného souboru znaků STAVBA A FUNKCE ZÁKLADNÍCH KOMPONENT BUŇKY Buňka (cellula) je chápána jako 3D struktura a základní (semiautonomní) jednotka mnohobuněčných organismů, která může existovat samostatně, jedna nebo více buněk vytváří organismus (nebuněčné organismy viry jsou na buňkách závislé); buňky jsou uspořádány podle daného plánu; podle funkce se rozlišuje 5 základních typů buněk: nervové, svalové, epitelové, pojivové, krevní (nejpočetnější buněčná populace); celkový počet vlastních buněk organismu činí řádově až10 13, k tomu jen třeba přičíst řádově buněk mikrobiomu (bakterií) (např. v 1 ml bachorové tekutiny je až bakterií a 200 až nálevníků); buňka se vyznačuje: základními životními funkcemi, tj. schopností dělení (autoreprodukcí), přeměnou látek (metabolismem), autoregulací, mechanismem přenosu genetické informace (replikace DNA, transkripce, translace); k transportu proteinů, organel aj. slouží buňce molekulární motory, pro něž je zdrojem energie ATP: molekulární motory jsou vlastně ATPázy, patří sem např. dyneiny, kineziny, dynamin, myoziny (myozin I má jednu hlavu, myozin II má dvě hlavy), transportní dráhou jsou mikrotubuly nebo mikrofilamenta; CZ.1.07/2.2.00/

19 19 BUŇKA buňky spolu vzájemně komunikují, vzájemná komunikace je umožněna vlastnostmi samotné buňky (jejího povrchu) a mezibuněčné hmoty; živočišná buňka je složena z funkčních struktur buněčných organel: Buněčné jádro (nucleus) je ústřední součástí buňky; obsahuje chromatin, genetickou informaci, jadérko a karyoplazmu, chromatin je komplex deoxyribonukleové kyseliny (DNA) a proteinů, rozlišují se dva typy chromatinu heterochromatin (je to kondenzovaný spiralizovaný genetický materiál) a euchromatin (je despiralizovaný), během dělení buňky je chromatin uspořádán do chromosomů, genetická informace (malá část je v mitochondriích), je složena z jednotek genů, geny jsou vázány na DNA (lokusy), v jádře je vlákno DNA sbaleno kolem center tvořených histony (bazickými proteiny), čímž vznikají útvary nazývané nukleosomy, další vrstva informací je kódována v epigenetických značkách (jsou to např. metylové skupiny, -CH 3 ),

20 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 20 účinkem faktorů vyvolávajících stres (stresorů) může dojít ke změnám těchto značek nebo jejich odstranění; jádro je obklopené jaderným obalem (karyotékou), tvořeným dvěma fosfolipidovými membránami, vnitřní je vlastní jadernou membránou (karyolema), zevní je membránou endoplazmatického retikula, mezi vrstvami jsou perinukleární cisterny, membrána je propustná jen pro ionty a malé molekuly, obsahuje ale póry, přes které se transportují proteiny a mediátorová kyselina ribonukleová (mrna), transport zajišťují proteiny označované importiny a exportiny, transport řídí protein Ran (Ras-related nuclear protein); funkce: řízení a kontrola činnosti celé buňky, regulace buněčného cyklu, syntéza RNA (má nezastupitelnou úlohu v přenosu genetické informace a syntéze proteinů), přenos a exprese genetické informace: CZ.1.07/2.2.00/

21 21 BUŇKA Jadérko (nucleolus) je vlastně část chromatinu; v některých buňkách je jadérek více; je bohaté na RNA; funkce: přepis (transkripce) ribosomální RNA. Centrosomy jsou struktury poblíž jádra; jsou tvořené dvěma centriolami, což jsou krátké válcovité útvary; centrosomy jsou centra organizující mikrotubuly obsahující protein γ-tubulin, tyto mikrotubuly mají význam při buněčném dělení (vytvářejí dva póly mitotických vřetének). Ribosomy jsou sférické útvary, složené z malé a velké podjednotky; jsou buď součástí drsného endoplazmatického retikula; nebo jsou volně v cytoplazmě; obsahují: tři typy RNA (mediátorovou mrna, transferovou trna, ribosomální rrna) a proteiny; funkce: ribosomy vázané na endoplazmatické retikulum: syntéza transmembránových proteinů, ribosomy volné: syntéza cytoplazmatických proteinů (např. hemoglobinu); ribosomy navázané na řetězec mrna tvoří shluky označované polyribosomy (polysomy). Endoplazmatické retikulum (EPR) je systém vzájemně propojených protáhlých váčků (tubulů) opatřených membránou, drsné (granulární) EPR má navázané ribosomy, hladké (agranulární) EPR je bez ribosomů; obsahuje řadu enzymů; funkce: drsné EPR syntéza proteinů, hladké EPR syntéza steroidních hormonů, detoxikace škodlivých látek (hydroxylací, tj. vnášením hydroxylu OH - do sloučeniny za účasti enzymů); za stresových podmínek není část aminokyselin poskytnuta pro syntézu proteinů tzv. EPR stres, EPR stres hraje roli při vzniku některých nemocí (chronických onemocnění dýchacích cest, ulcerativního zánětu tračníku, diabetes mellitus 2. typu aj.), kancerogeneze či poruch metabolismu (např. u dojnic); EPR je v buňkách kosterního a srdečního svalu v podobě sarkoplazmatického retikula. Golgiho aparát (Golgiho komplex) je soubor lamel nebo cisteren, u buněk eukaryont je jeden nebo i více; tvoří přechod mezi EPR a cytoplazmou;

22 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 22 funkce: úprava proteinů syntetizovaných ribosomy, syntéza polysacharidů a glykoproteinů, podíl na vzniku sekrečních granul (jsou původem produkty EPR). Lyzosomy jsou sférické útvary, opatřené membránou, přítomné v Golgiho aparátu, obsahují četné enzymy a také fragmenty jiných buněk; lyzosomy jsou např. granula granulocytárních leukocytů nebo -granula trombocytů; funkce: po pohlcení cizorodé částice fagosomem vytvářejí fagolyzosom (viz také kap. I/7.3.1), štěpení pohlcených cizorodých makromolekul (lyzosomy představují trávicí aparát buňky), tyto lyzosomy se označují heterolyzosomy, část štěpných produktů se absorbuje a část se vyvrhne ven exocytózou, v lyzosomech můžou být i opotřebené části vlastní buňky, takový útvar se nazývá autofagická vakuola (viz dále), tyto lyzosomy se označují autolyzosomy, při apoptóze lyzosomy rozkládají rezidua buňky. EPR, Golgiho aparát, lyzosomy se můžou zapojit do procesu autofagie. V buňce se vytváří autofagosom, který splývá s lyzosomy. V tomto vnitrobuněčném útvaru pak dochází k likvidaci a recyklaci poškozených látek (např. obtížně degradovatelných proteinů) a také některých organel (např. mitochondrií). Peroxisomy jsou sférické útvary, opatřené membránou, obsahují četné enzymy; tvoří se v EPR; funkce: antioxidační obrana, podíl na štěpení mastných kyselin s dlouhým řetězcem. Acidokalcisomy jsou organely opatřené membránou; jsou přítomné zejména v krevních destičkách, žírných buňkách aj.; obsahují vápenaté ionty, polyfosfáty (soli polyfosforečných kyselin); funkce: regulace osmotického tlaku. Mitochondrie jsou tyčinkovité nebo zrníčkovité struktury, obsahují četné enzymy; jejich aktivitou dochází k: záchytu energie při oxidacích, uchování energie ve formě vysokoenergetických sloučenin; nejvíce je jich vždy v části buňky s největší potřebou energie; jsou tvořeny vnější a vnitřní membránou, mezi nimi je mezimembránový prostor, prostor směrem dovnitř od vnitřní membrány se označuje mitochondriální matrix, vnější membrána, je propustná pro metabolity, obsahuje cholesterol a enzymy, které katalyzují oxidační děje, vnitřní membrána vytváří kristy (záhyby) nebo tubuly (u mitochondrií syntetizujících steroidní CZ.1.07/2.2.00/

23 23 BUŇKA hormony, tj. v kůře nadledvin, pohlavních žlázách), je selektivně propustná, obsahuje malé množství cholesterolu, dále enzymy (NADH-dehydrogenázu, sukcinátdehydrogenázu, cytochrom bc 1, cytochromoxidázu aj.), které katalyzují metabolizaci sacharidů, proteinů a lipidů na CO 2 a H 2 O, do vnitřní membrány je vestavěn dýchací řetězec, což jsou molekuly podílející se na buněčném dýchání (viz dále); mají svoji vlastní DNA (mtdna), mtdna má význam pro regulaci některých součástí oxidativní fosforylace, v mtdna jsou časté mutace 10 častější než v jaderné DNA, což souvisí s nižší účinností, resp. absencí reparačních enzymů; funkce: podíl na buněčném dýchání, které zahrnuje: glykolýzu (štěpení glukózy, uskutečňuje se ale v cytosolu), cyklus kyseliny citronové (uskutečňuje se v mitochondiích), dýchací řetězec a oxidativní fosforylaci (uskutečňuje se v mitochondriích), při buněčném dýchání je produkována energie ve formě ATP až 38 molekul ATP: většina energie vznikající při oxidaci základních živin (sacharidů, tuků, proteinů) je v mitochondriích jako tzv. redukční ekvivalenty (H, e - ), ty jsou odebírány molekulou NAD + (nikotinamidadenindinukleotidu) a prostřednictvím vzniklého NADH putují do dýchacího řetězce, zde postupují po spádu redox přenašečů k reakci s kyslíkem za vzniku H 2 O,

24 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 24 produkce energie v mitochondriích ve formě ATP činí přibližně 36 molekul (34 ATP dýchací řetězec a oxidativní fosforylace, 2 ATP cyklus kyseliny citronové), ATP je využíván jako zdroj energie pro transport látek přes membránu, látkové syntézy, mechanickou práci (svaly) atd. v mitochondriích hepatocytů vznikají z acetyl-coa, tvořeného β-oxidací mastných kyselin, ketolátky (acetoacetát, β-hydroxybutyrát a aceton), které jsou využívány organismem jako zdroj energie (proces tvorby ketolátek se označuje ketogeneze), tamtéž probíhá ureosyntetický cyklus (část), NH HCO ATP karbamoylfosfát + 2ADP + P i, karbamoylfosfát + ornitin citrulin + P i, přičemž P i = anorg. fosfát; při poruše funkce mitochondrií vznikají mitochondriální nemoci, člení se na: primární, příčina mutace, šíří se po samičí linii, sekundární, příčiny deficit kyslíku (hypoxie), podvýživa, virové infekce, otravy, hormonální dysbalance aj., klinicky se rozdělují na: mitochondriální kardiomyopatie, mt. encefalopatie, mt. myopatie, mt. hepatopatie, mt. nefropatie, patofyziologicky se rozdělují na poruchy: dýchacího řetězce (např. cytochromoxidázy aj.), utilizace substrátů (cyklu karnitinu), oxidativní fosforylace, citrátového cyklu, etc., projevy závisí na postiženém orgánu (poruchy srdečního rytmu, svalová slabost, poruchy funkce jater, křeče, obrny aj.). Vezikuly jsou intracelulární váčky ohraničené fosfolipidovou membránou; oddělují se z Golgiho komplexu, EPR nebo cytoplazmatické membrány procesem exocytózy, vznik váčků je zprostředkován proteiny, označovanými adaptiny, transport váčků je umožněn dalšími proteiny, např. klathrinem, které interagují s membránovými receptory; funkce: slouží ke skladování, transportu, příp. i trávení některých organických látek. Cytoskelet je systém vlákének, který udržuje strukturu buňky (tvoří její kostru ), ale současně dovoluje, aby měnila svůj tvar a příp. se pohybovala; je tvořen mikrotubuly, intermediárními filamenty a mikrofilamenty, mikrotubuly jsou tvořeny proteinovými podjednotkami - a β-tubulinem, jsou vlastně drahami, kterými jsou transportovány sekreční granula a mitochondrie z jedné části buňky do druhé, vytvářejí také párové struktury označované centrioly, které se spolu s okolím označují centrosom (viz výše), CZ.1.07/2.2.00/

25 25 BUŇKA centrosom zajišťuje vznik dělícího vřeténka, dělící vřeténko se vytváří v průběhu dělení buněčného jádra (viz kap. I/2.3), intermediární filamenta jsou jakýmsi plastickým lešením pro buňku, pomáhají buňce odolávat mechanickému tlaku zvenčí, vytvářejí spojení mezi jadernou a buněčnou membránou, patří mezi ně keratiny v epitelech, desmin v hladkosvalových buňkách a v Z liniích kosterního a srdečního svalu, neurofilamenta v neuronech, gliový kyselý fibrilární protein v astrocytech (GFAP, glial fibrillary acidic protein), mikrofilamenta jsou tvořena aktinem, navazují na různé části cytoskeletu a představují kontraktilní aparát buňky, podílejí se na pohybech buněk a složek cytoplazmy, kontrakci svalových buněk a mikroklků, endo- a exocytóze aj. Buněčná membrána je dvouvrstevná struktura ohraničující tělo buňky, je také označována cytoplazmatická membrána; reguluje vstup látek do buňky a výstup látek z buňky; je složená z lipidů, proteinů a sacharidů: z lipidů jsou nejvýznamnější fosfolipidy, tvořící dvě vrstvy, přední část molekuly fosfolipidů fosfátová hlava je polární, hydrofilní (water loving), hlavy směřují v membráně ven z buňky nebo dovnitř buňky (do cytoplazmy), tj. do vodného prostředí, zadní část molekuly řetězce mastných kyselin je nepolární, hydrofobní (water hating), tyto řetězce směřují dovnitř membrány, kde je vody málo, její propustnost je dána velikostí látek, jejich rozpustností v tucích a velikostí náboje, fosfolipidová dvojvrstva: rychle propouští vodu, O 2, N 2, CO 2, pomaleji propouští glukózu (větší molekula) a ionty (mají náboj), nepropouští proteiny (velké molekuly s nábojem) a další organické anionty (A - ), do dvojvrstvy fosfolipidů je zanořen cholesterol, proteiny a sacharidy, proteiny jsou do membrány začleněny z vnitřní či vnější strany periferní proteiny, nebo prostupují membránou integrální proteiny, hydrofobní části proteinů nemají náboj a jsou uvnitř membrány, hydrofilní části proteinů mají náboj a jsou na povrchu membrány, proteiny můžou být ukotveny v cytoskeletu nebo se pohybují membránou do stran

26 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 26 (např. receptory), membránové proteiny mají různé funkce: adhezivní molekuly (poutají buňky k sobě navzájem nebo připoutávají buňky k bazálním membránám, resp. bazálním vrstvám), patří sem: (1) integriny (vytvářejí spojení s receptory), (2) imunoglobuliny G (IgG), (3) kadheriny (Ca 2+ -dependentní molekuly), (4) selektiny (tvoří spojení se sacharidy), pumpy (transportní mechanismy, např. Na + /K + -ATPáza), přenašeče (mechanismy transportující látky po jejich elektrochemickém gradientu), iontové kanály (transportní mechanismy, např. Na + -kanály), receptory (vážou hormony, neurotransmitery aj.), enzymy, etc., membránové proteiny: v membráně probíhají dynamické změny (model tekuté mozaiky, dynamický fluidní model), plavou zde membránové rafty, jsou to specializované úseky složené z glykosfingolipidů a proteinů, mají význam právě pro tekutost membrány, transport membránových proteinů a přenos signálních molekul; přes membránu se tedy uskutečňují různé druhy transportu (energii nevyžadující nebo energii vyžadující viz dále); ionty rozložené po obou stranách buněčné membrány vytvářejí v klidových podmínkách klidový membránový potenciál, jeho hodnota je dána rozdílem nábojů (iontů) mezi oběma stranami buněčné membrány (upraveno podle Wellmana a kol., in DiBartola a kol., 2006), CZ.1.07/2.2.00/

27 27 BUŇKA v IC kompartmentu je vysoká koncentrace proteinů, ty nemůžou procházet přes buněčnou membránu a mají negativní náboj (A - ) => negativita IC kompartmentu, tzn. buňka je polarizována; udržování potenciálu: kationty jsou elektricky přitahovány do buňky, ale nemůžou přestoupit kationty sodíku (Na + ), neboť sodík má velký hydratační obal, můžou však přestoupit kationty draslíku (K + ), anionty (Cl - ) jsou negativním ICC odpuzovány, koncentrační spád pohání K + z ICC do ECC: velikost membránového potenciálu závisí na: rozdělení Na +, K + a Cl -, propustnosti membrány pro tyto ionty, aktivitě Na + /K + -ATPázy, aktivitou Na + /K + -ATPázy jsou čerpány 3Na + z ICC a 2K + do ICC, koncentraci nedifuzibilních iontů (A -, tj. proteinů) v buňce, velikost potenciálu lze vypočítat pomocí Goldmanovy rovnice (vychází z IC a EC koncentrací iontů a propustnosti iontů přes membránu), prahový potenciál je úroveň napětí membrány, při níž se otevírají rychlé napěťově řízené kanály pro Na + a dochází k depolarizaci (změně náboje), zatímco hodnota klidového membránového potenciálu se při změně hladiny Ca 2+ nemění, hodnota prahového potenciálu se mění - při snížené hladině kalcia se prahový potenciál posunuje do negativnějších hodnot a nervosvalová dráždivost roste (což se může projevit až křečemi), - snížení koncentrace ionizovaného kalcia (Ca 2+ ) nastává při zvýšení ph krve (např. při hyperventilaci), neboť kalcium se více váže na proteiny (proteiny za vysokého ph více

28 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 28 ionizují, tzn. je k dispozici více proteinových aniontů pro vazbu Ca 2+ ), podle typu buněk činí klidový membránový potenciál -30 až -90 mv; buňky vzrušivých tkání (nervové, svalové) mají v membráně napěťově řízené kanály a můžou po stimulaci měnit klidový membránový potenciál na akční potenciál, který představuje signál předávaný dál; v organismu existují pacemakerové buňky, které neustále mění svoji polaritu (nemají klidový membránový potenciál), např. sinoatriální uzel v srdci, Cajalovy buňky ve střevě, hladká svalovina močovodů. Funkce buněčné membrány (shrnutí): - ochrana buňky před vnějšími vlivy (na vnější straně membrány je glykokalyx, což je jakýsi ochranný film složený z polysacharidů vázaných na membránové proteiny a lipidy), - určování tvaru buňky, - zachování stálosti vnitřního prostředí buňky, - podíl na identitě buňky a její komunikaci (antigeny, receptory), - tvorba a udržování membránového potenciálu. Cilie (řasinky) jsou výběžky buněk, které se člení do několika typů; mají různé funkce, např.: obrannou v horních cestách dýchacích (mukociliární transport), mechanickou pohyb cerebrospinálního likvoru. Většina buněk je obklopena bazální membránou, což je vlastně extracelulární matrix: je složená z kolagenních proteinů, lamininů, fibronektinu, tenascinu, proteoglykanů, její funkce: - spojuje buňky (drží je pohromadě, zprostředkovává přísun vody, živin, elektrolytů aj. látek, ale také odsun metabolitů), - udržuje jejich tvar, přenáší pohyb, - má bariérovou funkci, - detekuje a přenáší chemické signály, - má tedy význam pro diferenciaci (vývoj) a proliferaci (růst) buněk. Prvkové složení buňky lze ho odvodit odvodit od zastoupení v celém organismu; podle výše podílu na hmotnosti organismu se prvky rozdělují na: makrobiogenní (>1 % hmotnosti organismu) vodík, kyslík, uhlík, dusík a fosfor, oligobiogenní (0,05-1 % hmotnosti organismu) vápník, hořčík, síra, sodík, draslík, železo a chlor, mikrobiogenní (<0,05 % hmotnosti organismu) měď, zinek, kobalt, mangan, jod, molybden, selen, chrom (Cr 3+ ); další informace viz kap. I/8 a I/ KMENOVÉ BUŇKY U mnohobuněčných organismů, pohlavně se rozmnožujících, vznikají všechny buňky ze zygoty (oplozeného vajíčka), zygota není ale kmenovou buňkou, neboť není schopna sebeobnovy: CZ.1.07/2.2.00/

29 29 BUŇKA Vysvětlivky: KB = kmenové buňky Kmenové buňky jsou buněčnou populací, schopnou proliferace, sebeobnovy, produkce diferencovaných buněk a regenerace tkání, vyznačují se asymetrickým dělením, které umožňuje jejich zachování sebeobnovu (selfrenewal), a současně diferenciaci do žádaného buněčného typu: schopnost vytvářet specializované buňky různých tkání a orgánů se označuje plasticita, přeměna buňky jedné tkáně v buňku zcela jiné tkáně, spojená se ztrátou specifických znaků a funkcí a nabytím nových znaků a funkcí, se označuje transdiferenciace; systém kmenových buněk má dva charakteristické rysy: stochastickou (náhodnou) diferenciaci, robustnost (mohutnost); Diferencované buňky se člení na: (1) buňky bez schopnosti dělení (neurony, kardiomyocyty, odontoblasty), (2) buňky pomalu proliferující (buňky hladké svaloviny, tubulární buňky ledvin, glie, osteocyty), (3) buňky rychle proliferující (hepatocyty, fibroblasty, epitelové buňky v respiračním systému), (4) buňky velmi rychle proliferující (enterocyty, krvetvorné buňky, kožní epitelie). Proces diferenciace je řízen na základě rozdílné aktivace genů. u živočichů byly identifikovány dvě hlavní skupiny kmenových buněk: embryonální kmenové buňky (ESC, embryonic stem cells), pocházejí z vnitřní buněčné masy blastocysty, jsou pluripotentní (můžou dát vznik více buněčným typům), Pluripotencí se vyznačují také indukované pluripotentní kmenové buňky (ips), které vznikají transdiferenciací somatických buněk. jsou nejlépe popsány u člověka, myši a také některých primátů, byly získány také z blastocysty koček a koní, izolovány byly také např. u psů, skotu, ovcí,

30 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 30 prasat, králíků, norků a kuřat, adultní/somatické kmenové buňky (ASC, adult/somatic stem cells), nacházejí se ve většině tkání dospělého organismu, odpovídají za údržbu a obnovu těchto tkání, jejich specializace do určitých buněčných typů je dána mikroprostředím tkáně, v jakém se nacházejí, jejich plasticita je proti embryonálním kmenovým buňkám limitována, nejlépe charakterizovaná populace ASC jsou hematopoetické (krvetvorné) kmenové buňky; terapeutické využití kmenových buněk je založeno: na jejich identifikaci v místě původu (mikroprostředí, niche), na objasnění signálních drah, které řídí jejich uplatnění v regeneraci tkání, pro veterinární terapie jsou často využívány mezenchymové kmenové buňky, pocházejí z kostní dřeně, a to i z nehematopoetických oblastí, můžou se diferencovat např. do chondrocytů, osteoblastů, svalových buněk, adipocytů a zřejmě můžou i transdiferencovat do buněk endodermálního a neuroendodermálního původu: aplikace se týkají např. pohybového aparátu koní, podpůrné terapie chronických onemocnění kloubů, traumatických a degenerativních onemocnění u psů, z ips buněk již byly získány kardiomyocyty, buňky produkující inzulin, neurony, hepatocyty i fotoreceptory, dosavadní výsledky ukazují jejich potenciál i pro veterinární využití. Souhrnné průkazné výsledky terapeutického využití kmenových buněk ve veterinární medicíně však stále chybějí, jedním z důvodů je aplikace aspirátu z kostní dřeně (nikoliv přímo kmenových buněk), kdy terapeutický efekt může být vázán na růstové faktory (např. destičkový růstový faktor). Rychlý rozvoj technologií a vědy v oblasti kmenových buněk, propojení mezi výzkumem a aplikacemi a sdílení dat z humánní a veterinární oblasti však postupně naplňují perspektivy pro úspěšné buněčné terapie BUNĚČNÝ CYKLUS Buněčný cyklus je několik na sebe navazujících fází buněčného dělení, při nichž se buňka rozdělí na dvě dceřiné buňky, CZ.1.07/2.2.00/

31 31 BUŇKA zahrnuje růst buňky, zdvojení genetického materiálu a jeho distribuci do dceřiných buněk; s výjimkou neuronů a erytrocytů mají tuto schopnost reprodukce všechny druhy buněk; buňky, s výjimkou embryonálních, pohlavních a nádorových buněk, mají mechanismy, které zkracují volné konce chromosomů (telomery), dokud je co zkracovat, a buňky se dále již nedělí (Hayflickův limit), embryonální, pohlavní a nádorové buňky mají enzym telomerázu, která zkrácené telomery po každém dělení prodlužuje; fáze buněčného cyklu: interfáze (90 % celého cyklu), což je příprava na buněčné dělení, je složena z: G1 (Gap 1) fáze: zdvojují se organely, syntetizují se proteiny, buňka zvětšuje svoji velikost, v této fázi může buňka při existenci inhibičních extracelulárních signálů zůstat přejde do klidové fáze G0 (buňky nemetabolizují, nerostou, což může trvat i měsíce), S (syntetická) fáze: zdvojují se chromosomy, replikuje se DNA a syntetizují se specifické proteiny sdružené s DNA, G2 fáze: dochází k syntéze proteinů, M fáze, v níž dochází k rozdělení buňky na dvě dceřiné, zahrnuje: mitózu (probíhá dělení jádra, chromosomy jsou rovnoměrně rozdělené mezi dceřiné buňky), člení se na: (1) profázi dochází ke kondenzaci zreplikovaných chromosomů (složených ze dvou sesterských chromatid), (2) prometafázi jaderný obal se rozpadá, kondenzované chromosomy se svými kinetochory (což jsou proteinové komplexy v centromeře) připojují k mikrotubulům dělícího vřeténka, (3) metafázi chromosomy se seřazují v ekvatoriální rovině vřeténka, uprostřed mezi jeho póly, sesterské chromatidy se připojují k opačným pólům vřeténka, (4) anafázi sesterské chromatidy se oddělují, vřeténko se zkracuje, dceřiné chromosomy se přesouvají k opačným pólům vřeténka, póly vřeténka se oddalují chromosomy se oddělují, (5) telofázi dceřiné chromosomy dosáhnou pólů vřeténka, dochází k jejich dekondezaci, vytváří se nový jaderný obal a každá sada chromosomů se tak uzavírá, cytokinezi (cytoplazmatické dělení), následuje brzy po mitóze: cytoplazma se rozdělí do dvou dceřiných buněk na základě stahu kontraktilního prstence, tvořeného proteiny aktinem a myozinem II (zajišťuje právě stah);

32 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 32 fáze buněčného cyklu: Vysvětlivky: viz text regulace buněčného cyklu: u eukaryotických buněk je průběh buněčného cyklu řízen regulačními proteiny, které jsou uspořádány do komplexní sítě, k regulaci se vyvinul systém kontrolních bodů, jsou to místa buněčného cyklu, kde se kontroluje, zda průběh cyklu je normální, G1-kontrolní bod: kontrolovány jsou velikost buňky, DNA, G2-kontrolní bod: kontrolována je úplnost replikace před vstupem do mitózy, M-kontrolní bod (metafázový kontrolní bod): kontrolována je správnost připojení chromosomů k vřeténku, v případě, že průběh cyklu není normální, cyklus se v tomto bodě zastaví, buď dojde k reparaci, nebo k apoptóze, kontrola je založena na aktivitě enzymů proteinkináz závislých na proteinech cyklinech, které se v průběhu dělení cyklicky syntetizují a degradují, tyto enzymy se proto označují cyklin-dependentní kinázy (Cdk), aktivita Cdk je regulována Cdk aktivujícími proteiny a inhibována Cdk inhibičními proteiny, u mnohobuněčných organismů existuje k regulaci buněčného cyklu síť extracelulárních signálů: stimulační signály: (1) stimulují dělení buněk eliminací molekul, které brzdí buněčný cyklus ve fázi G1, např. destičkový růstový faktor (PDGF, platelet derived growth factor), epidermální růstový faktor (EGF, epidermal growth factor) aj., (2) stimulují dělení buněk zintenzivněním syntézy proteinů a inhibicí jejich degradace, např. neuronální růstový faktor (NGF, nerve growth factor), blokují apoptózu, inhibiční signály: inhibují buněčné dělení, např. faktor nekrotizující tumory (TNF, tumor necrosis factor ), transformační růstový faktor (TGF, transforming growth factor ). CZ.1.07/2.2.00/

33 33 BUŇKA 2.4. ZÁNIK BUNĚK Vysvětlivky: RF = růstový faktor Existují dva základní způsoby zániku buněk apoptóza a nekróza Apoptóza Apoptóza představuje: mechanismus buněčné smrti (heterofagie, buněčná sebevražda ); všechny buňky mnohobuněčného organismu jsou naprogramovány k sebedestrukci, přežívání buněk je umožněno potlačením tohoto programu, program je naopak aktivován: při nedostatku pozitivních signálů (např. růstových faktorů) nebo neodpovídavosti na ně, při nadbytku negativních signálů (signálů buněčné smrti); je způsobena aktivací geneticky kódovaných biochemických drah, 2 cesty aktivace: vnější je vyvolána extracelulárními podněty (např. faktory nekrotizujícími tumory, TNF, tumor necrosis factors), je zprostředkována membránovými receptory, vnitřní podnětem je oxidační stres (viz kap. I/4.3 a I/10.3), tepelný šok aj., je zprostředkována přes mitochondrie, příp. endoplazmatické retikulum, na membránových receptorech je nezávislá; efektorem jsou enzymy kaspázy, které aktivují endonukleázy (štěpí DNA), degradují organelové membrány, hydrolyzují buněčné proteiny; sled změn při apoptóze: změny morfologické: agregace chromatinu, kondenzace cytoplazmy, svraštění jader, membránové protuberance,

34 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 34 tvorba apoptotických tělísek, Buněčná membrána je intaktní nedochází proto ke stimulaci imunitního systému. změny biochemické: (jde o procesy závislé na energii): acidifikace jádra, regulovaná aktivace enzymů (kaskády kaspáz): Vysvětlivky: L = ligand, R = receptor, Apaf-1 = apoptotic proteinase activating factor 1, faktor aktivující apoptotické proteinázy degradace proteinů na podkladě ubikvitinace, Ubikvitin je malý protein, který označí poškozené proteiny odbourávané v proteasomu, tj. proteinovém útvaru v cytosolu. Proces označování (připojování) je složen z několika kroků katalyzovaných enzymy a vyžaduje energii v podobě ATP. Nakonec je ubikvitin enzymově uvolněn a znovu využit. poruchy DNA (fragmentace), smrt jednotlivých buněk, fagocytóza, - na povrchu buněk je specifický protein, který buňku chrání před vlastními fagocyty nebo NK-buňkami, - tento protein je rozpoznáván specifickým tlumivým receptorem na povrchu fagocyta, - je-li specifický protein v dostatečném množství, zesiluje vazba specifického proteinu k tlumivému receptoru a fagocyt je tak inhibován, - avšak v případě apoptózy je specifického proteinu málo, k inhibici fagocyta proto nedojde a buňka je pohlcena bez zánětové odpovědi: CZ.1.07/2.2.00/

35 35 BUŇKA norma kondenzace cytoplazmy fragmentace apoptotická tělíska změny na jádře (se zachovanými mitochondriemi) apoptóza je zprostředkována buňkami: cytotoxickými T-lymfocyty (obsahují enzym granzym B a glykoproteiny perforiny), NK-buňkami (natural killers, přirození zabíječi, obsahují rovněž granzym B a perforiny), LAK-buňkami (lymphocyte activeted killers, zabíječi aktivovaní lymfocyty T, resp. jimi produkovanými cytokiny); apoptóza je regulována: faktory nekrotizujícími tumory, prostaglandiny E (PGE), oxidem dusnatým (NO), reaktivními formami kyslíku (ROS, reactive oxygen species), Ca 2+, genem Bcl-2 (brání apoptóze, např. u lymfomů člověka) aj.; apoptóza může probíhat jako fyziologický proces, tzn. vyskytuje se v normálních tkáních, např. při: embryogenezi separace prstů, tvorba cév a vývodů, vývoji nervového systému, fyziologických atrofiích, involuce thymu, vaječníkových folikulů, děložní sliznice a mléčné žlázy po říji, stárnutí buněk; při všech těchto dějích dochází během několika hodin k eliminaci buněk nepotřebných, nadbytečných nebo transformovaných; apoptóza jako indukovaný proces, např.: zářením, tepelným šokem, chemicky včetně léků (cisplatinou, doxorubicinem), glukokortikoidy, viry (adeno-, herpesviry), metabolicky (deficitem energie), geneticky ( geny smrti, např. c-myc); onemocnění spojená s poruchou apoptózy:

36 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 36 Onemocnění spojená s inhibicí apoptózy nádory - některé lymfomy, některé karcinomy (plic), tumory prostaty, vaječníků, mléčné žlázy autoimunitní nemoci - systémový lupus erythematosus, záněty ledvin, záněty štítné žlázy, revmatoidní zánět kloubů aj. virové infekce - adeno-, herpesviry Onemocnění spojená se stimulací apoptózy imunodeficience neurodegenerativní onemocnění - předčasná apoptóza neuronů u člověka (Alzheimerova nemoc, Parkinsonova nemoc), masivní apoptóza Purkyněho buněk u koně (cerebelární kortikální abiotrofie) degenerace oční sítnice psinkový komplex, respirační syndrom prasat (efekt virů) myelodysplastický syndrom (heterogenní skupina onemocnění s hypercelulární kostní dření a inefektivní hematopoézou) ischemická poškození poruchy jater intoxikace Nekróza Nekróza je patologická (a náhodná) smrt buněk; sled změn při nekróze: změny morfologické: ztráta integrity buněčné membrány, shlukování chromatinu, zduření organel (mitochondrií), dezintegrace organel, kompletní lýza (bez tvorby váčků, tělísek), změny biochemické: porucha syntézy ATP ( deficit energie), porucha iontových rovnováh, degradace proteinů, poruchy DNA (náhodná fragmentace), smrt skupin buněk, fagocytóza (reziduí buňky), => signifikantní zánětová odpověď: CZ.1.07/2.2.00/

37 37 BUŇKA norma poškození vratné poškození nevratné rozpad buňky (mj. změny na mitochondriích) 2.5. KOMUNIKACE MEZI BUŇKAMI Podstatou mezibuněčných komunikací jsou přenosy signálu mezi buňkami, Signál je forma energie, hmotný nosič informace. Signály můžou působit na různou vzdálenost, každá buňka odpovídá na omezený počet signálů, jeden signál může působit odlišně na různé cílové buňky. umožňují, regulují a řídí růst, vývoj a organizaci tkání, orgánů a organismu; představují základní mechanismus pro zajištění homeostaze; buněčný trade-off probíhá na úrovni: energie, živin, vody, iontů aj. informací; druhy mezibuněčných komunikací: kontakt zprostředkovaný elektrickým polem: elektrický gradient v nervových buňkách (viz kap. II/11.1.1), transmitery (viz kap. I/ a II/11.1.3): v synapsích neurony navzájem nebo neuron + svalová buňka, kontaktní: těsné spojení (zonula occludens), skulinové/mezerovité spojení (gap junction):

38 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 38 přiblížení zevních listů membrán na vzdálenost 2-3 nm, neúplné uzavření štěrbiny mezi zevními listy membrán, např. nexy v myokardu, pravé těsné spojení (tight junction): téměř úplné splynutí zevních listů membrán, např. sliznice střeva, žaludku, zpevňující kontakt, adhezní spojení (zonula adherens), volné přiblížení zevních listů membrán, jejich spojení adhezními proteiny, označovanými kadheriny, asymetricky rozdělujícími štěrbinu, zpevnění pomocí filament z aktinu, např. epitelie, desmosom (macula adherens), široký mezibuněčný prostor (40-50 nm), spojení zevních listů membrán pomocí adhezních proteinů (kadherinů) symetricky rozdělujících štěrbinu, přítomná intermediární filamenta, např. v kůži, juxtakrinní, jedna buňka má např. na transmembránových proteinech zakotvený transformační růstový faktor (TGF, transforming growth factor) a druhá buňka má receptory pro TGF vznikne tak vazba mezi TGF a receptorem pro TGF, distanční: autokrinní, signální molekula působí na svého producenta, je přiváděna tkáňovým mokem, např. cytokiny (interleukiny aj.), parakrinní, signální molekula působí na buňku v nejbližším okolí, je přiváděna tkáňovým mokem, např. oxid dusnatý, endokrinní, signální molekula působí na vzdálenější buňky, je přiváděna krví, např. hormony žláz s vnitřní sekrecí, CZ.1.07/2.2.00/

39 39 BUŇKA předpoklady úspěšné distanční komunikace: vysílající buňka musí: syntetizovat signální molekulu (ligand), vystavit ji na buněčné membráně nebo transportovat ji do mezibuněčného prostoru či krevního řečiště, přijímací buňka musí být schopná: přijmout signál (mít receptor), reagovat na signální molekulu (transdukce signálu); Při mezibuněčných kontaktech můžou buňky (dendritické buňky vs. T-lymfocyty) vytrhávat části membrány sousední buňky a tak si vyměňovat některé povrchové molekuly, což se označuje trogocytóza. přenos signálu přes buněčnou membránu se děje prostřednictvím: signálních molekul: oxid dusnatý (NO) NO stimuluje v cílové buňce guanylátsyntázu syntéza cgmp předání signálu relaxace hladké svaloviny, aktivace makrofágů etc., cytoplazmatických (cytosolových) receptorů, s nimiž interagují hydrofobní/lipofilní molekuly (procházejí membránou): steroidní hormony (gluko-, mineralokortikoidy, androgeny, estrogeny, progesteron), účinky viz kap. II/10, tyreoidální hormony (trijodtyronin, tyroxin), účinky viz kap. II/10, retinoidní molekuly (tj. podobné vit. A), účinky viz kap. I/13.5,

40 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 40 aktivní metabolity vit. D, účinky viz kap. II/8, II/10, fibráty (tj. deriváty kyseliny fibrové), aktivace receptorů označovaných PPAR (peroxisome proliferator-activated receptors), membránových receptorů, přičemž navázání ligandu: změna konformace receptoru přenos změny (signálu), tj. transdukce signálu do buňky, zde šíření prostřednictvím druhých poslů - hydrofobních molekul (diacylglycerolu), - hydrofilních molekul (camp, cgmp), - iontů (Ca 2+ ), - plynů (NO), - enzymů (proteinkináz); membránové receptory jsou spojené s iontovými kanály, tj. rychlá signalizace na základě elektrického signálu (neurony), - kationtové kanály, -- nikotinový acetylcholinový receptor (zevně je jeho agonistou nikotin, zevnitř acetylcholin) ve svalech nebo v nervovém systému (zejména pro Na + ), -- receptory pro excitační aminokyseliny (pro glutamát), - aniontové kanály -- glycinový receptor (pro Cl - ), G-proteiny, tj. signalizace na základě regulace G-proteinů -- receptory pro acetylcholin, adrenalin, dopamin, kyselinu -aminomáselnou, GABA, enzymy, tj. většinou proteinkinázy uplatňující se ve fosforylacích, -- inzulinový receptor, receptory pro růstové faktory (tyrozinkinázová aktivita), -- receptory pro natriuretické peptidy (guanylátcyklázová aktivita). Přenos signálu mezi organismy stejného nebo jiného druhu: - feromony (chemické látky ovlivňující chování, příp. vývoj daného druhu), -- vábící látky, -- odpuzující látky, - feromony jsou detekovány vomeronazálním orgánem (Jacobsonovým orgánem, viz kap. II/11.3.1). Vedle této chemické komunikace je uplatňována komunikace dotyková (kontaktní), zvuková (akustická) a zraková (vizuální, optická) MEMBRÁNOVÝ TRANSPORT Membrány jsou obecně morfologicko-funkční struktury, dělí se na: membrány cytoplazmatické a organelové, membrány vrstevnaté (epitely, endotel); skladba membrán viz kap. I/2.1; CZ.1.07/2.2.00/

41 41 BUŇKA funkce (z pohledu transportu): vytvářet, udržovat, měnit koncentrace látek mezi oddíly (kompartmenty) obsahujícími vodu. Transport (přeprava, přesun, přestup) je pohyb substancí (atomů, molekul, iontů): přes buněčnou membránu transcelulární (membránový) transport, mezi buňkami (limitován druhem mezibuněčného kontaktu) paracelulární transport; stanovení účinnosti transportu znamená určení hnací síly, směru, vlivů působících na transport (velikost látek, jejich rozpustnost, náboj); hlavní význam je v/při: činnosti kardiovaskulárního systému, procesech během respirace, absorpci a sekreci v gastrointestinálním traktu, filtraci, resorpci a sekreci v uropoetickém systému, kontrakci svalů, procesech v systému vnitřní sekrece, vzniku a přenosu vzruchů; membránový transport podle energetických požadavků primárně aktivní, tj. proti elektrochemickému nebo koncentračnímu gradientu, využita volná energie z hydrolýzy ATP: ATPázy (pumpy), např. Na + /K + -ATPáza energie z 1ATP => 3Na + z buňky a 2K + do buňky odstranění jednoho kladného náboje z buňky (vytváří tak klidový membránový potenciál), vysoká rychlost transportu (ale kanály vyšší), aktivita je regulována koncentrací sodíku ( koncentrace aktivita) a teplotou ( teplota aktivita), K inaktivaci Na + /K + -ATPázy dochází při otravách (např. dinitrofenolem rozpojuje oxidativní fosforylaci). Inaktivována je také při hyperkalemické periodické paralýze koní (u plemen quater horse a appaloosa). Ca 2+ -ATPáza zajišťuje přesun Ca 2+ mezi cytosolem a endoplazmatickým (sarkoplazmatickým) retikulem a také přes cytoplazmatickou membránu, H + /K + -ATPáza zajišťuje přesun H + z buňky do lumen žaludku výměnou za K +, jenž je transportován do buněk žaludeční sliznice, nebo zajišťuje výměnu H + a K + v proximálním tubulu ledvin,

42 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 42 sekundárně aktivní, využita energie ze spřažení s transportem jiné látky, symport (kotransport), spolu s Na + např. glukóza z lumen střeva do enterocytu (přenašeč SGLT, sodium glucose like-transporter) nebo jodid z krevní plazmy do koloidu štítné žlázy (transport v těchto případech pohání Na + /K + -ATPáza tím, že vytváří gradient pro Na + ), antiport, např. H + v tubulech ledvin proti Na + nebo Ca 2+ v enterocytech proti Na +, (Na + /K + -ATPáza vytváří v těchto případech gradient pro Na + ), pasivní, tj. podle elektrochemického nebo koncentračního gradientu, tzn. nevyžaduje energii, prostá difuze solutů (viz dále), usnadněná (facilitovaná) difuze (využívá přenašeče, tj. transportní proteiny, viz dále), filtrace (tvorba primární moči, viz kap. II/6.2.1), osmóza vody (viz dále); membránový transport podle typu látek a směru pohybu uniport je transportován jen jeden typ látek, symport látky jsou transportovány stejným směrem, příkladem je SGLT provádí transport glukózy a Na + (viz výše), CZ.1.07/2.2.00/

43 43 BUŇKA antiport látky jsou transportovány v opačném směru (viz výše), příkladem jsou Na + /K + -ATPáza a H + /K + -ATPáza; membránový transport podle způsobu (forem) přestupu prostá difuze lipofilní látky (mastné kyseliny, cholesterol, steroidní hormony, tyreoidální hormony, vitaminy rozpustné v tucích), neutrální látky s nízkou molekulovou hmotností (CO 2, O 2 ), hydrofilní látky a větší molekuly (procházejí ale pomalu), Ionty nemůžou prostou difuzí projít, i když jsou malé, protože mají velký hydratační obal a navíc mají náboj. iontové kanály spojují přímo vnější a vnitřní prostředí buňky, transport iontů (mají náboj volně tedy neprojdou, proto kanály) a transport vody, selektivita kanálu je dána jeho průměrem, tvarem a typem aminokyseliny ve vnitřní části kanálu, transport probíhá velmi rychle, druhy: otevřené kanály (póry): umožňují volný pohyb iontů oběma směry, otevřené kanály pro transport vody se nazývají akvaporiny (viz také kap. I/8.2.3), vrátkové kanály: součástí kanálu je speciální proteinová oblast, tzv. vrátka uzavírají vstup do kanálu, otvírání vrátek je vyvoláno: - elektrickým signálem, - vazbou chemického mediátoru (ligandu), - mechanicky (tlakem): TRP (transient receptor potential) iontové kanály jsou aktivovány podněty z okolního prostředí světlem, teplem, chladem, tlakem. Uplatňují se zejména v senzorickém systému (viz kap. II/11) při transdukci teplotních, tlakových změn, chuťových podnětů, feromonů, ale také při transportu hořčíku (viz kap. I/8.3.6) aj.

44 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 44 přenašeče (transportéry) vyžadují energii = aktivní transport (pumpy), nebo nevyžadují energii = pasivní transport (usnadněná difuze, transport probíhá po koncentračním spádu), nespojují přímo vnější prostředí s vnitřním, vyskytují se ve dvou konformacích jsou otevřeny buď ven z buňky, nebo dovnitř buňky, transportují i větší molekuly (glukózu), glukóza je přenášena pomocí glukózových transportérů označovaných GLUT, Hlavní typy Lokalizace GLUT 1 mozek, erytrocyty, ledviny, placenta (jejich metabolismus je na glukóze závislý) GLUT 2 hepatocyty, β-buňky pankreatu, enterocyty, buňky proximálního tubulu ledvin, zajišťuje i transport fruktózy a galaktózy v tenkém střevě (na bazolaterálním pólu enterocytu) GLUT 3 viz GLUT 1 GLUT 4 myokard, kosterní sval, tuková tkáň (jeho exprese závisí na zvýšení koncentrace inzulinu v krevní plazmě, což nastává po příjmu potravy) GLUT 5 tenké střevo (na apikálním pólu enterocytu) GLUT 6 mozek, leukocyty GLUT 7 endoplazmatické retikulum transport přenašeči je pomalejší, ale vysoce selektivní, skupinová translokace na jedné straně membrány se enzymem pozmění přenášená molekula usnadnění (facilitace) transportu, na druhé straně membrány enzymově proběhne opačná reakce, např. transport aminokyselin pomocí membránového enzymu γ-glutamyltransferázy (GGT) (podstatou je navázání transportované aminokyseliny na aktivní centrum GGT, které je na vnější straně membrány, na aminokyselinu je přenesen γ-glutamyl a vzniklý dipeptid je na vnitřní straně membrány uvolněn do cytoplazmy), prostřednictvím váčků (útvarů s lipidovou membránou) endocytóza transport do buňky, fagocytóza (pevné částice, proto také označení buněčné pojídání ), pinocytóza (tukové částice, roztoky, proto také buněčné pití ), exocytóza transport do extracelulární tekutiny, jsou nutné Ca 2+, energie a transportní proteiny, zvláštním druhem exocytózy je emiocytóza, jejíž podstatou je splynutí membrány granul s cytoplazmatickou membránou (tento způsob se uplatňuje u vylučování inzulinu, glukagonu, některých gastrointestinálních hormonů) (viz kap. II/3.6.2, II/10.4.6, II/10.4.9); CZ.1.07/2.2.00/

45 45 BUŇKA přehled membránového transportu (příklady) Klasifikace podle způsobu přestupu přímo přes membránu prostřednictvím specializovaných membránových proteinů prostřednictvím membránových váčků difuze osmóza iontové kanály přenašeče endocytóza exocytóza Klasifikace podle energetických požadavků osmóza pasivní transport prostá difuze usnadněná difuze pumpy spřažený transport (sekundárně) aktivní transport - symport - antiport transport prostřednictvím membránových váčků

46 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 46 faktory ovlivňující membránový transport velikost molekul: malé molekuly (H 2 O, O 2, CO 2 ) můžou volně procházet přes membrány, rozpustnost v tucích: látky rozpustné v tucích (nepolární, hydrofobní) procházejí přes membrány snadno, např. glycerol, mastné kyseliny, vitaminy rozpustné v tucích, steroidní hormony, hormony štítné žlázy, náboj: fosfolipidová dvojvrstva je pro nabité částice (ionty) nepropustná. CZ.1.07/2.2.00/

47 47 REGULACE 3. REGULACE Regulace je děj, který minimalizuje rozdíl mezi skutečnou hodnotou regulované veličiny (viz dále) a její požadovanou hodnotou, je to činnost udržující stálost vnitřního prostředí a příp. řídící dosažení nového stavu, tzn. udržení, event. dosažení homeostaze, homeostazi chápeme jako funkční dynamickou rovnováhu složek vnitřního prostředí organismu, tato rovnováha je podmínkou správné funkce buněk, orgánů, orgánových systémů a celého organismu při působení různých vnějších a vnitřních podmínek; základními kategoriemi uplatňovanými v regulacích jsou systém, vazba a regulační obvod SYSTÉM Systém je celek tvořený množinou prvků ve vzájemných vztazích vazbách; druhy systémů: abstraktní využívají matematický aparát, reálné týkají se skutečného objektu, uzavřené jsou bez interakce s okolím, otevřené interakce s okolím formou vstupů (inputů) a výstupů (outputů), řízené s existencí vstupní veličiny, která řídí systém, proto je označována řídící veličina, neřízené bez řídící veličiny, statické hodnota výstupní veličiny závisí pouze na hodnotě vstupní veličiny, dynamické hodnota výstupní veličiny závisí na hodnotě vstupní veličiny a také na čase; struktura systému je vnitřní uspořádání systému; odezva systému je odpověď na změnu (Δ) vstupní veličiny, odpověď má vždy zpoždění, tzv. dynamické zpoždění;

48 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 48 stav systému jsou okamžité funkční vlastnosti systému, rozlišuje se: stav ustálený (steady state), tzn. průběh vstupní a výstupní veličiny se nemění, je udržována homeostaze, přechodový děj, tzn. fáze přechodu systému z jednoho ustáleného stavu do druhého, systém stabilní, tzn. Δ vstupní veličiny (v určitém rozsahu) nevyvolá poruchu stability (je ustálený stav), systém nestabilní, tzn. Δ vstupní veličiny neuvede systém do ustáleného stavu VAZBA Vazba je: vztah mezi prvky systému nebo vztah mezi systémy (subsystém vs. vyšší systém), různé druhy zpětných vazeb, zpětná vazba (feedback), tj. vztah mezi výstupem ze systému a vstupem do téhož systému, podle uspořádání vztahu se rozlišuje: jednoduchá (přímá) zpětná vazba, tj. přímý vztah mezi výstupem a vstupem, složitá (nepřímá) zpětná vazba, tj. přes jiný systém (orgán): podle směru odpovědi se rozlišuje: negativní zpětná vazba, tzn. Δ výstupu vede k nesouhlasné/protisměrné Δ vstupu úprava výchylky, vlastnosti negativní zpětné vazby: - umožňuje výchozí stav tj. následkem je stabilita systému, - reakce je pomalá, - při vysoké citlivosti -- nebezpečí rozkmitání systému -- nebo vznik pozitivní zpětné vazby tj. následkem je nestabilita systému, negativní zpětná vazba se uplatňuje v řadě regulací, např. hormonálních, CZ.1.07/2.2.00/

49 49 REGULACE pozitivní zpětná vazba, tzn. Δ výstupu vede k stejnosměrné Δ vstupu zesílení výchylky, vlastnosti pozitivní zpětné vazby: - způsobuje vzdálení se od výchozího stavu tj. následkem je nestabilita systému, - reakce je rychlá a silná, - spouštěčem může být i malý podnět, - může vést k bludnému kruhu (circulus vitiosus) permanentní zvětšená vzdálenost (odchylka) od výchozího stavu, typickým příkladem je účinek hormonu oxytocinu (tvoří se v hypotalamu): oxytocin vyvolává během porodu kontrakce hladké svaloviny dělohy, přičemž každá kontrakce na základě stimulace mechanoreceptorů ve stěně dělohy podněcuje další sekreci oxytocinu, tzn. jeho účinek se stupňuje, a to až do doby, kdy napětí děložní stěny klesne (což nastane po ukončení porodu) REGULAČNÍ OBVOD Regulační obvod je spojení výstupu se vstupem (např. zpětnou vazbou), skládá se z následujících prvků: (1) ze záchytu informace čidlem (senzorem), např. receptorem, nervovým zakončením, tj. specifickou strukturou, mající schopnost reagovat na rychlost změny regulované veličiny, (2) z přenosu a předání informace za účelem vyhodnocení a vykonání změny, např. kontaktem buněk, hormony, Δ molekul (chemickými reakcemi na subcelulární úrovni, např. fosforylacemi), (3) z výkonných složek (efektorů), tj. specializovaných struktur (buněk) majících schopnost ovlivnit veličinu; V organismu je více obvodů zpětnovazebných smyček což vede k minimalizaci či eliminaci nedostatků. částí regulačního obvodu je regulovaná soustava (řízený subsystém), která se skládá z: regulované veličiny, tj. výstupní veličiny v regulované soustavě, její hodnotu zaznamenává analyzátor (čidlo), porovnání regulované veličiny s požadovanou hodnotou provádí komparátor, řídící veličiny,

50 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 50 tj. veličiny informující o požadované hodnotě regulované veličiny, rozdíl mezi skutečnou a požadovanou hodnotou regulované veličiny se nazývá regulační odchylka, která je charakterizována těmito vlastnostmi: velikostí, přičemž platí větší odchylka menší stabilita, rychlostí vzniku, přičemž platí větší rychlost menší stabilita, dobou trvání, přičemž platí delší trvání menší stabilita, regulátoru, tj. vykonavatele úpravy, transformuje regulační odchylku na akční veličinu, poruchové veličiny, tj. faktoru (příčiny) destabilizující regulovanou soustavu: 3.4. KVALITA A PODSTATA REGULACE Kvalita regulace je dána: mohutností regulace, tzn. schopností nápravy odchylky od požadované hodnoty a rychlostí regulace, tzn. dobou trvání návratu na požadovanou hodnotu. Podstatu regulací tvoří: změna konformace proteinů, např. spojená s/se: obnažením povrchů membrán, aktivací/inhibicí přenašečů nebo iontových kanálů, aktivací/inhibicí ATPáz, stimulací receptorů (down/dolů-, resp. up/nahoru-regulace, viz kap. II/10.2), etc.; pohyb látek podle koncentračního nebo elektrického gradientu, např. výměna dýchacích plynů, ovlivnění přenosu vzruchu na synapsích, regulace svalové kontrakce (role Ca 2+ ), regulace sekrece hormonů (Ca 2+ vs. parathormon); přenos genetické informace a jeho regulace, např. na úrovni: transkripce (přepis DNA do mrna), translace (překlad mrna do řetězce aminokyselin). Systémy v živočišném organismu jsou otevřené, dynamické a regulované (mají regulovanou veličinu). CZ.1.07/2.2.00/

51 51 RŮST, VÝVOJ, STÁRNUTÍ 4. RŮST, VÝVOJ, STÁRNUTÍ 4.1. RŮST Tělesný růst je komplexní děj, podmíněný geneticky, složený z uspořádaného sledu změn, ty se uskutečňují podle předem daného plánu, základem tělesného růstu je zvyšování počtu buněk, jejich velikosti a zmnožování EC matrix a příp. její mineralizace (dlouhé kosti); růst je tedy anabolický proces, požadavkem je dostatečný přísun energie a substrátů ve výživě zvířete, z toho vytvářené substance jsou zabudovávány do buněk a EC prostoru, akumulace v buňkách může vést k jejich zvětšení hypertrofii nebo zvýšení počtu hyperplazii; růst není izometrický (rovnoměrný), ale je alometrický (nerovnoměrný), tzn. růst částí těla nebo orgánů se nejen absolutně, ale i relativně k celkové velikosti těla mění, realizuje se rozdílnou rychlostí, od určitého vývojového stupně není zmnožení počtu buněk možné, např. se to týká neuronů, myocytů, adipocytů, tzn. růst se v tomto případě děje pouze hypertroficky, naopak růst jater, ledvin, pokožky, plic probíhá hyperplasticky, od toho se odvozuje dobrá regenerační schopnost těchto tkání, regenerace jater přitom nenastává jednoduše zvýšením počtu hepatocytů, ale strukturních jednotek lobulů, plíce regenerují na základě zvýšení počtu buněk, nikoliv alveolů, kožní deriváty (chlupy, paznehty, kopyta aj.) rostou neustále; prenatálně probíhá růst velmi často souběžně s diferenciací, rozlišuje se fáze embryonální a fáze fetální, savec se stává individuem ve stadiu gastruly (v této době již nedochází k dělení), konec embryonální fáze je spojen s ukončením organogeneze, u králíka je embryonální fáze ukončena přibližně ve 2 týdnech, u kočky a prasete ve 4 týdnech, u psa a ovce v 5 týdnech, u skotu v 6 týdnech a u koně v 9 týdnech, ve fetální fázi je velmi důležitá jeho výživa, tzn. je velmi důležitý přísun živin od matky, rychlejší růst fetu souvisí s velikostí matky, s její větší dělohou, rozdíly jsou v případě dvojčat, trojčat v děloze (dvojčata, trojčata bývají lehčí než jediný plod), u druhů s více plody ve vrhu jsou rozdíly v růstu dány rozdílnou polohou plodu v uteru (a tedy rozdílným přísunem živin), u divoce žijících zvířat (jelena, medvěda) po páření na podzim dochází v zimě k zástavě růstu a vývoje plodu s pokračováním na jaře, efekt somatotropního (růstového) hormonu na růst je malý tkáně plodu nemají dostatečnou hustotu receptorů pro záchyt tohoto hormonu (jeho koncentrace v krvi je přitom vysoká), vyšší efekt vykazuje inzulin, který je vlastním anabolickým hormonem prenatální fáze (účinky viz kap. II/10.4), také hormony štítné žlázy růst stimulují (účinky viz kap. II/10.4); postnatálně lze z pohledu fyziologie rozlišit tři období (1) juvenilní, (2) pohlavní zralost a (3) stárnutí, zootechnické hledisko rozlišuje období (1) mlezivové a mléčné, (2) pohlavní dospělost, (3) dospělost) a (4) stárnutí,

52 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 52 tělesný růst je vázán na období juvenilní a je řízen somatotropním hormonem a somatomediny (viz kap. II/10.4), Některé druhy můžou růst (i když s různou intenzitou) celý svůj život, např. potkan. výrazný vliv uplatňují dále hormony štítné žlázy, androgeny, estrogeny, glukokortikoidy katecholaminy a inzulin (více o účincích uvedených hormonů viz kap. II/10.4), tyreoidální hormony potencují účinek somatomedinů, mají vliv na osifikaci chrupavek, vývoj CNS a tělesné proporce, androgeny a estrogeny růst zpočátku stimulují, ale estrogeny později způsobují uzavírání epifyzárních plotének dlouhých kostí a tím růst ukončují, růstová akcelerace v době pohlavního zrání souvisí se zvýšenou sekrecí androgenů (u obou pohlaví) a vztahy mezi somatotropinem, pohlavními hormony a somatomedinem C (viz kap. II/10.4), pohlavní hormony zvyšují hladinu somatomedinu C, inzulin stimuluje obecně růst buněk stimuluje transport glukózy, aminokyselin, u přežvýkavců i acetátu, do buněk, glukokortikoidy a katecholaminy mají anabolický efekt, porodní hmotnost není pro tělesný růst rozhodujícím činitelem, značný význam pro růst má mateřské mléko, jeho složení je z hlediska obsahu proteinů, sacharidů, lipidů, vitaminů, minerálních a stopových prvků vyvážené, ale druhově a plemenně specifické, obsahuje i další látky antimikrobiální, např. laktoferrin, lyzozym, imunoglobuliny, buňky leukocyty, hormony (trijodtyronin, tyroxin, dále oxytocin, prolaktin), probiotické bakterie, vliv obsahu sušiny, proteinu a tuku mateřského mléka na růst vybraných druhů zvířat (upraveno podle Wittmanna, in Engelhardt, von, Brewes, 2005): Druh Porodní Mateřské mléko Zdvojnásobení hmotnost sušina protein tuk hmotnosti (kg) (%) (%) (%) (dny) králík 0, pes 0, prase 1, ovce 4, koza 4,0 13 3,5 4,5 20 skot ,5 45 kůň , Vysvětlivky: = závislost na plemeni příjem mateřského mléka také utváří vztah matky a mláděte (bonding), zejména u primátů, průběh růstu může být hodnocen jednoduše pomocí přírůstků tělesné hmotnosti, kohoutkové výšky, délky těla, poměru končetin a těla aj. (zvětšování tělesného rámce a tělesné hmotnosti je spojeno obvykle se zvýšeným podílem proteinů ve tkáních), růst některých orgánů, např. svaloviny nebo kostí lze hodnotit pomocí dusíkové nebo kalciofosfátové bilance, zvětšuje-li se s růstem svalovina nebo délka kostí, bývají dusíkaté sloučeniny nebo vápník a fosfáty zvýšené, následkem je vychýlení rovnováhy mezi příjmem a vylučováním těchto látek, velmi důležitým ukazatelem růstu je velikost povrchu těla, v průběhu růstu nepřibývá tělesný povrch, který vydává teplo do okolí, proporcionálně CZ.1.07/2.2.00/

53 53 RŮST, VÝVOJ, STÁRNUTÍ k tělesné hmotnosti, jež je producentem tepla (při určité výši tělesné hmotnosti nedostačuje povrch těla k výdeji tepla, naopak velmi malý organismus velké množství tepla ztrácí), zvětšování tělesné hmotnosti může být zkresleno obezitou, intenzita tělesného růstu je graficky znázorňována růstovými křivkami (jsou využívány u potravinových zvířat), po překonání nemoci nebo po období hladovění dochází k tzv. doháněcímu růstu, který je rychlejší, růst je negativně ovlivněn kvantitativně či kvalitativně nedostatečnou výživou a patologickými procesy, ukončení růstu lze stanovit např. podle uzavírání růstových plotének dlouhých kostí, je druhově a plemenně specifické, ukončení růstu u vybraných druhů (podle Wittmanna, in Engelhardt, von, Brewes, 2005): Králík Pes Prase Ovce Koza Skot Kůň roky 1-1,5 2-2,5 2, ,5 2-2, , VÝVOJ Hmyzožraví bércouni (Macroscelidea) rodí tak vyspělá mláďata, že jsou schopná chůze již krátce po narození a do týdne doroste mládě velikosti dospělého jedince. Vývoj zahrnuje procesy růstu a diferenciace, postupně tak vznikají pro určitou funkci specializované tkáně; vývoj funkcí začíná již po vytvoření základů orgánů ve stadiu embrya a pokračuje během fetálního období a u některých funkcí postnatálně, nástup vývoje funkcí závisí na potřebnosti určité funkce daného orgánu během ontogeneze, srdce, krevní oběh a také ledviny se vyvíjejí relativně časně (viz dále), naproti tomu plíce až v neonatálním (novorozeneckém) období (viz dále); prenatální období krvetvorba probíhá postupně ve žloutkovém váčku, slezině a játrech a nakonec v kostní dřeni, rozlišují se tedy období krvetvorby: mezoblastové hepatolienální medulární (viz také kap. I/6.5), v mezoblastovém období je krvetvorba megaloblastová (velké jaderné erytrocyty) a v dalších obdobích postupně přechází přes normoblastovou (jaderné erytrocyty normální velikosti) k normocytární (bezjaderné erytrocyty normální velikosti), v erytrocytech je fetální hemoglobin (HbF), který má vyšší afinitu ke kyslíku, v hepatolienálním období začíná tvorba granulocytů a lymfocytů, fetální krev má vyšší obsah metabolitů aminokyselin, močoviny, kreatininu, kyseliny močové, dále vápníku, fosfátů, ale nižší koncentraci proteinů, zejména globulinů, dále glukózy, existuje fetální krevní oběh není oddělen malý (plicní) oběh od velkého (tělního) oběhu, neboť plíce nejsou ještě činné, plod je tak zásoben smíšenou krví (tepenná krev z placenty se mísí s žilnou krví), komponenty imunitního systému (lymfocyty, lymfatické tkáně a orgány) se začínají vytvářet během intrauterinního života, přestup protilátek z těla matky do těla plodu závisí na typu placenty, přes placentu syndesmochoriální (u samic přežvýkavců) nebo epiteliochoriální

54 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 54 (u klisny a prasnice) to možné není, plíce jsou zkolabované a krev (s výjimkou malého množství pro jejich výživu) jimi neprochází existuje spojka mezi arteria pulmonalis a ductus arteriosus Botalli a tok krve tak směřuje přímo do aorty, jako zdroj energie je již využívána glukóza, činnost trávicího traktu začíná příjmem amniové tekutiny, z nevstřebaných látek a odloupaného epitelu se tvoří střevní smolka (mekonium), předžaludky u přežvýkavců se zpočátku rozvíjejí stejnoměrně, ke konci intrauterinního období se urychluje vývoj slezu (poměr předžaludku ke slezu je 1:2), což je důležité pro trávení mléka po narození, růst střeva probíhá rychleji než růst embrya (střevo se skládá v kličky), vývoj ledvin probíhá přes primitivní stadia pronefros (předledviny) mezonefros (prvoledviny) k metanefros (definitivním ledvinám), tvorba moči začíná na přechodu 1. a 2. třetiny intrauterinního období, během intrauterinního života by mělo dojít k sestupu varlat do šourku, nesestoupí-li, jedná se o kryptorchismus, který má různé formy (podle místa zadržení) abdominální nebo inguinální, mléčná žláza se zakládá již v časném embryonálním období u obou pohlaví, u samců se ale její primitivní základ nerozvíjí, většina kostí vzniká enchondrální osifikací chrupavčitého modelu, ten je postupně s výjimkou kloubních ploch nahrazen kostí, v diafýzách vznikají primární osifikační centra, v epifýzách sekundární osifikační centra, osifikace se šíří z center a chrupavka je zachována jen coby růstová (epifýzodiafyzární) ploténka (štěrbina), jejíž aktivitou je zajištěn růst dlouhých kostí, ten probíhá v postnatálním období do uzávěru růstových plotének, nástup endokrinních funkcí není jednotný a souvisí s aktivitou příslušné endokrinní struktury, většina adenohypofyzárních hormonů je secernována v druhé polovině gravidity, sekrece hormonů kůry nadledvin a štítné žlázy začíná přibližně v polovině intrauterinního života, Při nedostatečné funkci štítné žlázy je zhoršený vývoj zejména telat a hříbat, která se normálně rodí vysoce zralá. Silný efekt na vývoj uplatňují hormony štítné žlázy u ptačích embryí. nástup sekrece hormonů pankreatu (inzulinu, glukagonu) je již v první třetině intrauterinního období, vrchol produkce testosteronu je v první třetině intrauterinního života, k porodu se postupně snižuje, k sekreci estrogenů během intrauterinního období nedochází, neboť vaječníky nejsou aktivní, obranná funkce kůže u plodu je představována vrstvou z odloučených zrohovatělých kožních buněk a tuku, která je pro svůj mazlavý charakter označována mázek; postnatální období kritickou fázi vývoje představuje peripartální (okoloporodní) období, přechod z intrauterinního života do zevního prostředí nachází odezvu ve změnách činnosti orgánů a orgánových systémů, např.: při porodu je stlačením hrudníku vypuzena z plicních alveol tekutina, stoupá pco 2, což spolu s vyšší citlivostí struktur řídích dýchání vede k prvnímu nádechu, rozepětím plic se mění tlakové poměry v hrudníku klesá nitrohrudní tlak, zvyšuje se CZ.1.07/2.2.00/

55 55 RŮST, VÝVOJ, STÁRNUTÍ tlak v levé síni srdeční, dochází k uzavření foramen ovale, nástup dýchání vede ke změnám ve vnitřním prostředí (v EC kompartmentu) organismu, počáteční respirační acidóza přechází v acidózu metabolickou (z hromadění laktátu při počátečním deficitu kyslíku rozvoj neoxidativní glykolýzy), příjmem mleziva (kolostra) získává mládě protilátky, vitaminy a minerálie, což vede k posílení imunity a snazšímu vypuzení mekonia ze střev, příjem protilátek z kolostra je významným činitelem v ochraně mláděte před infekcí (novorozená mláďata jsou imunitně nezralá), po porodu dochází ke snížení tělesné teploty, teplota potom postupně stoupá, objem extracelulární tekutiny je u mláďat vyšší, existuje řada rozdílů ve složení krve u mláďat (oproti dospělým): je nižší koncentrace plazmatických proteinů, je nižší koncentrace glukózy, je vyšší koncentrace fosfátů, mastných kyselin, je vyšší aktivita alkalické fosfatázy, je relativně nižší počet erytrocytů, koncentrace hemoglobinu, hodnota hematokritu, thymus s nástupem tvorby pohlavních hormonů involuje, mláďata mají vyšší srdeční a dechovou frekvenci, trávicí trakt mláďat je vybaven enzymy k trávení mléka (chymozinem štěpícím mléčný kasein), mláďata mají neúplný, mléčný chrup, zintenzivňuje se činnost slinných žláz (zejména u přežvýkavců v souvislosti s rozvojem předžaludku), u přežvýkavců se s odstavem (přechodem na výživu objemným krmivem) postupně rozvíjí předžaludek a také tlusté střevo, s příjmem objemného krmiva je stimulován vývoj bachoru, ve třech měsících je ukončen vývoj sliznice, v 6-8 měsících je dosaženo velikosti u dospělého zvířete, těkavé mastné kyseliny vznikající v bachoru (viz kap. II/3.8.2) stimulují i vývoj sliznice čepce a knihy, u monogastrických zvířat se tlusté střevo rozvíjí s příjmem pevného krmiva, u monogastrů v prvních dnech po narození přispívá k okyselení žaludku kyselina mléčná vznikající štěpením laktózy z mléka, od období sání se snižuje střevní absorpce vápníku, hořčíku a fosforu, postupně vyzrává enzymový systém jater, nevyzrálost enzymového systému je při masivním odbourávání fetálního hemoglobinu několik dnů po narození příčinou novorozenecké žloutenky (neonatálního ikteru), na jejím vzniku se podílí u novorozence ještě nedostatečné osídlení střev bakteriemi, které přeměňují bilirubin na sterkobilinogen, takže bilirubin je absorbován do krve, u novorozenců je nevyzrálá hematoencefalická bariéra a při velmi vysoké koncentraci bilirubinu dojde k jeho snadnému přestupu do mozku s následkem jeho poškození (bilirubinová encefalopatie), postupně se rozvíjejí ledvinné funkce (glomerulární filtrace a tubulární resorpce), funkce pohlavních žláz (sekrece pohlavních hormonů a tvorba pohlavních buněk) nastupují v období pohlavního dozrávaní (puberty), pohlavní vývoj se dokončuje zvíře dosahuje pohlavní dospělosti, ta se manifestuje nástupem pohlavního cyklu, druhotnými (sekundárními) pohlavními znaky (rozvoj kosterní svaloviny, mléčné žlázy, hlasových projevů), z pohledu zootechniky se uvádí chovatelská dospělost (tj. zvíře může být využíváno k plemenitbě) (podle Kudláče, in Jelínek, Koudela a kol., 2003):

56 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 56 Druh Dospělost pohlavní (měsíce) chovatelská (měsíce) kůň skot ovce koza prase pes kočka králík Poznámka: údaje jsou přibližné, dosažení dospělosti závisí na druhu zvířete, plemeni, pohlaví, výživě, způsobu chovu a také roční době (např. pohlavní dospělost u jalovic) v období pohlavního dospívání se působením pohlavních hormonů zrychluje tělesný růst a po dosažení pohlavní dospělosti růst zastavuje (uzavírají se růstové ploténky dlouhých kostí), období ukončeného růstu a vývoje se označuje tělesná dospělost (je nejpozdnější), mléčná žláza prodělává maximální vývoj po ukončení první gravidity s nástupem a během laktace, po porodu produkuje kolostrum, které je po několika dnech (3-6) nahrazeno zralým mlékem, kolostrum krávy má oproti zralému mléku vyšší poměrnou hustotu, téměř 2 vyšší obsah sušiny, 1,5 vyšší obsah tuku, téměř 4 vyšší obsah bílkovin, až 60 vyšší obsah imunoglobulinů, 2 vyšší obsah vápníku, 4 vyšší obsah hořčíku, 8 vyšší obsah vit. A, téměř 6 vyšší obsah vit. E, přibližně poloviční obsah laktózy, složení kolostra se den ze dne mění směrem ke zralému mléku, mláďata mají vyšší permeabilitu kůže, která se s přibývajícím věkem snižuje (roste obranná funkce kůže) STÁRNUTÍ Stárnutí je obecný biologický fenomén, probíhající na úrovni molekul, buněk, tkání, orgánů, orgánových systémů a směřující k postupné ztrátě adaptace s následkem nižší výkonnosti, nižší odolnosti a tedy vyššího rizika poškození zdravotního stavu organismu, je to geneticky daný proces funkčních změn rozvíjejících se v organismu v závislosti na jeho věku a ovlivňovaný vnitřními a vnějšími faktory; postihuje vyšší eukaryonta, stárnutí je přítomno v každém takovém organismu od jeho počátku, ale projevy stárnutí se manifestují v určitém čase v závislosti na druhu zvířete, plemeni, kategorii v různém věku, v intenzivní živočišné výrobě potravinová zvířata období stáří nedosahují; vzhledem k tomu, že proces má komplexní charakter, zabývá se jím řada vědních disciplín, věda o stárnutí a stáří se nazývá gerontologie, jejím odvětvím je klinická gerontologie (vlastně geriatrie v širším významu slova), geriatrie je chápána jako obor vnitřního lékařství; proces stárnutí (senescence) je v medicínském smyslu souhrn morfologických a funkčních změn od ukončení růstu až po smrt organismu, je to komplex dějů, které postupně omezují schopnost organismu zachovávat homeostazi v konfrontaci s působením celé řady vnitřních a vnějších faktorů, probíhá u každého jedince jinak, tzn. je individuální, je dán geneticky, je ovlivňován různými zevními podmínkami a tzv. pozdními následky působení různých faktorů v kritických vývojových periodách, CZ.1.07/2.2.00/

57 57 RŮST, VÝVOJ, STÁRNUTÍ probíhá asynchronně, tzn. struktury a funkce organismu jsou postihovány různě v čase, změny spojené se stárnutím mají ireverzibilní charakter, vyvíjejí se postupně a velmi často bez výrazných klinických projevů; Einstein správně předpověděl, že čas na Zemi plyne rychleji ve vyšších nadmořských výškách oproti nižším (tzv. gravitační dilatace času). Organismus tedy ve vyšší nadmořské výšce stárne rychleji, rozdíl je však v podmínkách Země zanedbatelný. Samozřejmě recept na dlouhověkost nevězí jen v žití v nízkých nadmořských výškách. hodnocení stárnutí fyziologické (normální), tj. zdravotní stav odpovídá normě daného druhu, příp. plemene, patologické, tj. zdravotní stav je horší než odpovídající norma, Tato klasifikace je více založena na subjektivním hodnocení než na objektivních kritériích, tato kritéria včetně jejich kvantifikace, zejména pro plemena zvířat, zatím důkladně vypracována nejsou. z pohledu medicíny může být stárnutí také úspěšné, tzn. zdravotní stav a výkonnost jedince jsou lepší než druhový či plemenný průměr (standard); Klinické projevy stárnutí u psa začínají v našich podmínkách podle plemene, podmínek chovu, úrovně výživy a veterinární péče asi 6. až 10. rok života, u kočky asi 8. až 12. rok života. Potencionální délka života v rocích pes kočka kůň skot ovce koza prase králík 5-7 morče 6-8 potkan 3-4 myš 2-3 kur asi 20 husa asi 30 krůta asi 12,5 holub asi 35 Upraveno podle Schrödera (1986) Délka života je silně ovlivněna plemenem (zejména u psů), způsobem chovu včetně výživy (zejména u koček, kura) a úrovní veterinární péče. teorie stárnutí jsou patrné neustálé snahy o vysvětlení stárnutí (několik stovek teorií, z nichž některé se

58 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 58 ukázaly hypotézami či dokonce ryzími spekulacemi), podle některých teorií je stárnutí důsledek: hromadění mutací genomové DNA v somatických buňkách s následkem četných abnormalit (mutace mtdna urychlují degenerativní změny), replikativního stárnutí (programovaného stárnutí buňky jsou programovány na určitý počet dělení), vzniku příčných vazeb v proteinech (kolagenu) na základě neenzymové reakce glukózy s aminoskupinami těchto bílkovin (teorie působení konečných produktů pokročilé glykace, AGE, advanced glycation end-products), působení oxidačního stresu (působení reaktivních forem kyslíku), snížení aktivity antioxidačních mechanismů (např. superoxiddismutázy) vede zejména k/ke: (1) lipoperoxidaci buněčných membrán, markerem lipoperoxidace je např. malondialdehyd (MDA), (2) změnám struktury a funkce biologicky aktivních proteinů a DNA, činnosti určitého časovacího systému pacemakeru, - stále se ale neví, co tímto pacemakerem je (někteří autoři předpokládají jeho existenci v systému kardiovaskulárním, jiní neuroendokrinním, další zase v imunitním), - všeobecně se přijímá, že roli pacemakera sehrává také epifýza a jí produkovaný hormon melatonin (viz kap. II/10.4), který řídí biorytmy a na stárnutí tak lze nahlížet jako na megabiorytmus ; Tyto teorie jsou založeny na jednotné příčině stárnutí, nejsprávnější zřejmě je, že stárnutí je multifaktoriální proces, geneticky podmíněný a s uplatněním vnějších faktorů. buněčné a mimobuněčné změny při stárnutí změny v buňkách: zvětšení buněčného jádra (v důsledku intenzivnější reparace DNA nestabilita DNA), snížení počtu ribosomů, snížení počtu mitochondrií, vakuolizace cytoplazmy, přírůstek lyzosomů, snížená citlivost receptorů, snížená antioxidační obrana, tvorba produktů, které nemůžou být odstraněny, např. lipofuscin v CNS nebo myokardu, CZ.1.07/2.2.00/

59 59 RŮST, VÝVOJ, STÁRNUTÍ následky těchto změn: snížení funkcí buněk, zpomalené dělení až ztráta buněk, typická je pro tkáně a orgány s malou regenerační schopností, např. CNS, svalstvo, zaniklá tkáň je nahrazována funkčně méně zdatnou tkání tukovou nebo pojivovou: tuková tkáň pojivová tkáň snížení bazálního metabolismu a tvorby tepla, neuspořádané zmnožení buněk (neschopnost apoptózy), v některých případech může mít zmnožení buněk kompenzační význam, přibývání počtu buněk může mít charakter prostého zmnožení buněk (hyperplazie), např. ve žlázách, shluky lymfocytů v kostní dřeni apod., může se ovšem také jednat o vznik různých nádorů (neoplazií), mezibuněčné změny jsou charakterizovány: zesíťovatěním kolagenu, zvětšením tloušťky intersticia, kalcifikací (zvápenatěním) elastinu, hlavní následek těchto změn: ztížený transport kyslíku a živin do buněk; V průběhu stárnutí postupně vznikají a dále se rozvíjejí orgánové a systémové nedostatečnosti jejich funkcí (insuficience) např. insuficience jater, ledvin, respiračního systému, kardiovaskulárního systému aj. (viz dále). orgánové a systémové změny kůže, srst ztenčení kůže a snížení její elasticity, různé kožní pigmentace, příp. nádory, šedivění srsti (canities), její větší ztráty (alopecie) a změny pevnosti a tloušťky chlupů, Tyto změny vznikají v důsledku atrofie (zmenšení) pokožky, přibývání příčných vazeb v kolagenu, na druhé straně v důsledku buněčných proliferací (množení buněk), např. melanocytů. krev a krvetvorné orgány snížená koncentrace hemoglobinu, pokles počtu erytrocytů (obraz anémie klinicky bledost nepigmentované kůže a sliznic, zrychlená frekvence srdeční, únava aj.), zrychlená sedimentace erytrocytů, snižení počtu T-lymfocytů, zvyšuje se přilnavost (adhezivita) trombocytů,

60 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 60 Obecně lze uvést, že základem těchto změn jsou buněčné ztráty, změny povrchu krevních buněk, hromadění tuku a fibrotizace (vazivovatění) kostní dřeně. kardiovaskulární systém pokles funkční kapacity srdce (především při zátěži), snížení frekvence tepů, stažlivosti srdečního svalu s následkem sníženého srdečního výdeje, Podstatou těchto změn jsou zejména atrofie (zmenšení) kardiomyocytů a tvorba tukových a vazivových náhrad v srdci a cévách. respirační systém zvětšení reziduálního objemu plic s následkem snížení vitální kapacity plic a výrazného poklesu přívodu kyslíku tkáním, snižuje se výkonnost mukociliárního aparátu a obranné dýchací reflexy (kašel, kýchání) jsou oslabeny, Jedná se o důsledek vazivové přestavby intersticia, dále pak kalcifikace chrupavek bronchů, žeberních chrupavek a proliferace epitelu plicních sklípků. gastrointestinální systém zvýšený výskyt poškození chrupu, zvýšená tvorba zubního kamene s následkem zánětů dásní, ozubice i narušení kosti, dochází také k vypadávání zubů, útlum chuti k příjmu potravy a vody (v důsledku zeslabení aktivity centra příjmu potravy a centra příjmu tekutin v hypotalamu), potíže s polykáním (v důsledku snížené produkce slin, oslabování polykacího reflexu, ochabování motility hltanu a jícnu), zvýšená pravděpodobnost výskytu megakolonu (zvětšeného tračníku) s následným hromaděním tráveniny (jako důsledek atrofie nebo degenerace ganglií Auerbachova plexu), výskyt poruch absorpce ve střevě a také poruch motility střeva (v důsledku atrofie, příp. fibrotických změn, dále redukce počtu neuronů Auerbachova plexu), játra, pankreas snížená funkční kapacita jater s následkem poruch metabolismu proteinů, sacharidů, lipidů, syntézy hemokoagulačních faktorů, produkce tepla, schopnosti detoxikace aj., snížená funkce exokrinní části slinivky břišní společně se sníženou tvorbou žluči vedou k poruchám trávení sacharidů, proteinů a lipidů, Na poruchách trávení živin participuje pokles počtu hepatocytů, zvýšené zastoupení tuku v játrech, postupná vazivová přestavba jater (fibróza), proliferace epitelu žlučových cest, zmenšení jejich lumen a tak snížení odtoku žluči do střeva s následkem poruchy trávení lipidů. Ve slinivce břišní se jedná o atrofii, fibrózu, kalcifikace a další. CZ.1.07/2.2.00/

61 61 RŮST, VÝVOJ, STÁRNUTÍ uropoetický systém snížení funkční kapacity ledvin: pokles glomerulární filtrace, (v důsledku redukce počtu glomerulů, poklesu prokrvení ledvin, ztluštění bazální membrány glomerulů), pokles tubulárních funkcí resorpce a sekrece látek (v důsledku ztluštění bazální membrány tubulů, kalcifikace), Na těchto změnách se může podílet i ukládání imunokomplexů (komplexů protilátek a antigenů), v intersticiu pak zmnožení vláken kolagenu. reprodukční systém atrofie vaječníků a dělohy: vyhasínání funkcí vaječníků, výskyt cyst a nádorů samičích pohlavních orgánů, atofie varlat: snížení funkcí varlat, pohybový systém snížení objemu a funkcí svalů a kostí v průběhu stárnutí se snižuje objem kosterních svalů až o 1/5 (v důsledku úbytku proteinů), pokles schopnosti svalových buněk reagovat na podněty, snížení regenerační schopnosti svalové tkáně, mineralizace chrupavek, řídnutí kostní tkáně, tj. rozvíjí se osteoporóza (v důsledku atrofie, snížené aktivity kostních buněk a zvazivovatění), centrální nervový systém snížení odpovědi na vnější podněty, vzestup stavů nervozity (při vyrušení), ztráta schopnosti dodržování hygienických návyků, méně kvalitní spánek (snazší a častější probouzení, méně hluboký spánek), zkracuje se REM fáze spánku, je méně hlubokých stadií NREM spánku (viz kap. II/11.4), Hlavními příčinami změn v CNS jsou redukce počtu neuronů, synapsí, snížená rychlost vedení vzruchů, zjišťují se poruchy sekrece neurotransmiterů, v mozku se hromadí pigmenty. smyslové orgány snížení zrakové a sluchové ostrosti, snížení citlivosti vůči pachovým podnětům, snížení schopnosti chuťového vnímání, Všechny tyto změny jsou zejména v důsledku zhoršeného prokrvení smyslových orgánů, jejich atrofie a degenerativních změn.

62 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 62 systém vnitřní sekrece obecně snížení funkce žláz a tkání vnitřní sekrece (hypofýzy, štítné žlázy, nadledvin, Langerhansových ostrůvků slinivky břišní, pohlavních žláz), snížení produkce estrogenů, testosteronu, somatotropního hormonu, kalcitoninu, aldosteronu, melatoninu, inzulinu, snížení účinku tyreoidálních hormonů (zhoršený proces jodace), snížení citlivosti receptorů a aktivity enzymů v syntéze hormonů, poruchy zpětných vazeb, viz kap. II/10; Za příčiny změn v systému vnitřní sekrece během stárnutí jsou považovány atrofie, nádory a poruchy imunity (autoimunitní nemoci). znaky stárnutí lze shrnout jako 5 I : (1) Instabilita (nejistota postoje, vrávoravá chůze) (2) Imobilita (immobilitas = nepohyblivost, zde nechuť k pohybu z důvodu bolestivosti či obavy z možných překážek) (3) Inkontinence (incontinentia = neschopnost udržet, zde moč, stolici v důsledku nedostatečné funkce svěračů) (4) Iatrogenní poškození (iatrogenia = negativní působení lékaře, zde zejména z negativních účinků podávaných léků při zvýšeném výskytu chronických nemocí) (5) Intelektový deficit. Ukazuje se, že cestou k prodloužení života je energetická (kalorická) restrikce. Nedostatek energie v podobě ATP může indukovat autofagii. Autofagií buňky organismu získávají nejen energii z vlastních zdrojů, ale také se likvidují nahromaděné poškozené struktury a potenciálně škodlivé látky. CZ.1.07/2.2.00/

63 63 ZDRAVÍ, NEMOC, SMRT 5. ZDRAVÍ, NEMOC, SMRT Normální život organismu se uskutečňuje v podmínkách zdraví, zdraví patří spolu s nemocí mezi základní fenomény života (jsou to obecné vlastnosti živých systémů), nejextrémnější odchylka zdraví je smrt; základní fenomény života: 5.1. ZDRAVÍ Světová zdravotnická organizace (WHO, World Health Organization) definuje zdraví jako stav plné fyzické, psychické a sociální pohody, s jistým zjednodušením lze tuto definici uplatnit i ve veterinární medicíně (vycházejí z ní zásady ochrany zvířat a welfare), Zdraví si uvědomujeme, až když nám chybí (je-li přítomno, uniká naší pozornosti). členění zdraví: zdraví je optimální forma života, tzn. vybavenost organismu vlastnostmi, které zabezpečují homeostazi (stálost vnitřního prostředí organismu), tyto vlastnosti určují odpovídající úroveň zdatnosti (fitness) a schopnosti přizpůsobit se změnám v prostředí (adaptabilita).

64 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 64 Funkční ukazatele fitness např. u skotu jsou: snadnost telení, pravidelná plodnost a dlouhověkost, pastevní schopnost, výborná mléčnost, dobrá růstová schopnost a kvalita masa ZDRAVOTNÍ STAV Rozlišují se následující formy zdravotního stavu: fyziologický ( normální ), funkce (činnosti) a struktury (vnitřní uspořádání) organismu jsou neporušené (je funkční a strukturní integrita), což je zárukou zachování homeostaze organismu; kompenzovaný, odchylka od fyziologického zdravotního stavu, ale chorobná změna určitého orgánu nebo orgánového systému je vyrovnána změnou funkce jiného orgánu nebo orgánového systému, přetíží-li se, nebo vyčerpají-li se kompenzační mechanismy, dojde k nedostatečnosti či selhání orgánu, orgánového systému, příp. celého organismu (např. při šokových stavech); patologický (chorobný), odchylka od fyziologického zdravotního stavu, přičemž funkce a struktury jsou porušené (funkční a strukturní dezintegrita). Zdravotní stav organismu může být ovlivněn významným způsobem jeho věkem. Rozvoj určité formy zdravotního stavu závisí mj. na: rezistenci, což je kapacitně ohraničený soubor protektivních mechanismů, chránící organismus před vznikem patologického jevu (patologické reakce, patologického procesu, patologického stavu), důležitou složkou jsou bariéry a imunita (viz kap. I/7.3); adaptaci, což je přizpůsobení účinku různých faktorů na organismus s cílem zachování homeostaze, členění (typy adaptací viz také kap. I/10): absolutní, tzn. obnovení původního stavu (plná kompenzace, habituace), částečná, tzn. snížená reakce na působící faktor, ale původní stav se neobnoví (neúplná kompenzace), žádná, tzn. nová úroveň stavu organismu na působení faktoru (bez kompenzace), zkřížená, tzn. přizpůsobení určitému faktoru s následkem změny reaktivity na jiný působící faktor; dispozici, což je určité vnitřní (strukturní a funkční) uspořádání organismu, usnadňující působení patogenních faktorů, nebo vyjádřeno jinak temporárně (dočasně) nebo permanentně (trvale) zvýšená náchylnost k nemocem, členění: druhová, plemenná, pohlavní, věková, orgánová, sezonní; konstituci, což je soubor somatických vlastností (normálních, příp. abnormálních) organismu, je podmíněna geneticky, je ale ovlivňována faktory zevního prostředí (označovanými faktory peristatické), CZ.1.07/2.2.00/

65 65 ZDRAVÍ, NEMOC, SMRT určuje reaktivitu, výkonnost a chování individua NEMOC Nemoc (morbus) je jedním z projevů patologického stavu, lze ji charakterizovat: jako stav organismu maximálně tolerující působení patologických faktorů, při překročení horní meze tolerance nastává smrt: nebo jako stav dezorganizace funkce a struktury tkáně, orgánu, orgánového systému, mezi poruchou funkce a poruchou struktury je vztah oboustranné příčinné souvislosti, tzn. porucha funkce tkáně, orgánu, systému vede k poruše struktury tkáně, orgánu, příp. orgánového systému a naopak; vznik nemoci a její rozvoj zahrnuje: procesy poškozování na úrovni buňky, tkáně, orgánu nebo orgánového systému, ale také reakce přizpůsobovací (adaptační) na nově vznikající stav, neodstraní-li se příčiny, dochází k narušení homeostaze. Je nutné zdůraznit, že ne všechny negativní stavy jsou nemocí, např. nižší vzrůst. Na druhé straně nízká výkonnost (snížená užitkovost) zvířete může být předzvěstí nemoci Příčiny nemoci biologické bakterie, viry, houby, priony aj.; chemické jedy anorganické (některé chemikálie, užívání nevhodných léků či nadužívání léků) a jedy organické (rostlinného nebo živočišného původu); fyzikální mechanický tlak nebo tah, vysoká nebo nízká teplota, záření aj.; psychickosociální různé stresové situace; ne vždy lze příčiny nemocí z hlediska jejich klasifikace jednoznačně vymezit, např. některé bakterie produkují jedy (botulotoxin aj.) jedná se tedy o efekt biologické a chemické příčiny, při vzniku nemoci se může uplatnit jedna příčina (nemoci monokauzální nebo monofaktoriální) nebo více příčin (nemoci polykauzální nebo polyfaktoriální či multifaktoriální) Fáze nemoci latentní (fáze bez příznaků), trvá od okamžiku působení vyvolávající příčiny po první příznaky, u infekčních nemocí se nazývá inkubační doba, která je odlišná podle původce nemoci; prodromální (fáze prvních, nejasných příznaků),

66 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 66 vyznačuje se nespecifickými příznaky (např. zvýšenou teplotou, slabostí, únavou, nechutenstvím apod.), v této fázi nemoci je určení diagnózy na základě příznaků obtížné, neboť uvedené příznaky se objevují u různých nemocí jsou nespecifické; manifestní (fáze zjevných příznaků), vyznačuje se specifickými i nespecifickými příznaky (ty se obvykle prohlubují), určení diagnózy je v této fázi s určitou mírou jistoty možné; rekonvalescence (součást uzdravování sanogeneze), znamená postupný, různě dlouhý návrat do stavu před nemocí; východisko z nemoci, uzdravení (sanatio): úplné (per primam intentionem), neúplné (per secundam intentionem), tzn. s větším či menším negativním následkem, přechod do chronicity (do vleklého průběhu), smrt; v průběhu trvání nemoci můžou příznaky vymizet (ale sama nemoc nikoliv), což se označuje remise; objeví-li se příznaky nemoci znovu (nemoc byla v klidu), jedná se o relaps; návrat nemoci se označuje recidiva; pro nové vzplanutí nemoci se používá pojem exacerbace; při vysazení určitých léků můžou příznaky některého chorobného procesu zesílit, což se označuje rebound fenomén (z angl. rebound = odraz); k základní nemoci se můžou přidružit komplikace, např. ve formě sekundární nemoci, ta je odlišná od základního chorobného procesu (např. diabetes mellitus + ischemická choroba srdeční), jindy můžou komplikace se základním chorobným procesem souviset, takové komplikace se označují přidružená (interkurentní) nemoc (např. nádor a následná anémie z krvácení z nádorového ložiska) SMRT Smrt je terminální (konečný) stav, smrti předchází obvykle premortální (předsmrtná) fáze Premotrnální fáze Ta má obvykle dvě stadia: preagonální (předagonické) může trvat hodiny až dny, vědomí je zachované až lehce zastřené, dýchání je zrychlené, činnost srdce je zeslabená, krevní tlak začíná klesat, reflexy jsou zachované, svěrače začínají ochabovat; agonie může trvat hodiny až dny, dýchání se zpomaluje, stává se nepravidelné (přerušované, s prodlužujícími se pauzami), krevní tlak výrazně klesá, klesá i tělesná teplota, svaly a svěrače ochabují, vědomí se zužuje, až dojde k jeho ztrátě (tzn. k bezvědomí). CZ.1.07/2.2.00/

67 67 ZDRAVÍ, NEMOC, SMRT Smrt Vlastní smrt (mors, exitus letalis) je nejextrémnější odchylka od fyziologického zdravotního stavu, vyznačuje se zhroucením homeostaze z důvodu nevratné (ireverzibilní) ztráty funkcí; její podstatou je buněčná smrt; fyziologickou podstatou smrti je smrt mozkového kmene (zahrnuje prodlouženou míchu, Varolův most a střední mozek viz kap. II/11), v této oblasti se nacházejí centra základních životních funkcí a ascendentní (vzestupný) retikulární systém mající význam pro udržování bdělosti, přes mozkový kmen také procházejí motorické výstupy z hemisfér, vedou přes něj vlákna autonomního (sympatického a parasympatického) nervového systému a rovněž výstupy ze smyslových orgánů, uvedené struktury jsou lokalizovány velice těsně, což znamená, že i málo rozsáhlé poškození kmene může mít z hlediska zachování života závažné následky, příčinou smrti je tedy ireverzibilní zástava činnosti mozku, ireverzibilní zástava dýchání a ireverzibilní kardiovaskulární selhání, kardiovaskulární selhání v délce trvání 2-3 min může mít za následek ireverzibilní poškození mozkových hemisfér, nikoliv však mozkového kmene (ten je k deficitu kyslíku odolnější) postižený má zachované dýchání, zachovanou činnost srdce, schopnost samovolného polykání apod. je ve vegetativním stavu, ale nemá zachované vědomí (v tomto stavu může být řadu měsíců i roků), kardiovaskulární selhání trvající déle než 3-5 min má za následek poškození mozkového kmene zánik základních životních funkcí; Funkce mozkového kmene lze testovat: (1) osvitem zorniček (zornicový reflex) zúžení (mióza), (2) šetrným mechanickým podrážděním rohovky (rohovkový reflex) mrknutí, (3) šetrným mechanickým tlakem na oční bulbus reakce mimických svalů, (4) postříkáním uší studenou vodou pohyb očí, (5) zavedením flexibilní sondy/sacího katétru do dýchacích cest kašel nebo dávení. proces umírání se označuje thanatogeneze (z řečtiny thanatos = smrt, genesis = vznik). Lex est non poena perire (smrt je zákonem, ne trestem) výrok přisuzovaný Senecovi. Přítomnost premortální fáze, resp. její manifestace závisí na vyvolávající příčině, např. při některých traumatických příčinách smrti se nemusí manifestovat Klasifikace smrti Obvyklá klasifikace je: klinická smrt lze ji prokázat klinicky, tj. např. adspekcí (pohledem), auskultací (poslechem), dochází k zástavě dýchání, nastává zástava činnosti srdce (přibližně za 10 až 15 min po dechové zástavě, neplatí ale vždy, např. po úrazu elektrickým proudem);

68 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 68 Kritéria zástavy srdce bezvědomí, vymizení pulzu (nehmatný pulz), sinavé (šedavé) zbarvení sliznic a nepigmentované kůže (cyanóza), zástava dýchání, rozšířené zornice (mydriáza) nereagující na osvit (již cca za 1 min). biologická smrt plná ireverzibilní ztráta funkcí všech buněk, prokazuje se deformace zornice, tzv. Tonelliho příznak pokud se stiskne oko dvěma prsty, je zornice oválná, pokud třemi je trojhranná (objevuje se již několik okamžiků po smrti a trvá asi 2 h), tento příznak se neobjevuje u smrti z udušení (např. z utonutí), objevují se posmrtné skvrny (livores mortis) v dolních partiích ležícího těla v důsledku staze krve následkem gravitace (již během hodiny), nastupuje posmrtná ztuhlost (rigor mortis), podle podmínek zevního prostředí v řádu několika hodin, postupuje od dolní čelisti směrem kaudálním (viz také kap. II/7.1), nástup hniloby (podle vnějších i vnitřních podmínek v řádu hodin až dnů). Kritéria mozkové smrti bezvědomí, ochabnutí svalů, vymizení reakce na vnější podněty, rovná linie na záznamu elektroencefalografu (izoelektrický elektroencefalogram, EEG), zástava cirkulace krve v mozku, zvýšení nitrolebního tlaku, rozšířené zornice nereagující na osvit. (Stanovení mozkové smrti je rozhodující pro darování orgánů mrtvého pacienta za účelem transplantace orgánů.) Biologické stanovisko ke smrti: Mors ultima linea rerum (smrt je konečná čára za vším). CZ.1.07/2.2.00/

69 69 KREV 6. KREV Krev je životně důležitý orgán, který odpovídá parenchymu jiných orgánů MNOŽSTVÍ KRVE Množství krve vyjádřené na 1 kg ž. hm. činí od 55 do 90 ml, u samců a mladých zvířat je krve na 1 kg ž. hm. více, množství krve na 1 kg ž. hm. u dospělých savců: Druh Pes Kočka Kůň Skot Ovce Koza Prase ml krve/ kg ž. hm FUNKCE KRVE Pro naplnění svých funkcí musí být krev ve stabilním suspenzním stavu, suspenzní stabilita krve je dána tím, že negativně nabité povrchy buněk se odpuzují: hlavní funkce krve lze shrnout: transportní: O 2, CO 2, metabolity vč. vody, vitaminy, dále teplo aj., regulační: informační molekuly (např. hormony), nárazníkové systémy aj., obranná: leukocyty, trombocyty, koagulační faktory, imunoglobuliny (Ig), cytokiny, proteiny akutní fáze aj SLOŽENÍ KRVE A VÝZNAM KOMPONENT KREVNÍ PLAZMY VE VZTAHU K VNITŘNÍMU PROSTŘEDÍ Složení krve (u dospělých zvířat): celulární kompartment (oddíl), tj. erytrocyty, leukocyty, trombocyty (45 %), centrifugací se oddělí (na základě sedimentačního koeficientu): dole erytrocyty (obsahují Fe) uprostřed leukocyty (obsahují jádra) nahoře trombocyty, vrstvička leukocytů a trombocytů se označuje buffy coat a zaujímá asi 1 % celkového objemu krve;

70 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 70 extracelulární kompartment, tj. krevní plazma odpovídá podpůrné tkáni parenchymatózních orgánů (55 %), má světle žlutou barvu (způsobenou bilirubinem vznikajícím při rozpadu erytrocytů), mírně opaleskuje, cirkuluje intravaskulárním prostorem, představuje koloidní roztok obsahující anorganické a organické látky a rozpuštěné plyny, anorganické složky (kromě vody 1 % hmotnosti plazmy): voda (více jak 90 % objemu krevní plazmy), existuje jako voda volná a voda hydratační (vázaná např. na albumin nebo sodík), sodík: hlavní extracelulární kation, osmolalita, objem EC tekutiny, acidobazický (AB) status, stimulace nervosvalové dráždivosti, chloridy: osmolalita, AB-status aj., HCO 3 - : CO 2 transport, pufrovací systém HCO 3 - /H 2 CO 3, draslík: hlavní intracelulární kation, nervosvalová dráždivost (excitace), vápník: nervosvalové přenosy, činnost srdce, srážení krve, stabilita membrán, frakce vápník ionizovaný (Ca 2+ ) a vápník vázaný (na albumin aj.), poměr frakcí (při stálé hladině vápníku) je ovlivněn proteinemií (při ztrátách proteinů se snižuje vázaná frakce) a hodnotou ph (H + soutěží s Ca 2+ o vazebné místo na albuminu, což se při vzestupu ph, např. při hyperventilaci, projeví poklesem ionizovaného Ca, neboť Ca 2+ se naváže na albumin), hořčík: inhibice nervosvalové dráždivosti (dáno útlumem kalciových kanálů), aktivita enzymů, fosfáty: AB-status, železo: hematopoéza hemoglobin, biologické oxidace, měď: hematopoéza, komponenta enzymů, etc.; organické složky: plazmatické proteiny, v plazmě více než 300 proteinů, chemicky jde většinou o glykoproteiny (albumin však glykosylován není), mají různé funkce, při fyziologickém ph tvoří anionty, syntetizovány jsou v játrech, imunoglobuliny plazmatickými buňkami (plazmocyty), - prealbumin: transport hormonů štítné žlázy, - albumin: udržování objemu plazmy (onkotický tlak), transport (vápníku, mastných kyselin, bilirubinu, antibiotik aj.), zásobní protein (ferritin), izohydrie, nutrice, indikátor funkcí jater, pankreatu, ledvin, střeva, CZ.1.07/2.2.00/

71 71 KREV - globuliny: komponenty imunitního systému, suspenzní stabilita krve, transport železa (transferrin), mědi (ceruloplazmin), kortizolu (transkortin), vit. B 12 (transkobalamin), proteiny akutní fáze zánětu, Plazmatické proteiny ve funkci přenašečů se člení: - na specifické (mají vysokou asociační konstantu pro danou látku, K a ), např transferrin, - a nespecifické (přenáší více látek), např. albumin. - fibrinogen: hemokoagulace, patří i mezi proteiny akutní fáze zánětu, Plazmatické proteiny se také podílejí na antioxidační obraně organismu (např. albumin, transferrin, cerulopazmin). Součástí nespecifické imunitní odpovědi v reakci na působení stresoru jsou proteiny (reaktanty) akutní fáze (viz kap. I/7). Některé transportní proteiny vazbou mikroelementu znesnadňují jejich využití, např. ceruloplazmin s navázanou mědí znepřístupňuje měď pro růst bakterií (ta je pro ně růstovým faktorem). glukóza: hlavní zdroj energie pro buňky, indikátor úrovně sacharidového metabolismu, močovina: u savců konečný produkt metabolismu proteinů, resp. aminokyselin, indikátor glomerulární filtrace v ledvinách, aminokyseliny: konečný produkt trávení proteinů, nejvyšší podíl mají glutamin (je transportní formou amoniaku) a alanin, amoniak (jeho většina) pochází z deaminace aminokyselin, je velmi toxický proto transportován zejména ve formě glutaminu, kreatinin: konečný produkt metabolismu kreatinu a kreatinfosfátu obsažených ve svalech, indikátor glomerulární filtrace v ledvinách, triacylglyceroly: metabolity lipidů, indikátor funkcí jater, pankreatu, štítné žlázy aj., cholesterol: frakce lipidů, substrát pro tvorbu steroidních hormonů a žlučových kyselin, indikátor funkcí jater, pankreatu, štítné žlázy, mastné kyseliny: konečný produkt trávení lipidů, s řetězcem kratším než 12 uhlíků jsou v plazmě volně rozpuštěné, s řetězcem delším jsou transportovány ve vazbě na albumin, Transportní formou triacyglycerolů (TAG), cholesterolu a fosfolipidů v krevní plazmě jsou lipoproteiny, tj. komplexy lipidů s apoproteiny. Podle hustoty se dělí do pěti tříd: (1) chylomikrony, (2) lipoproteiny o velmi nízké hustotě (VLDLs, very-low-density lipoproteins), (3) intermediální hustotě (IDLs, intermediate-density lipoproteins), (4) nízké hustotě (LDLs, low-density lipoproteins) a (5) vysoké hustotě (HDLs, high-density lipoproteins). Čím vyšší je obsah TAG v lipoproteinech, tím je jejich hustota nižší a naopak čím je vyšší obsah proteinů, tím je jejich hustota vyšší. laktát: produkt neoxidativní glykolýzy, trávení sacharidů u polygastrů a metabolické aktivity laktobacilů (v bachoru přežvýkavců), bilirubin: vzniká rozpadem hemoglobinu, ale i rozpadem myoglobinu (zejména u koně), ketolátky (acetoacetát, β-hydroxybutyrát, aceton): vznikají β-oxidací mastných kyselin, jsou rozpustné ve vodě a transportují se tedy volné, kyselina močová: je konečný degradační produkt metabolismu purinů, součástí krevní plazmy jsou i plyny O 2, CO 2, N 2 aj.

72 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 72 Významnou složkou krevní plazmy jsou nárazníkové systémy: hydrogenkarbonátový, proteinový, fosfátový, v erytrocytech je to pufr hemoglobinový a hydrogenkarbonátový (viz kap. I/8.4.2) VLASTNOSTI KRVE Mezi podstatné vlastnosti krve patří: viskozita (vazkost) je to vnitřní tření krve, je opakem tekutosti (fluidity), určuje se na základě srovnání s vodou, závisí na počtu buněčných elementů (zejména erytrocytů) a koncentraci plazmatických proteinů, má význam pro hemodynamiku (proudový odpor), normálně kolem 4,5, krevní plazma poloviční; osmolalita je počet rozpuštěných částic v krevní plazmě, závisí na koncentraci solí, glukózy, N-metabolitů (proteiny ji příliš neovlivňují), normálně kolem 300 mmol/kg vody; Kvalifikovaný odhad osmolality je: 2[Na] + [glc] + [urea] (takto odhadovaná osmolalita odpovídá v podstatě osmolalitě měřené). osmotický tlak je rozdíl počtu osmoticky aktivních částic mezi krevní plazmou a vodou při ideálně semipermeabilní membráně, závisí na osmolalitě, normálně kolem 750 kpa; tonicita je osmotický tlak roztoku proti krevní plazmě, izotonicita =1, hypertonicita >1, hypotonicita <1, hypotonické roztoky můžou způsobit hemolýzu, hypertonické můžou dráždit stěnu cév; onkotický tlak znamená vztah plazmatických proteinů k intersticiální tekutině (kapilární stěny jsou pro proteiny neprostupné), normálně kolem 3,5 kpa; poměrná hustota je specifická hmotnost krve proti vodě, závisí na hodnotě hematokritu a koncentraci plazmatických proteinů, normálně krev , plazma HEMATOPOÉZA Hematopoéza (krvetvorba) prochází v průběhu ontogeneze třemi obdobími: (1) mezoblastové v krevních ostrůvcích žloutkového váčku, později i v mezenchymu: nediferencované buňky hemocytoblast megaloblast megalocyt; (2) hepatolienální CZ.1.07/2.2.00/

73 73 KREV intrauterinně a ještě krátce po narození, erytropoéza: megaloblasty normoblasty (erytroblasty) normocyty (erytrocyty), granulopoéza a megakaryopoéza, začíná lymfopoéza (ale v lymfatické tkáni pokračuje v určitých fázích po celý život); (3) medulární již intrauterinně (v druhé polovině gravidity) a potom zejména postnatálně v červené kostní dřeni, erytropoéza: megaloblasty normoblasty (erytroblasty) normocyty (erytrocyty), granulopoéza, megakaryopoéza, také lymfopoéza, tzn. kostní dřeň je komplexní orgán krvetvorby; Při zvýšené potřebě po narození a dále při poruchách krvetvorby, hemolýze a krvácení dochází k extramedulární krvetvorbě (ve slezině, játrech), některé fáze lymfopoézy probíhající extramedulárně jsou fyziologické. předpoklady pro hematopoézu substráty: aminokyseliny, železo (pro hemoglobin), biokatalyzátory: měď (pro absorpci železa), kobalt (součást vit. B 12 ), vitamin B 12 (pro syntézu nukleových kyselin), vitamin B 6 (inkorporace železa do hemoglobinu), vitamin C (pro absorpci železa), hematopoetické induktivní mikroprostředí (HIM) zahrnuje: makrofágy, fibroblasty, endotelie, tukové buňky, vývojová stadia krevních buněk, retikulum, sinusoidy, růstové faktory (hematopoetiny), jsou to vlastně cytokiny, na cílovou buňku působí receptorovým mechanismem,

74 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 74 Růstový faktor Stimulace tvorby (příklady) erytropoetin erytrocyty, megakaryocyty CSF-GM granulocyty, monocyty CSF-G granulocyty neutrofilní CSF-M monocyty IL-1 potenciace odpovědi kmenových buněk na jejich růstové faktory IL-2 lymfocyty IL-3 (multi-csf) CFU-E, CFU-Meg IL-4 CFU-E, CFU-Meg, lymfocyty IL-5 CFU-GM, B-lymfocyty IL-6 CFU-E, CFU-GM, CFU-Meg IL-7 lymfocyty IL-9 erytrocyty, megakaryocyty, T-lymfocyty IL-11 CFU-E, CFU-GM, megakaryocyty trombopoetin megakaryocyty Vysvětlivky: CSF = colony stimulating factors, faktory stimulující kolonie, IL = interleukiny, CFU = colony forming units, jednotky tvořící kolonie, E = erytrocyty, Meg = megakaryocyty, GM = granulocyty, monocyty mechanismus působení růstových faktorů (je základě interakce s receptorem): hormonální nebo hormonům podobné faktory: stimulační: somatotropní hormon (STH), prolaktin (PRL), adrenalin, tyreoidální hormony (trijodtyronin, tyroxin), glukokortikoidy (kortizol, kortikosteron neutrofily, méně erytrocyty a trombocyty), androgeny (testosteron), erytropoetin, trombopoetin, inhibiční: estrogeny, glukokortikoidy ( lymfocyty), faktory nekrotizující tumory (TNF, tumor necrosis factors), interferony (IFN), transformující růstový faktor β (TGFβ, transforming growth factor β, prostaglandiny E 1, 2 (PGE 1, 2 ), makrofágový zánětový protein (MIP, macrophage inflammatory protein), leukemický inhibiční faktor (LIF, leukemia inhibiting factor) aj. ; hematopoézu lze členit na: myelopoézu, tj. vznik a vývoj části bílé krevní řady (granulocytů = granulopoéza, monocytů), monocyty vznikají z téže progenitorové buňky jako granulocyty (CFU-GM), červené (erytrocytární, erytroidní) krevní řady (erytrocytů = erytropoéza), CZ.1.07/2.2.00/

75 75 KREV destičkové (megakaryocytární) řady (krevních destiček = trombopoéza), lymfopoézu, tj. vznik a vývoj lymfocytární (lymfoidní) řady (lymfocytů); vývoj krevních buněk multipotentní kmenová buňka výchozí mezenchymová buňka pro všechny krevní linie, většina je v klidovém stadiu, ale mají schopnost se dělit (sebeobnovy), progenitorové kmenové buňky schopnost sebeobnovy (omezená), mají schopnost diferenciace do jedné nebo více krevních řad, jsou citlivé na růstové faktory, označují se jednotky tvořící kolonie (CFU, colony forming unit), další písmena podle populace krevních buněk: CFU-GEMM CFU-GM, CFU-E, CFU-Meg, CFU-Eoz, CFU-Bazo, CFU-L, prekurzorové kmenové buňky erytrocytární linie: proerytroblast, granulocytů: myeloblast, monocytů: monoblast, lymfocytů: lymfoblast, megakaryocytů: megakaryoblast, Prekurzor Prekurzor vlastní Zralá buňka kmenový perybl erybl-bazo, erybl-poly, erybl-oxy, retikul erytrocyt mybl pmy, my, mmy granulocyt mobl pmo monocyt megbl pmeg, meg trombocyt lybl ply lymfocyt Vysvětlivky: perybl = proerytroblast, erybl-bazo = erytroblast bazofilní, erybl-poly = erytroblast polychromatofilní, erybl-oxy = erytroblast oxyfilní, retikul = retikulocyt, mybl = myeloblast, pmy = promyelocyt, my = myelocyt, mmy = metamyelocyt, mobl = myoblast, pmo = promonocyt, megbl = megakaryoblast, pmeg = promegakaryocyt, meg = megakaryocyt, lybl = lymfoblast, ply = prolymfocyt

76 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 76 vývojové stupně krevních buněk: Vysvětlivky: CFU-L = colony forming units, jednotky tvořící kolonie progenitorů lymfocytů, CFU-GEMM = colony forming units, jednotky tvořící kolonie progenitorů granulocytů, erytrocytů, monocytů, megakaryocytů blastové formy jsou schopné dělení (s výjimkou oxyfilního erytroblastu), mezi kostní dření a krví neexistuje neprostupná bariéra, tzn. za určitých patologických stavů (např. leukemií) se můžou prekurzory objevit v periferní krvi, což lze využít v diagnostice těchto stavů, s vývojem buněčných krevních elementů dochází obecně mj. k jejich zmenšování (s výjimkou megakaryocytární řady a promyelocytu ten je větší než myeloblast), rozšiřuje se nukleo-cytoplazmatický poměr (tzn. snižuje se podíl jádra na cytoplazmě), ubývá bazofilie cytoplazmy (bazofilie je podmíněna vysokým obsahem ribosomální RNA), chromatin hrubne, klesá počet ribosomů, ztrácí se schopnost dělení, s tím souvisí i změny jadérek aktivní jadérka se zmenšují, přeměňují se na méně aktivní (prstenčitá) a potom na neaktivní a nakonec mizí aj., celkově to znamená, že se snižuje buněčná aktivita (buňky hematologických malignit ale vykazují vysokou aktivitu), hlavní změny při vývoji krevních buněk (viz text výše): CZ.1.07/2.2.00/

77 77 KREV Prekurzory krevních buněk lze prokázat vyšetřením krevních nátěrů obarvených panopticky, tj. přehledně (např. barviva May-Grünwaldovo a Giemsy-Romanowského) pomocí světelného mikroskopu, retikulocyty se však hodnotí z nátěrů obarvených speciálně supravitálními barvivy (tj. jejich smíchání s krví před vytvořením krevního nátěru), např. brilantkrezylovou modří nebo novou metylenovou modří. retikulocyty: retikulocyt je název klinicko-hematologický, z pohledu fyziologie se tato buňka označuje proerytrocyt, v cytoplazmě retikulocytů jsou polyribosomy uspořádané do granulofilamentózní substance (což je RNA), v polyribosomech probíhá proteosyntéza, dosyntetizovává se zde asi 1/5 celkového hemoglobinu obsaženého v erytrocytu, za fyziologických podmínek trvá vývoj retikulocytu ve zralý erytrocyt asi 4-5 dní, asi jedna čtvrtina se nachází v periferní krvi ERYTROCYTY Mezi buněčné krevní elementy patří erytrocyty, leukocyty a trombocyty Charakteristika erytrocytů jsou to vysoce specializované buňky, savčí erytrocyty jsou bez jádra, mitochondrií, ribosomů, mají bikonkávní tvar (tím se zvětšuje jejich povrch asi o ⅓ a zvyšuje se deformabilita), deformabilita, tj. schopnost měnit tvar, je funkcí membrány, membrána je tvořena: fosfolipidy, skeletálními proteiny (proužkem 1, tj. spektrinem), kontraktilními proteiny (proužkem 5, tj. aktinem odpovídá za deformabilitu), transmebránovými proteiny (proužkem 3, tj. kapnoforinem, dále glykoforiny, Na + /K + -ATPázou, GLUTem 1, HCO 3 - /Cl - antiportem), kontaktními molekulami (formovanými do receptorů), identifikačními molekulami (antigeny krevních skupin),

78 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 78 mebrána erytrocytu: deformabilitu membrány lze hodnotit testem osmotické rezistence (viz Fyziologie I Praktická cvičení); velikost savčích erytrocytů: průměr 2,5-8 µm, tloušťka 2 µm, erytrocyt normální velikosti normocyt, odchylky velikosti mikrocyty vs. makrocyty, rozložení četnosti erytrocytů podle jejich průměru je graficky vyjádřeno Priceovou-Jonesovou křivkou: podíl erytrocytů na celkovém objemu krve vyjadřuje parametr hematokrit (viz Fyziologie I Praktická cvičení); z počtu erytrocytů, koncentrace hemoglobinu a hodnoty hematokritu lze vypočítat indexy krevního obrazu střední objem erytrocytu (MCV, mean cell/corpuscular volume), střední obsah hemoglobinu v erytrocytu (MCH, mean cell/corpuscular hemoglobin) a střední koncentrace hemoglobinu v erytrocytech (MCHC, mean cell/corpuscular hemoglobin concentration) (viz Fyziologie I Praktická cvičení); erytrocytů je u savců více než /kg ž. hm.; erytropoéza je mj. stimulována erytropoetinem (viz dále a také kap. II/10.4.9), a to na podkladě hypoxických stimulů (deficitu kyslíku): CZ.1.07/2.2.00/

79 79 KREV Vysvětlivky: CFU-E = colony forming unit, jednotka tvořící kolonie erytrocytárních progenitorů, BFU-E = burst forming unit-e Erytropoetin (EPO), chemicky glykoprotein, vzniká zejména v endotelu peritubulárních kapilár (macula densa) ledvin, ale také v hepatocytech a Kupfferových buňkách jater. Stimulátorem tvorby je hypoxie, mj. indukovaná hormony s metabolickými efekty (androgeny, tyreoidální hormony, katecholaminy). V kostní dřeni stimuluje EPO diferenciaci progenitorových buněk (viz výše) pro erytrocytovou a megakaryocytovou řadu (v proerytroblasty a megakaryoblasty). Degradace EPO probíhá v játrech. délka života savčích erytrocytů je podle druhu zvířat dnů Funkce erytrocytů hlavní funkcí erytrocytů je transport krevních plynů, tj. kyslíku a oxidu uhličitého, přenašečem je hemoglobin (viz dále), hemoglobin s navázaným kyslíkem oxyhemoglobin (HbO 2 ), hemoglobin s navázaným oxidem uhličitým karbaminohemoglobin (HbCO 2 ), ztráta buněčných organel znamená neschopnost hem- a proteosyntézy, změny energetického metabolismu, především probíhá neoxidativní glykolýza, z jedné molekuly glukózy vznikají 2 molekuly ATP, energie z ATP slouží hlavně k udržování bikonkávního tvaru krvinky a k regulaci transportu iontů a vody, glukóza vstupuje do erytrocytu facilitovanou difuzí pomocí GLUT 1 (transport glukózy přes membránu probíhá nezávisle na účinku inzulinu), asi 10 % glukózy nepodléhá glykolytickému štěpení a vstupuje do pentózového cyklu a erytrocyt tak získává NADPH (nikotinamidadenindinukleotidfosfát redukovaný), který se uplatňuje v antioxidační ochraně (je nutný pro regeneraci oxidovaného glutathiondisulfidu, GS-SG, na redukovaný glutathion, GSH, katalyzovanou glutathionreduktázou), a při zachování hemoglobinového železa v oxidačním stupni II (Fe 2+ );

80 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 80 Pentózový cyklus (pentózafosfátová metabolická dráha, hexózamonofosfátový zkrat) je alternativní cesta oxidace glukózy (přímá oxidace glukózy na CO 2 ). Vzniká přitom NADPH (nikotinamidadenindinukleotidfosfát redukovaný), který se uplatňuje v redukčních reakcích, např. při redukci GS-SG (viz výše), syntéze mastných kyselin nebo steroidních látek, a získává se také ribóza-5-fosfát, který slouží pro syntézu nukleotidů a nukleových kyselin. Pentózový cyklus ale negeneruje ATP. Pentózový cyklus je lokalizován kromě erytrocytů a leukocytů v cytosolu hepatocytů, adipocytů, buněk kůry nadledvin aj. Při defektu enzymu glukóza-6-fosfátdehydrogenázy (jeden z enzymů pentózového cyklu) vznikají hemolytické anémie. kromě toho se glukóza uplatňuje také při syntéze 2,3-bisfosfoglycerátu (2,3-BFG), 2,3-BFG vzniká na vedlejší cestě glykolýzy označované 2,3-BFG bypass nebo také 2,3-BFG shunt, 2,3-BFG zvyšuje utilizaci kyslíku (viz také kap. II/2.10), tím, že se naváže na β-řetězce hemoglobinu dojde ke konformační změně hemoglobinu ten má sníženou afinitu ke kyslíku zvýšená utilizace O 2 : Vysvětlivky: 2,3,-BFG = 2,3-bisfosfoglycerát silná antioxidační ochrana, je představována hlavně glutathionperoxidázou, další enzymová výbava: methemoglobinreduktázy významné pro stabilizaci Fe 2+, karbonátdehydratáza katalyzuje reakce zúčastněné na výměně oxidu uhličitého (viz také kap. I/8.4, kap. II/2.9); Lemurové (Lemuriformes) žijící na Madagaskaru mají vysokou aktivitu methemoglobinreduktáz a jsou proto odolnější proti otravě kyanovodíkem a kyanidy. hemoglobin hemoprotein složený z hemu a globinu, globin (0,96, tj. 96 % hemoglobinu) je tvořený 4 řetězci ( 1, 2, 1, 2 ), syntéza probíhá na ribosomech prekurzorů (viz dále), hem (0,04, tj. 4 % hemoglobinu), základem je protoporfyrin (4 pyrrolová jádra spojená methinovými můstky), v centru je Fe 2+, syntéza hemu probíhá v několika krocích v mitochondriích a cytosolu prekurzorů: CZ.1.07/2.2.00/

81 81 KREV Vysvětlivky: ALA = -aminolevulová kyselina, PBG = porfobilinogen hemoglobinizace má počátek ve stadiu bazofilního erytroblastu, maximum je ve stadiu polychromatofilního erytroblastu, 20 % probíhá v retikulocytu, denně činí syntéza hemoglobinu 90 mg/kg ž. hm., zdrojem železa pro hemoglobin je plazmatický transferrin, transferrin (obsahuje Fe 3+ ) kontaktuje svůj receptor na membráně erytroblastu, membrána se začne vchlipovat (invaginovat) do formování intracelulární vakuoly, vakuola splývá s lyzosomy a Fe 3+ je uvolňováno do cytoplazmy, po jeho redukci na Fe 2+ je za enzymové katalýzy inkorporováno do vznikajícího hemu, koloběh železa: podíl hemoglobinu v erytrocytu je 0,34 (34 %), erytrocyt s normálním obsahem hemoglobinu normochromní erytrocyt,

82 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 82 odchylky erytrocyt hypochromní, erytrocyt hyperchromní, pro funkci hemoglobinu je důležitá struktura, primární, tzn. pořadí aminokyselin, sekundární, tzn. poloha řetězců, terciární, tzn. prostorový vztah podjednotek, afinita hemoglobinu ke kyslíku je vyjádřená disociační křivkou, v plicích je afinita hemoglobinu ke kyslíku mnohem vyšší než v jiných tkáních, kde se kyslík uvolňuje, afinita závisí na teplotě, obsahu 2,3-BFG, CO 2, ph (Bohrův efekt), disociační křivka hemoglobinu pro kyslík: Vysvětlivky: 2,3,-BFG = 2,3-bisfosfoglycerát hlavní formy hemoglobinu: hemoglobin embryonální schopnost saturace nízkým po 2, fetální (HbF) má vyšší afinitu ke kyslíku, hemoglobin dospělých (HbA) Zánik erytrocytů Zánik (rozpad) erytrocytů se označuje erytrolýza (méně přesně hemolýza), ta může být: fyziologická: extravaskulárně (90 % starých erytrocytů, 1 % erytrocytů vystoupivších z cév), intravaskulárně (10 % starých erytrocytů); patologická: působení různých lytických faktorů, např. - vrozené defekty membrány erytrocytů nebo snížená aktivita antioxidačních enzymů, - získané poruchy vyvolané působením fyzikálních, chemických nebo biologických faktorů; efektory při zániku krevních buněk (efektory hemolýzy) vlastní lyzosomální enzymy (původem z leukocytů), fagocytóza buňkami mononukleárního fagocytárního systému (MFS), místo zániku souvisí s funkčním zapojením buněk; příčiny zániku CZ.1.07/2.2.00/

83 83 KREV snížení aktivity enzymů sacharidového metabolismu, oxidativní poškození (působení oxidačního stresu, snížení aktivity antioxidačních enzymů) vede k: vzestupu tvorby methemoglobinu (obsahuje Fe 3+ ) vznik hemichromů, jejichž vazba na membránu má za následek snížení deformability erytrocytů a snazší záchyt ve slezině (kde jsou fagocytovány), tj. dochází k extravaskulárnímu rozpadu, extravaskulární rozpad se týká drtivé většiny starých krvinek a asi 1 % erytrocytů vystoupivších z cév (viz výše), na povrchu membrány starých buněk (erytrocytů) se kromě toho formuje antigen stárnoucích buněk (SCANT, senescent cell antigen), na který se vážou imunoglobuliny třídy G, tento komplex je potom fagocytován makrofágy, hemoglobin je degradován v několika krocích, konečným produktem metabolizace hemu je bilirubin, globin je reutilizován, degradace hemoglobinu: Degradace hemoglobinu je zdrojem vzniku oxidu uhelnatého v organismu. Endogenní oxid uhelnatý se uplatňuje jako neurotransmiter (viz kap. II/11.1.3), působí protizánětově, má vazodilatační účinek a stimuluje novotvorbu krevních cév. jen asi 10 % starých nebo poškozených erytrocytů se rozpadá přímo v cévách (intravaskulárně, viz výše), z erytrocytu uvolněný hemoglobin (tj. volný) se jednak rozpadá na, β-dimery a jednak se váže na plazmatický glykoprotein haptoglobin (vznikne komplex hemoglobin-haptoglobin), tyto komplexy jsou velké a nemůžou být proto vyloučeny ledvinami, jsou ale vychytávány MFS (např. v játrech), kde se štěpí stejně jako při extravaskulárním rozpadu, Fe je potom znovu využito, pokud je nedostatek haptoglobinu (při extrémním rozpadu erytrocytů), komplexy nemůžou vzniknout a volný hemoglobin je buď vyloučen ledvinami, nebo je oxidován na methemoglobin při jeho degradaci uvolněný hem (methem) se váže na hemopexin (β 1 -globulin) a v této vazbě se dostává do jater, kde je metabolizován, u primátů se hem z methemoglobinu může vázat na albumin za vzniku methemalbuminu, který přenáší methem na hemopexin a ve vazbě s ním se dostává do jater,

84 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 84 intravaskulární hemolýza (viz text výše): Abnormality erytrocytů v periferní (obvodové) krvi se můžou týkat jejich počtu, velikosti a tvaru, obsahu a forem hemoglobinu a eventuálně přítomnosti inkluzí v cytoplazmě. Zvýšení počtu erytrocytů nad horní mez referenčního rozmezí se označuje erytrocytemie nebo erytrocytóza, v klinické literatuře je běžně užívaný termín polycytemie, příčinou může být zvýšená krvetvorba v důsledku nádorového onemocnění kostní dřeně či hypoxických stavů (při nichž bývá zvýšená syntéza erytropoetinu zpočátku má kompenzační účel), relativní zvýšení počtu erytrocytů bývá při dehydrataci. Snížení počtu erytrocytů pod dolní mez referenčního rozmezí se označuje erytrocytopenie, v klinické literatuře oligocytemie, hlavní příčinou jsou anémie, relativní snížení je v poslední třetině gravidity a při vysoké laktaci (důvodem je hemodiluce) a také u mláďat (štěňat, koťat do 3 měsíců věku). V medicíně psů a koček je velmi důležité stanovení počtu retikulocytů (retikulocyt je klinické označení pro vývojové stadium erytrocytu, ve fyziologické literatuře se označuje proerytrocyt, viz výše), retikulocyty mají u těchto zvířat význam v diagnostice anémií (zvýšený počet je u anémií spojených se stimulací kostní dřeně, např. při krevních ztrátách), anémie s počtem retikulocytů nad referenční rozmezí se označují regenerativní. Velké erytrocyty (střední objem erytrocytu MCV nad horní mezí referenčního rozmezí) se označují makrocyty, vyskytují se při některých anémiích (megaloblastové anémie z deficitu folátu a vit. B 12 ). Malé erytrocyty (MCV pod dolní mezí referenčního rozmezí) se označují mikrocyty, vyskytují se např. u sideropenické anémie (tj. při deficitu železa). Změny tvaru erytrocytů jsou rozmanité a může se jednat např. o prstenčité erytrocyty (anulocyty), terčovité erytrocyty (leptocyty), erytrocyty s výběžky (akantocyty), erytrocyty nepravidelného tvaru (poikilocyty), kulovité erytrocyty (sférocyty), uvedené tvarové abnormality se vesměs vyskytují u různých anémií. Erytrocyty s vysokým obsahem hemoglobinu se označují hyperchromní a vyskytují se při regenerativních anémiích. Erytrocyty s nízkým obsahem hemoglobinu se označují hypochromní a vyskytují se u anémií z nedostatku železa. CZ.1.07/2.2.00/

85 85 KREV Inkluze v erytrocytech můžou zahrnovat např. Howellova-(Jollyho) tělíska (zbytky jádra erytroblastu) vyskytují se např. u regenerativních anémií, Heinzova tělíska (shluky denaturovaného hemoglobinu) vyskytují se při otravách. Významný je nález penízkovatění erytrocytů (rouleaux/ruló formací) erytrocyty se překrývají jako rybí šupiny, což je pozorováno při zánětech. Patologické formy hemoglobinu, neschopné vázat O 2, jsou: karboxyhemoglobin je hemoglobin s navázaným oxidem uhelnatým (má vysokou afinitu k hemoglobinu), vazba CO je reverzibilní, vyskytuje se při otravách CO (CO je ale také přirozený produkt metabolismu vzniká působením enzymu hemoxygenázy při rozpadu erytrocytů, viz výše), methemoglobin je hemoglobin s převahou Fe 3+, tj. hemoglobin oxidovaný, vazba Fe 3+ je reverzibilní, vyskytuje se při nedostatku enzymu NADHmethemoglobinreduktázy (prokázáno u psů a koček) nebo glutathionreduktázy (prokázán familiární výskyt u koní) a působením řady léků (např. sulfonamidů) a v krmivu obsažených dusitanů a dusičnanů, sulfhemoglobin je sulfidovaný hemoglobin, tj. s vnesenou sírou do jeho molekuly, vazba je ireverzibilní, vyskytuje se při dlouhodobém užívání některých léků (acetanilidu) nebo otravě sulfanem (sirovodíkem) LEUKOCYTY Charakteristika leukocytů jsou to jaderné buněčné krevní elementy; v jejich počtech nejsou mezipohlavní rozdíly, jsou ale rozdíly v ontogenezi novorozenci a mladí jedinci mají obvykle zvýšený počet leukocytů (neutrofilních granulocytů), je prokázáno také cirkadiánní kolísání ráno minimum, postupně s růstem zátěže během dne zvyšování počtu; leukocyty se člení podle různých hledisek, podle přítomnosti, resp. nepřítomnosti specifických granul v cytoplazmě: granulocyty mají specifická (sekundární) granula, - ta obsahují např. alkalickou fosfatázu, lyzozym, antimikrobiální peptidy, např. defenziny, proteolytické enzymy elastázu, kolagenázu (neutrofilní granulocyty), myeloperoxidázu (neutrofilní granulocyty), histamin (eozinofilní granulocyty, bazofilní granulocyty), heparin (bazofilní granulocyty) aj., Při vysoké aktivitě proteolytických enzymů, např. při rozsáhlém zánětu, můžeme očekávat poškození tkání nebo orgánů. Toto nebezpečí do jisté míry eliminují plazmatické inhibitory proteináz ( 1 -antitrypsin, 2 -makroglobulin aj.). Významným enzymem neutrofilů je myeloperoxidáza, která katalyzuje reakci H 2 O 2 s Cl - za vzniku kyseliny chlorné (HClO), resp. chlornanů. Ty vykazují významné oxidační účinky, čímž napomáhají zabíjení fagocytovaných bakterií. - granula se tvoří na úrovni myelocytu (na tomto stupni lze optickým mikroskopem rozlišit neutrofilní, eozinofilní nebo bazofilní myelocyt), - podle afinity k barvivům se klasifikují do 3 populací: granulocyty neutrofilní, granulocyty eozinofilní, granulocyty bazofilní, (morfologie granulocytů viz Fyziologie I Praktická cvičení, u hlavních zvířecích druhů

86 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 86 viz dále), neutrofilní granulocyty (neutrofily) u psa, kočky a koně jsou obvykle nejpočetnější populací leukocytů, podle stupně vyzrávání (vyjádřeného tvarem jádra) se klasifikují tyčky/tyče (jádro nesegmentované) a segmentované neutrofily (jádro segmentované), průměrný počet jaderných segmentů je vyjádřen Hynkovým číslem (HČ, označovaným také Schillingův index), tj. počet jaderných segmentů/100 neutrofilů (viz Fyziologie I Praktická cvičení), fyziologická hodnota HČ se blíží 3, zvyšuje-li se v periferní krvi počet tyček, jde o jejich předčasné vyplavování z kostní dřeně, což se označuje posun doleva (k mladým formám), opačný stav se označuje posun doprava (počet segmentů nad 5 hypersegmentace), v periferní krvi přežívají neutrofily několik hodin, z krve můžou na základě různých signálů přestupovat do tkání (viz kap. I/7.3), v periferní krvi vytvářejí hotovost cirkulujících buněk (axiální/osový pool) a hotovost marginujících buněk, tj. adherovaných nebo rolujících na stěnách cév (marginující pool), marginující neutrofily zaujímají fyziologicky více než 50 % všech neutrofilů, neutrofily mají vysokou schopnost fagocytózy (viz dále), abnormality viz dále, eozinofilní granulocyty (eozinofily) jádro má obvykle dva segmenty (má tvar brýlí), jejich schopnost fagocytózy je nižší než u neutrofilů, v periferní krvi přežívají maximálně týden, abnormality viz dále, bazofilní granulocyty (bazofily) jejich průkaz v periferní krvi je vzácný, funkčně jsou vlastně cirkulující formou žírných buněk (ale mají na rozdíl od nich segmentované jádro), na svém povrchu mají receptory pro imunoglobuliny třídy E, při každém jejich záchytu v periferní krvi je třeba pomýšlet na možnou patologickou situaci, v periferní krvi přežívají maximálně týden, abnormality viz dále, Vyšší výskyt bazofilních granulocytů je uváděn u psů plemene basenži. na úrovni myeloblastu se začínají objevovat granula azurofilní (primární), což jsou lyzosomy, buněčné jádro granulocytů má různý tvar, proto označení polymorfonukleáry (morfologie viz Fyziologie I Praktická cvičení a hlavních zvířecích druhů viz dále), postnatálně probíhá tvorba v kostní dřeni, k zisku energie je využívána glukóza (neoxidativní glykolýza), glukóza je stejně jako u erytrocytů využívána v pentózovém cyklu k získání NADPH, k transportu glukózy slouží GLUT 6, zánik: slezina, játra, plíce, sliznice orgánových systémů, agranulocyty jsou bez specifických granul, můžou být ale přítomná azurofilní granula a vakuoly, mají kompaktní jádro, proto označení mono(morfo)nukleáry, (morfologie viz Fyziologie I Praktická cvičení a u hlavních zvířecích druhů viz dále), lymfocyty B a lymfocyty T lymfocyty jsou obvykle nejpočetnější populací bílých krvinek u přežvýkavců a prasete, CZ.1.07/2.2.00/

87 87 KREV klasifikace je na základě povrchových znaků (CD znaků, CD = cluster of differentiation), optickým mikroskopem jsou B- a T-lymfocyty neodlišitelné, lymfocyty bez CD znaků se označují nulové, většinou to jsou NK-buňky (viz dále), tvorba v primárních (centrálních) lymfoidních tkáních (tj. v thymu a kostní dřeni), odtud vycestovávají nezralé (lymfoidní) buňky do sekundárních (periferních) lymfoidních tkání (tj. sleziny, mízních uzlin, slizničních lymfoidních tkání) (viz kap. I/7.2), lymfocyty mezi krví a lymfou recirkulují: z krevního řečiště periferní lymfatické tkáně malé cévy větší cévy přes ductus thoracicus zpět do krevního oběhu, v lymfatických tkáních se setkávají s antigeny a uskutečňují pak svoje imunitní funkce, obsahují fosfatázy a lipidy, B-lymfocyty (B-buňky) název od bursa Fabricii, 30 % se nachází v periferní krvi, antigenní stimulací B-lymfocytů plazmoblast proplazmocyt plazmocyt, na svém povrchu mají receptory pro vazbu antigenu (BCR, B-cells receptors), délka života B-lymfocytů: dní, T-lymfocyty (T-buňky) název odvozen od thymu, 70 % se nachází v periferní krvi, na svém povrchu mají receptory pro vazbu antigenu (TCR, T-cells receptors), - subpopulace pomocných lymfocytů (T H ) stimulují B-lymfocyty k produkci protilátek, - subpopulace cytotoxických lymfocytů (T C ) mají cytotoxický efekt, - subpopulace regulačních T-lymfocytů (T reg ) tlumí imunitní reakce, délka života T-lymfocytů: roky, B- a T-lymfocyty se zachovávají po ukončené imunitní odpovědi jako paměťové buňky, malé lymfocyty jsou klidovým stadiem, velké jsou aktivní (antigenní stimulací se lymfocyt zvětšuje, tvar jádra se stává nepravidelným, prokazují se jadérka, cytoplazma je bazofilnější, zvyšuje se podíl azurofilních granul), NK-buňky název odvozen od NK (natural killer), tj. od jejich lytické aktivity, jsou to velké lymfocyty s velkými azurofilními granuly, nazývají se také non B- a non T-buňky, monocyty jsou považovány v periferní krvi za nevyzrálé buňky, které se zde vyskytují několik hodin až dní a pak vstupují do tkání (viz dále), v periferní krvi je hotovost marginální (větší) a hotovost cirkulující (menší), výstup z krve transformace na tkáňové makrofágy (1) fixní (nefagocytující) makrofágy, označované histiocyty, (2) putující (fagocytující) makrofágy, jsou součástí MFS, obsahují esterázy, defenziny, myeloperoxidázu (pouze mladé), lyzozym, postnatálně probíhá tvorba v kostní dřeni, délka života v periferní krvi: dny (pak přestupují do tkání),

88 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 88 podle členitosti jádra se leukocyty člení na: mononukleáry (monocyty, lymfocyty), poly(morfo)nukleáry (neutrofily, eozinofily, bazofily); podle vývojové linie se leukocyty člení na: myeloidní buňky (granulocyty, monocyty), lymfoidní buňky (lymfocyty, plazmocyty); podle fagocytární kapacity se člení na: mikrofágy (neutrofily, eozinofily), makrofágy (monocyty, putující makrofágy); podle imunologického hlediska se označují imunocyty a člení se na: lymfocyty (B-lymfocyty, T-lymfocyty, NK-buňky), plazmocyty neboli plazmatické buňky; Funkce leukocytů obranyschopnost zajišťují buněčné enzymy, cytokiny a další látky (mediátory), granulocyty: nespecifická imunita (fagocytóza), k fagocytóze musí být fagocyty aktivovány, přičemž se zvyšuje spotřeba glukózy a O 2, což se označuje respirační/oxidativní vzplanutí (respiratory/oxidative burst), agranulocyty: specifická i nespecifická imunita, obrana organismu podrobněji viz kap. I/7.3; Abnormality leukocytů v obvodové krvi zahrnují změny počtu leukocytů a jejich hlavních populací, změny jádra a změny cytoplazmy, změny se můžou týkat také funkcí leukocytů. Zvýšený počet leukocytů nad horní mez referenčního rozmezí se označuje leukocytóza, snížený počet leukocytů pod dolní mez referenčního rozmezí se označuje leukopenie. Na těchto odchylkách se hlavně podílí změny počtu dvou nejpočetnějších populací leukocytů, tj. neutrofilů a lymfocytů. Zvýšený počet neutrofilů nad horní mez referenčního rozmezí se označuje neutrofilie, příčinami bývají bakteriální záněty (bakteriální infekce vyvolají u psa, kočky a prasete velké zvýšení počtu neutrofilů, u koně jen mírné zvýšení a skot dokonce nemusí zvýšením reagovat), dále stres, nádorová onemocnění kostní dřeně aj. CZ.1.07/2.2.00/

89 89 KREV Snížený počet neutrofilů pod dolní mez referenčního rozmezí se označuje neutropenie, příčinami bývají akutní virové infekce (parvoviróza), sepse aj. Zvýšený počet eozinofilů nad horní mez referenčního rozmezí se označuje eozinofilie, příčinami můžou být hypersenzitivity, parazitární infekce aj. Diagnostický význam sníženého počtu eozinofilů je malý. Zvýšený počet bazofilů nad horní mez referenčního rozmezí se označuje bazofilie, příčinou bývají parazitární infekce aj. Snížený počet bazofilů vzhledem k fyziologickému velmi nízkému výskytu bazofilů v obvodové krvi nepřipadá v úvahu. Zvýšený počet lymfocytů nad horní mez referenčního rozmezí se označuje lymfocytóza, příčinami můžou být chronické infekce, nádorová onemocnění krvetvorných orgánů aj. Snížený počet lymfocytů pod dolní mez referenčního rozmezí se označuje lymfopenie, příčinami bývají stres, akutní virové infekce aj. Zvýšený počet monocytů nad horní mez referenčního rozmezí se označuje monocytóza, příčinami bývají záněty spojené se značnou tkáňovou destrukcí (hnisavé, nekrotické) aj. Diagnostický význam sníženého počtu monocytů je malý. V průběhu bakteriálního zánětu je diagnostikována zánětová leukocytóza, která je historicky vyjádřena Schillingovou křivkou: nejprve nastupuje (1) fáze bojová, vyznačující se neutrofilií s posunem doleva (k mladým formám, tj. tyčkám a metamyelocytům), trvá asi první tři dny, následuje (2) obranná fáze s výskytem monocytózy, trvá 4-7 dnů, (3) fáze ozdravná, charakteristická především lymfocytózou. Z odchylek jádra lze uvést reaktivní lymfocyty (jádro se záhyby podobně jako jádro monocytů), vyskytují se při infekcích. Z odchylek cytoplazmy lze uvést toxické granulace nebo Döhleho tělíska (zvětšená tmavě modře zbarvená granula, obsahující RNA), vyskytují se při infekcích a otravách. Změny funkcí leukocytů se můžou týkat fagocytární schopnosti neutrofilů (defekty adheze, chemotaxe, oxidativního vzplanutí), funkcí lymfocytů (proliferace T-lymfocytů, tvorby protilátek, cytokinů, cytotoxicity) aj TROMBOCYTY Charakteristika trombocytů jsou to buněčné bezjaderné fragmenty, nemůže v nich proto probíhat proteosyntéza, mitochondrie a Golgiho komplex ale vykazují vysokou aktivitu; hlavním zdrojem energie je glukóza utilizovaná v neoxidativní glykolýze; v jejich cytoskeletu je vysoký obsah aktinu a myozinu, což je podstatou jejich kontraktilní schopnosti; trombocyty se oddělují z výběžků megakaryocytů (na buněčné membráně) a uvolňují se tak do krevních sinů a krevního oběhu, (z jednoho megakaryocytu se oddělí několik tisíc destiček); asi ⅓ destiček je uložena ve slezině (slezinná hotovost destiček), u zvířat s kontraktilní slezinou (pes, kočka, kůň) je třeba počítat se zvýšením počtu trombocytů v periferní krvi při křečích nebo stresu; velikostní průměr 2-4 µm; tvorba je stimulována erytropoetinem a zejména trombopoetinem:

90 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 90 Trombopoetin, chemicky glykoprotein, je růstový faktor, produkovaný játry, zvyšuje počet megakaryocytů v kostní dřeni a stimuluje vznik většího počtu trombocytů z jednoho megakaryocytu. délka života: maximálně 10 dní; na svém povrchu nesou antigeny; funkční struktura (4 zóny): (1) periferní zóna glykoproteinový glykokalyx, jsou zde exprimované receptory, receptory zprostředkovávající aktivaci koagulačních dějů: receptory pro kolagen, ADP, tromboxan A 2 (TXA 2 ), faktor aktivující destičky (PAF, platelet activating factor), serotonin, trombin, dále receptory zprostředkující adhezi, destičková membrána, je tvořená 2 vrstvami fosfolipidů, fosfolipidy se uplatňují v koagulaci a označují se destičkový faktor 3 (PF3, platelet factor 3), (2) zóna rozpustného gelu (sol-gel) obsahuje mikrofilamenta a mikrotubuly, jsou tvořené aktinem, myozinem, spektrinem, tropomyozinem, proteinem vázajícím aktin (ABP, actin-binding protein), (3) zóna organel obsahuje mitochondrie, peroxisomy, granula (,, ), peroxisomy obsahují antioxidační enzymy (glutathionperoxidázu, katalázu), -granula obsahují destičkový faktor 2 (PF 2, β-tromboglobulin), destičkový faktor 4 (PF 4, protein vázající heparin), von Willebrandův faktor (viz dále), destičkový růstový faktor (PDGF, platelet-derived growth factor) pro fibroblasty, hladkosvalové buňky a glie, dále obsahují protein S aj., -granula (denzní) skladují serotonin, Ca 2+, ATP, ADP, GDP, GTP, polyfosfáty aj., -granula lyzosomy (obsahují katepsin, kyselou fosfatázu, β-glukuronidázu), Von Willebrandův faktor je plazmatický glykoprotein produkovaný megakaryocyty, ale také endotelem, játry aj., jeho úlohou je (1) adherence krevních destiček na kolagen přítomný ve stěně cévy a (2) vazba na koagulační faktor VIII, čímž zpomaluje jeho odbourávání. CZ.1.07/2.2.00/

91 91 KREV (4) membránové systémy zahrnují vzájemně propojený otevřený kanalikulární a denzní tubulární systém, otevřený kanalikulární systém komunikuje s buněčným povrchem a má význam pro transport obsahu granul na povrch destičky, denzní tubulární systém obsahuje Ca 2+ a svými enzymy se zúčastní tvorby derivátů kyseliny arachidonové (prostaglandinů, prostacyklinu, TXA 2 ) ovlivňujících hemostazi; Funkce trombocytů účast v hemostazi (zástavě krvácení) s fázemi (viz také kap. I/6.9): (1) tvorba primární krevní zátky (trombu), zahrnuje: adhezi trombocytů na cizí povrch (tj. nikoliv destičkový), obnažené subendotelové struktury a uvolněné látky nejprve destičky přitahují a ty následně adherují na povrch poškození, destičky vytvářejí výběžky (pseudopodia), látky obsažené v granulech se uvolňují, adheze závisí na počtech destiček, faktorech v nich obsažených (von Willebrandově faktoru aj.), receptorech a adhezivních plazmatických proteinech (fibronektinu aj.), viskozitě krve, velikosti a tvaru cév a samozřejmě na obnažených subendotelových strukturách, agregaci trombocytů, která vede k formování primární zátky, podstatou je vytvoření komplexu Ca 2+ + GP (glykoprotein) IIb/IIIa + fibrinogen, důležitým faktorem je ADP, spouštěcími faktory jsou kolagen (jen v přítomnosti ADP) a dále PAF, TXA 2, trombin, plazmin aj., na formování zátky se podílejí i erytrocyty, neutrofily, endotelie a jejich produkty, retrakci (smršťování) koagula, přitom se pseudopodia přimknou k vláknům fibrinu, tím dojde k aktivaci kontraktilních proteinů, které se smrští, pseudopodia se zatáhnou a retrahuje i zátka, (2) facilitace (usnadnění) koagulace, která spočívá: v uplatnění prokoagulačního povrchu destičky a ve vlastním působení destičky, aby se povrch destičky uplatnil, musí být destička aktivována, podstatou aktivace je přesun/přesmyknutí (flip/flop fenomén) negativně nabitých fosfolipidů navenek (normálně jsou fosfolipidy na vnitrobuněčné straně membrány), fosfolipidový povrch destičky je nutný pro aktivaci koagulačního faktoru X (FX) aktivovaným faktorem IX (FIXa) a pro aktivaci FII aktivovaným FX (FXa), aktivované destičky můžou samy přímo aktivovat další koagulační faktory (např. jsou-li aktivovány kolagenem, je přímo aktivován FXI, při aktivaci pomocí ADP je to FXII), Destičkové fosfolipidy (destičkový faktor 3, PF3, platelet factor 3), jsou významným způsobem zapojeny do hemokoagulace, neboť na nich dochází k interakcím koagulačních faktorů s následným vznikem komplexů tenáz, protrobinázy, proteinu C (viz dále). účast v zánětových reakcích: prostřednictvím mediátorů zánětu (např. polyfosfátů obsažených v -granulech), dalších látek serotoninu, PDGF, účast při hojení ran: prostřednictvím růstových faktorů přítomných v destičkách PDGF.

92 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 92 Abnormality trombocytů v obvodové krvi zahrnují změny jejich počtu a funkcí. Zvýšený počet trombocytů nad horní mez referenčního rozmezí se značuje trombocytemie, přičemž tento termín vyjadřuje primární zvýšení (má původ krvetvorném orgánu, tj. v kostní dřeni), příčinou je nádorové onemocnění kostní dřeně (zvýšená megakaryopoéza). Sekundární zvýšení počtu trombocytů nad horní mez referenčního rozmezí se označuje trombocytóza, příčinami můžou být chronické záněty, akutní krvácení, stres, křeče aj. Snížený počet trombocytů pod dolní mez referenčního rozmezí se označuje trombocytopenie, základem je snížená tvorba, zvýšená destrukce nebo sekvestrace (vyřazení z činnosti, např. při torzi sleziny) trombocytů, příčinami můžou být virové infekce, poruchy imunity, sepse, zmíněná torze sleziny aj. Poruchy funkce trombocytů se označují trombocytopatie, zvýšená funkce je při diabetes mellitus, nádorových onemocněních a vážných onemocněních ledvin, snížená funkce může být vrozená u některých plemen psů (basetů, špiců) a prasat, nebo získaná při onemocnění jater, ledvin, nádorů aj BUNĚČNÉ KREVNÍ ELEMENTY U VYBRANÝCH DRUHŮ SAVCŮ Pes Erytrocyty mají průměrnou velikost 7 μm; bikonkávní tvar červené krvinky je zřetelnější než u ostatních domácích zvířat; proto i centrální projasnění (výbled) erytrocytu je jasně zřetelné a zaujímá ⅓ až ½ průměru krvinky (proto je obtížné odlišení od anulocytů při hemolytických anémiích); při použití barvení podle Giemsy-Romanowského nebo podle Wrighta lze příležitostně pozorovat polychromatofilní (modravé) krvinky (normálně tvoří u dospělých psů maximálně 1 % erytrocytů), většinou jde o retikulocyty obsahující jeden nebo více shluků modře se barvícího materiálu (substantia granulofilamentosa), retikulocyty se uvolňují z kostní dřeně psa cyklicky přibližně v 2týdenním intervalu, u štěňat během prvních 2 měsíců života tvoří retikulocyty až 10 % červených krvinek; méně často bývají u zdravých psů pozorována Howellova-(Jollyho) tělíska (což jsou zbytky jádra erytroblastu); erytroblasty (jaderné erytrocyty) se nacházejí občas u novorozených štěňat; v erytrocytech štěňat do 3 měsíců věku bývají někdy krystaly hemoglobinu. Leukocyty nejpočetnějšími bílými krvinkami v periferní krvi psa jsou neutrofilní granulocyty, zralý neutrofil obsahuje elongované a lobulizované jádro, lobuly jádra bývají nezřídka vzájemně spojeny jen uzounkým jaderným můstkem, jádro se barví tmavě purpurově a je tvořeno chromatinem s hrubými zrny, cytoplazma neutrofilu je světlá, někdy jemně narůžovělá, CZ.1.07/2.2.00/

93 93 KREV neutrofilní granula bývají většinou špatně rozeznatelná, někdy mají jemně růžový nádech, tyčky bývají v periferní krvi zachycovány méně často; eozinofilní granulocyty se u zdravých psů nacházejí v periferní krvi jen v malých počtech, množství a velikost eozinofilních granul v cytoplazmě těchto buněk je velmi variabilní, někdy obsahují jedno až dvě velká a výrazně protáhlá granula, která můžou být zaměněna s parazitem nebo inkluzí, cytoplazma v okolí granul je lehce bazofilní a může obsahovat vakuoly, jádra eozinofilů jsou méně lobulizovaná (segmentovaná) než jádra neutrofilů, mají většinou dva nebo tři laloky (segmenty), odlišná od ostatních plemen je morfologie těchto buněk u greyhoundů, eozinofilní granulocyty dospělých greyhoundů mají výrazně vakuolizovanou cytoplazmu a jejich granula jsou málo zřetelná (u štěňat jsou viditelná lépe); bazofilní granulocyty jsou v periferní krvi psů vzácností, jsou většinou větší než neutrofily a mají dlouhé a stočené jádro v modrošedé až lehce purpurové cytoplazmě, jejich granula jsou tmavá, ale můžou být i růžová aj.; lymfocyty v periferní krvi psů velikostně kolísají od malých buněk po velké buněčné elementy, malý lymfocyt obsahuje denzní kulaté nebo oválné jádro, obkroužené velmí úzkým až téměř ve světelném mikroskopu neviditelným prstencem bledě modré cytoplazmy, lymfocyty psa můžou mít i jiný než kulatý tvar (např. kapkovitý), některé obsahují v cytoplazmě azorufilní granula tvořící mnohdy klastry (shluky) při jedné straně jádra, po antigenní stimulaci (při infekcích, zejména virových) se v krvi psů objevují velké reaktivní lymfocyty, cytoplazma reaktivních lymfocytů je intenzivně bazofilní, jádro vykazuje zářezy a v cytoplazmě se můžou prokazovat velká azurofilní granula; monocyty jsou největšími buňkami v hemogramu psa z periferní krve, jádro monocytů je nesmírně tvarově variabilní (může být oválné, kulaté, lobulizované, ve tvaru tyčky nebo písmene S), cytoplazmy je střední až větší množství, cytoplazma je šedomodrá nebo nafialovělá, cytoplazma obsahuje různý počet vakuol. Trombocyty jsou malá oválná nebo kulovitá tělíska; aktivované trombocyty mají tvar nepravidelný s četnými cytoplazmatickými pseudopodii, jejich velikost se rovná v průměru ¼ až ½ velikosti erytrocytu, i když některé z destiček můžou být větší než erytrocyt (makrotrombocyty u některých plemen psů, např. u kavalír king Charles španěla); obsahují granula, která můžou nebo nemusí být ve shlucích; větší počty krevních destiček lze najít především v okrajích krevních nátěrů Kočka Erytrocyty mají průměrnou velikost 6 m;

94 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 94 na rozdíl od psích erytrocytů mají špatně rozpoznatelné centrální projasnění; někdy jsou v krevních nátěrech zdravých koček pozorovány rouleaux (ruló) formace erytrocytů; až 1 % kočičích erytrocytů obsahuje Howellova-(Jollyho) tělíska a až 5 % Heinzova tělíska (podstatou je defekt enzymu glukóza-6-fosfátdehydrogenázy, což vede k denaturaci hemoglobinu, jeho shlukování a tím nefunkčnosti); polychromatofilních erytrocytů bývá do 0,5 %; retikulocyty se rozdělují podle míry agregace bazofilního materiálu v buňkách na typ I až III (od zrníček až po shluky bazofilního materiálu), retikulocyty typu I a II můžou tvořit až 10 % erytrocytů. Leukocyty morfologie neutrofilních granulocytů koček se neliší od morfologie těchto buněk u jiných savců, někdy obsahují v malém procentu Döhleho tělíska (obsahují RNA), jejichž průkaz má diagnostický význam při zánětu, až 10 % samic má na jádrech neutrofilů patrné paličky sexchromatinu; morfologie ostatních leukocytů se významně neliší od morfologie leukocytů jiných savců, podobně jako u psa můžou mít bazofily růžová granula, granula v eozinofilech ale bývají někdy tyčkovitá a lymfocyty můžou mít i kapkovitý tvar. Trombocyty morfologie krevních destiček koček se neliší od morfologie trombocytů jiných savců s jedinou výjimkou, tou jsou příležitostně spatřované podlouhlé nebo makrocytární formy trombocytů; po odběru krve se trombocyty koček velice rychle shlukují Kůň Erytrocyty mají 5-6 μm v průměru, vyznačují se poměrně výraznou anizocytózou (nestejnou velikostí); sedimentace erytrocytů koní je mnohem rychlejší než u ostatních savců, jejich červené krvinky tvoří zřetelné rouleaux formace; mezi teplo- a studenokrevníky neexistují v morfologii erytrocytů žádné rozdíly. Leukocyty morfologie neutrofilních granulocytů koní se výrazně neliší od morfologie těchto buněk u jiných savců, při zánětu nebývá tak zřetelný posun doleva (tj. směrem k tyčkám), poslední stadia vyzrávání myeloidních krevních buněk jsou dělena: po metamyelocytu tyčka hyposegmentovaný neutrofil segmentovaný neutrofil; cytoplazma neutrofilů koní obsahuje peroxidáza-pozitivní a peroxidáza-negativní azurofilní granula; eozinofilní granulocyty obsahují v cytoplazmě velká eozinofilní granula (1-3 m v průměru), která můžou zcela zakrýt jádro buňky, při čistění preparátu se snadno oddělují; bazofilní granulocyty se neliší od bazofilů většiny savců; lymfocyty morfologické pozoruhodnosti, které by je odlišovaly od lymfocytů dalších savců, nemají; monocyty mají jaderný chromatin vláknitý a cytoplazma může obsahovat vakuoly a malá CZ.1.07/2.2.00/

95 95 KREV azurofilní granula. Trombocyty morfologie krevních destiček koní se příliš neliší od morfologie trombocytů jiných savců Přežvýkavci Erytrocyty bovinní erytrocyty jsou veliké v průměru 5-6 μm, ovčí 3-6 μm a kozí 2,5-4 μm; jsou charakterizovány mírnou až střední anizocytózou a málo zřetelným centrálním projasněním; rouleaux formace erytrocytů se tvoří u skotu zřídka; polychromazie a retikulocytóza nejsou u zdravého skotu, ovcí a koz patrné. Leukocyty neutrofilní granulocyty skotu, ovcí a koz obsahují v cytoplazmě primární, sekundární a terciární granula, terciární granula dávají cytoplazmě neutrofilů eozinofilní nádech; eozinofilní granulocyty mají obvykle bilobární jádra, obsahují v bazofilní cytoplazmě četná malá, uniformně kulatá a intenzivně červená granula; bazofilní granulocyty se velikostí rovnají eozinofilům a morfologicky se neliší od bazofilů jiných domácích savců; lymfocyty se morfologicky významně neliší od lymfocytů jiných savců, jsou nejpočetnější populací leukocytů; také monocyty nevykazují morfologické odchylky od stejných buněk dalších domácích savců. Trombocyty krevních destičky skotu, ovcí a koz jsou co do velikosti velmi variabilní; bovinní trombocyty mají nezřídka na svém povrchu množství invaginací patrných zejména elektronmikroskopicky Prase Erytrocyty mají průměrnou velikost 6 μm; tendence k tvorbě rouleaux formací bývá zřetelná; anizocytóza erytrocytů bývá nejzřetelnější u mladých zvířat, u nichž bývá i polychromazie; lze pozorovat erytroblasty a Howellova-(Jollyho) tělíska. Leukocyty jejich morfologie nevykazuje pozoruhodnosti. Trombocyty jsou většinou malé, kolem 1-3 μm v průměru.

96 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO Králík Erytrocyty mají velikost 6,5-7 μm, vyznačují se výraznou anizocytózou; polychromazie bývá patrná u 1-2 % erytrocytů; některé králičí erytrocyty mají tvar přirovnávaný ke knoflíkovitým plodům slézu přehlíženého (Malva neglecta), retikulocyty tvoří 1-7 % erytrocytů. Leukocyty charakteristickým leukocytem je heterofil (neutrofil), jenž je někdy nazýván také pseudoeozinofil, jde o krvinku polymorfní se světle purpurovým jádrem obklopeným růžovou cytoplazmou, v cytoplazmě se nachází malá acidofilní specifická granula a dále různý počet velkých červených granul; eozinofilní granulocyty králíka jsou větší než heterofily a mají jádra tvaru podkovy, jejich granula jsou větší než granula heterofilů. Trombocyty mají vzhled shluků azurofilních granul obklopených světle modrou cytoplazmou Morče Erytrocyty mají velikost 6,5-8,0 μm v průměru, vyznačují se střední anizocytózou; polychromatofilní erytrocyty tvoří 25 % erytrocytů novorozených zvířat, asi 5 % erytrocytů mláďat a asi 1,5 % erytrocytů dospělých morčat. Leukocyty v jejich morfologii nejsou, s výjimkou (Foa)-Kurloffových buněk (FK buněk), ve srovnání s jinými zvířaty rozdíly, Kurloffovy buňky tvoří 3-4 % z počtu leukocytů periferní krve morčete, jde o mononukleární buňky obsahující cytoplazmatickou inkluzi tvořenou glykozaminoglykany, původ a funkce těchto buněk jsou neznámé, pod vlivem estrogenů se můžou vyplavovat z plic a červené pulpy sleziny do placenty a thymu. Trombocyty mají nepravidelný nebo oválný tvar; periferní oblast jejich cytoplazmy je ve srovnání s centrem destičky bledá. CZ.1.07/2.2.00/

97 97 KREV Potkan Erytrocyty mají velikost 6-6,5 μm, vyznačují se anizocytózou; polychromatofilní erytrocyty tvoří až 18 % červených krvinek; počet retikulocytů dosahuje 2-5 %, u mladých zvířat až 20 %; u mladých zvířat lze také často nalézt v periferní krvi erytroblasty a Howellova-(Jollyho) tělíska. Leukocyty jejich morfologie je obdobná leukocytům většiny jiných savců; neutrofilní granulocyty tvoří u potkanů až téměř 40 % cirkulujících bílých krvinek. Trombocyty neliší se od trombocytů většiny jiných savců Myš Erytrocyty mají průměrnou velikost 6,0 μm, častá je anizocytóza a polychromazie; mnohdy lze také pozorovat Howellova-(Jollyho) tělíska; retikulocytů je 1-6 %. Leukocyty jejich morfologie je většinou obdobná leukocytům většiny jiných savců; jádro neutrofilních granulocytů ale vyplňuje značnou část buňky, může mít tvar prstence s četnými zářezy. Trombocyty neliší se od trombocytů většiny jiných savců; mají v průměru 1-3 μm.

98 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO Základní fyziologické parametry hematologického vyšetření krve Parametr Jednotka Druh pes kočka kůň skot ovce koza prase hematokrit l/l 0,35-0,52 0,22-0,38 0,32-0,52 0,30-0,38 0,27-0,45 0,22-0,38 0,32-0,50 hemoglobin g/l erytrocyty /l 5,2-7,9 4,9-9,8 6,9-13,1 5,0-7,0 9,0-15,0 8,0-18,0 5,0-8,0 retikulocyty /l 0,005-0,015 0,002-0,016 MCV fl MCH pg MCHC g/l min. OR max. % NaCl 0,40-0,50 0,32-0,42 0,66-0,72 0,46-0,54 0,52-0,66 0,44-0,52 0,58-0,76 0,40-0,55 0,74 0,44 0,70 0,45 leukocyty 10 9 /l 6,0-18,0 6,8-16,8 5,6-14,8 6,0-10,0 4,0-12,0 4,0-13,0 11,0-22,0 neutrofily - tyčky 10 9 /l 0,0-0,45 0,0-0,3 0,0-0,1 0,0-0,12 0,0-0,12 0,0-0,12 0,0-0,9 neutrofily - segmenty 10 9 /l 3,3-10,5 3,6-12,0 2,3-8,6 0,6-4,0 0,7-6,0 1,2-7,2 3,1-10,3 lymfocyty 10 9 /l 1,0-3,6 1,0-6,0 1,5-7,7 2,5-7,5 2,0-9,0 2,0-9,0 4,3-13,6 monocyty 10 9 /l 0,0-0,5 0,0-0,6 0,0-0,1 0,02-0,84 0,0-0,75 0,0-0,55 0,2-2,2 eozinofily 10 9 /l 0,0-0,6 0,0-0,9 0,0-0,1 0,0-2,4 0,0-1,0 0,05-0,65 0,06-2,4 bazofily 10 9 /l 0,0-0,1 0,0-0,1 0,0-0,3 0,0-0,2 0,0-0,3 0,0-0,12 0,0-0,4 Vysvětlivky: MCV = mean corpuscular/cell volume, střední objem erytrocytu, MCH = mean cell/corpuscular hemoglobin, střední obsah hemoglobinu v erytrocytu, MCHC = mean cell/corpuscular hemoglobin concentration, střední koncentrace hemoglobinu v erytrocytech, OR = osmotická rezistence SLEZINA Slezina je lymfatický orgán složený z: bílé a červené pulpy, bílá pulpa je tvořena provazci lymfatické tkáně proloženými lymfatickými uzlíky (Malpighiho slezinnými tělísky), Malpighiho tělíska obsahují B-lymfocyty, v bílé pulpě jsou i T-lymfocyty (jsou nahloučené kolem centrální arterie), červená pulpa je tvořena Billrothovými provazci a krevními sinusoidami (vystlanými fenestrovaným endotelem), Billrothovy provazce sestávají z retikulárních buněk uspořádaných do vláken, mezi vlákny jsou lymfocyty, plazmocyty, granulocyty, makrofágy, dendritické buňky, erytrocyty; funkce sleziny: je rezervoárem krve, při aktivaci sympato-adrenomedulárního systému (při stresu viz kap. I/10), dále u zvířat s kontraktilní slezinou (např. u psa) dojde při křečových stavech ke zvýšení hematokritu (dochází k vypuzení uskladněných erytrocytů) a zvýšení počtu trombocytů, v ontogenezi je slezina hematopoetickým orgánem (hepatolienální období hematopoézy), v postnatálním období se za určitých okolností může hematopoéza ve slezině obnovit (náhradní krvetvorba), je místem reakcí B- a T-lymfocytů s buňkami prezentujícími antigen (viz dále), CZ.1.07/2.2.00/

99 99 KREV je místem dozrávání erytrocytů (přeměny retikulocytů na erytrocyty), které se zde rovněž uskladňují, makrofágy přítomné v červené pulpě a na rozhraní bílé a červené bulpy (v marginální zóně) odstraňují zanikající erytrocyty a leukocyty, tzn. slezina je místem jejich zániku (viz kap. I/6.6.3, I/6.7.1), podílí se na metabolismu železa (makrofágy), je místem ukládání menšího počtu funkčních erytrocytů, představuje depo trombocytů (až ⅓ trombocytů se shromažďuje ve slezině), je orgánem imunitní obrany, makrofágy sleziny odstraňují bakterie a další partikule, hraje roli v humorální imunitě, pro život není ale slezina nezbytná HEMOSTAZE Hemostaze je proces zástavy krvácení, jehož podstatnou součástí je proces srážení krve, tj. hemokoagulace, za účasti dalších složek (viz dále); omezují se tak ztráty krve; v průběhu hemostaze nesmí být ale porušena perfuze (prokrvení) tkání; jsou stimulovány místní reparační procesy Hemokoagulace obranný mechanismus vedoucí v určitých situacích k zástavě krvácení, přitom musí být zachována v cévách tekutost krve jako předpoklad naplnění funkcí krve; hlavní komponenty: (1) cévní stěna (viz také kap. II/1.2), její úloha spočívá v/ve: změnách průsvitu cévy vazokonstrikce (na začátku procesu ve zlomcích sekund, jednak reflexně, dále pak efekt serotoninu uvolněného z trombocytů, endotelinu 1 uvolněného z endotelu a efekt katecholaminů) zábrana ztráty krve, vazodilatace (nastává později, efekt oxidu dusnatého, také serotoninu ale působením na jiné receptory než v případě vazokonstrikce) přísun živin a dalších látek, změny metabolismu, zejména v endotelu (tvorba mediátorů NO, endotelinů, von Willebrandova faktoru, metabolitů kyseliny arachidonové viz dále), - vedle vazodilatačního efekt má NO i další účinky: Význam oxidu dusnatého: - relaxace hladké svaloviny (cév, střeva), - modulace kontraktility srdce, negativní inotropní efekt (inhibuje stažlivost srdce), - inhibice adheze a agregace krevních destiček, - neurotransmiter, - stimulace funkce mitochondrií, - stimulace využití glukózy a mastných kyselin kosterními svaly, srdcem, játry, tukovou tkání, - erekce penisu, - modulace zánětové reakce, - regulace buněčné proliferace.

100 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO oxid dusnatý vzniká oxidací aminokyseliny L-argininu: Vysvětlivky: NADPH = nikotinamidadenindinukleotidfosfát redukovaný Arginin vzniká ve střevě štěpením proteinů a peptidů, zčásti se využívá buňkami na syntézu NO (katalyzováno NO-syntázou) a zčásti na syntézu proteinů, arginin je také meziproduktem v ureosyntetickém cyklu (viz kap. I/13.2 a kap II/4). NO-syntáza má 3 typy: inducibilní, endoteliální a neuronální, inducibilní je tvořena hlavně aktivovanými makrofágy, neuronální hlavně neurony a endoteliální hlavně cévním endotelem. - pro úplnost uvádíme vznik oxidu dusnatého z dusičnanů nebo dusitanů (uplatňuje se zejména při tkáňové hypoxii a acidóze, tj. při narušené cestě z L- argininu): (a) v potravě obsažené dusičnany (NO 3 - ) jsou v dutině ústní redukovány na dusitany (NO 2 - ) za katalýzy bakteriální NO 2 - -reduktázou, NO 2 - vstupují potom do žaludku, kde přijímají H + a vzniká NO, (b) NO 3 - nebo NO 2 - původem z potravy můžou postoupit až do střeva, kde působením bakteriálních NO 3 - -reduktázy a NO 2 - -reduktázy vzniká nakonec NO: - jestliže nejsou všechny NO 2 - metabolizovány na NO, můžou reagovat s oxyhemoglobinem za vzniku methemoglobinu, který není schopen přenášet kyslík CZ.1.07/2.2.00/

101 101 KREV (Fe 2+ Fe 3+ ), - metabolizace v potravě přijatých NO 3 - a NO 2 - může končit vznikem kancerogenních nitrosaminů, (2) trombocyty jsou svojí aktivitou propojeny s koagulační kaskádou a zapojují se rovněž do hojení poškozené cévní stěny, jejich úloha v hemostazi (podrobněji viz výše) spočívá v těchto krocích: tvorbě primární zátky, jejíž vznik je podmíněn: adhezí a agregací destiček, retrakcí koagula, facilitaci koagulace, předpokladem k uplatnění účinku trombocytů je jejich aktivace: zapojení destiček do reparace poškozené cévní stěny je dáno proliferativním efektem destičkového růstového faktoru (PDGF), který je obsažen v jejich -granulech, (3) plazmatické faktory zahrnující: koagulační faktory (mají své jméno a vedle toho se označují římskými číslicemi, což je upřednostňováno v klinické praxi), většinou to jsou serinové proteinázy, aktivované především Ca 2+, některé jsou závislé (dependentní) na vit. K faktory II, VII, IX, X,

102 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 102 Faktor (pořadí podle okamžiku zapojení do koagulačních reakcí) Funkce specifikace prekallikrein (faktor Fletcherův) serinová proteináza kallikrein kofaktor FXII (faktor Hagemanův) serinová proteináza vysokomolekulární kininogen (HMWK, faktor Fitzgeraldův) kofaktor FXI (faktor Rosenthalův, antihemofilní faktor C) serinová proteináza FIX (faktor Christmasův, antihemofilní factor B) serinová proteináza FVIII (antihemofilní faktor A) kofaktor FVII (prokonvertin) serinová proteináza tkáňový faktor (FIII, tromboplastin) kofaktor FX (faktor Stuartův-Prowerové) serinová proteináza FV (proakcelerin) kofaktor FIV Ca 2+ destičkové fosfolipidy (FL) kofaktor FII (protrombin) serinová proteináza fibrinogen (FI) stavební (tvorba síťoviny) FXIII (faktor stabilizující fibrin) transamináza Tkáňový faktor (TF, tissue factor) je membránový protein, který nepotřebuje aktivaci je vždy aktivní. Má dva kompartmenty: (1) subendotelový a perivaskulární (fibroblasty, parenchymové buňky v plicích, ledvinách, endometriu, placentě aj.) hlavní bariéra proti vykrvácení, (2) vaskulární (monocyty, endotelové buňky) nutnou podmínkou je adheze monocytů na aktivovaný endotel. většina koagulačních faktorů je tvořena v játrech; FXII (faktor Hagemanův) nebyl prokázán v krvi mořských savců. spouštěcí faktory: narušení integrity cévní strěny, poranění (hlavně), acidóza, infekce, hypoxie, stimulační efekt může mít: extrémní fyzická námaha, u člověka excesivní nabídka triacylglycerolů (tuků); Neporušený endotel má protisrážlivý efekt daný negativním elektrickým nábojem buněčného povrchu, přítomností inhibitorů koagulace (antitrombinu) a receptorů antikoagulačních faktorů (receptor pro protein S aj.). fáze: (1) primární hemostaze tvorba primární krevní zátky, v hlavní roli jsou krevní destičky a dva druhy jejich odpovědi na porušení cévního endotelu adheze (přilnutí) na porušený endotel a agregace (jejich vzájemné CZ.1.07/2.2.00/

103 103 KREV shlukování), podmínkou je aktivace destiček, a to na základě působení obnažených subendotelových struktur (kolagenu) a řady látek ADP (je důležitý pro působení kolagenu), trombinu, tromboxanu A 2, faktoru aktivujícího destičky (PAF), adrenalinu aj., v průběhu aktivace mění destičky tvar z diskovitého na kulovitý, tvoří se pseudopodia, dochází k uvolnění látek obsažených v granulech, průběh adheze závisí na subendotelových strukturách, počtu destiček, látek uvolněných z jejich granul, povrchových adhezivních molekulách a receptorech, na adhezivních plazmatických proteinech (např. fibronektinu), na viskozitě krve, velikosti a tvaru cév, podstatou agregace je vytvoření komplexu Ca 2+ + GP IIb/IIIa + fibrinogen (GP = glykoprotein), fibrinogen vytváří můstek mezi aktivovanými destičkami, agregace a adheze jsou spojeny s efektem von Willebrandova faktoru, uvolněným s destiček a endotelu, von Willebrandův faktor cirkuluje v krvi vázaný na FVIII a tím jej chrání před štěpením, po kontaktu s porušeným endotelem dojde ke zrušení této vazby, Fyziologicky se v zájmu zachování tekutosti krve uplatňují samotný neporušený cévní endotel, inhibitory aktivace trombocytů (oxid dusnatý, prostacyklin), dále antikoagulační faktory (antitrombin, proteiny C a S). (2) sekundární hemostaze zpevnění zátky fibrinem (tvorba sekundární zátky), fibrin vzniká kaskádou reakcí, na jejichž konci je přeměna protrombinu na trombin, který aktivuje přeměnu fibrinogenu na vláknitý fibrin a současně aktivuje FXIII (faktor stabilizující fibrin); časový průběh jednotlivých kroků hemokoagulace (orientačně):

104 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 104 modely hemokoagulace: starý (klasický) model hemokoagulace (uplatňovaný v klinické hematologii), podle něj koagulace probíhá jako sled reakcí (koagulační kaskáda) koagulačních faktorů (serinových proteináz) s vnitřní a vnější cestou jejich aktivace, které se spojují do společné cesty aktivace, primární systém aktivace koagulace neboli vnější cesta má význam pro iniciaci (spuštění) hemokoagulace, jsou do ní zapojeny FIIIa (TF, tkáňový faktor, tkáňový tromboplastin) a FVII: uvolnění FIIIa (není aktivován, v aktivním stavu již je) FIIIa aktivuje FVII FVIIa FVIIa aktivuje FX FXa, komplex FVIIa-destičkové fosfolipidy-ca 2+ se označuje z důvodu aktivace FX vnější tenáza (z angl. ten = deset), přídatný systém aktivace koagulace neboli vnitřní cesta má význam pro amplifikaci (zesílení) hemokoagulace, jsou do ní zapojeny FFXII, IX, VIII: vazba FXII na obnažený subendoteliální kolagen FXIIa, FXIIa aktivuje FXI FXIa FXIa aktivuje FIX FIXa (aktivace může probíhat i vnější cestou prostřednictvím FVIIa, tzn. FVIIa propojuje obě cesty viz výše), FIXa aktivuje FX FXa, komplex FXa-FVIIIa-destičkové fosfolipidy-ca 2+ se označuje vnitřní tenáza, s vnitřní cestou je prostřednictvím FXIIa spojen kallikrein-kininový systém: FXIIa spolu s vysokomolekulárním kininogenem (HMWK) urychluje přeměnu prekallikreinu na kallikrein (ten současně odštěpuje z HMWK bradykinin), faktorem Xa začíná společná cesta hemokoagulace: FXa aktivuje FII FIIa (trombin), CZ.1.07/2.2.00/

105 105 KREV komplex FXa-FVa-destičkové fosfolipidy-ca 2+ se z důvodu aktivace FII, tj. protrombinu na trombin označuje protrombinázový komplex, trombin je rozhodující faktor hemokoagulace, neboť aktivuje: - destičky a endotelie, - neutrofily a monocyty (exprese TF), - FXIII (stabilizace fibrinové sítě), - komplex proteinu C (antikoagulační systém), - TAFI (thrombin activatable fibrinolysis inhibitor, trombinem aktivovaný inhibitor fibrinolýzy); Vápenaté ionty (Ca 2+ ) jsou důležité pro řadu reakcí v hemostazi, např.: - uspořádání komplexů vnější tenázy a vnitřní tenázy, dále protrombinázového komplexu, - zprostředkování připojení -karboxylu glutamátu na destičkové fosfolipidy. Nejmenší nutná plazmatická koncentrace Ca 2+ pro hemokoagulaci je 0,5 mmol/l.

106 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 106 starý model zcela nevystihuje průběh hemokoagulace a nevysvětluje některé poruchy hemostaze, jeho předností je, že ho lze velmi dobře využít pro pochopení in vitro hodnocení parametrů hemokoagulace, tzn. hemostazeologických testů, konkrétně: - stanovení protrombinového času, - aktivovaného parciálního tromboplastinového času, - trombinového času, užívaných v diagnostice některých poruch srážení krve (viz Fyziologie I Praktická cvičení), CZ.1.07/2.2.00/

107 107 KREV Vysvětlivky: APTT = activated partial thromboplastin time, aktivovaný parciální tromboplastinový čas, PT = prothrombin time, protrombinový čas, TT = trombin time, trombinový čas, Pre-K = prekalikrein, TF = tkáňový faktor, FBG = fibrinogen, FXa-Ca2+-PL-FVa se označuje protrombinový komplex nový (revidovaný) model, vychází z klasického modelu, jeho předností je, že vysvětluje fyziologickou i patologickou hemokoagulaci probíhající in vivo, podle novějších poznatků vnitřní a vnější cesta koagulační kaskády neprobíhají současně, rozhodující roli tento model přisuzuje vnější cestě a trombinu, v hemokoagulaci lze, podle tohoto modelu, rozlišit tři fáze: (1) fáze iniciace = zahájení koagulace, v místě poškození cévy se uvolňuje do cirkulace tkáňový faktor (TF) následuje vazba TF na FVII FVIIa (FVIIa je v malém množství v krvi stále a aktivuje další molekuly FVII) vytvořený komplex TF-FVIIa aktivuje FIX a FX FIXa a FXa působením FXa vzniká malé množství trombinu (FIIa), (2) fáze amplifikace = zesílení koagulace, reakce probíhají na povrchu adherovaných trombocytů, vzniklý trombin aktivuje FFV, VIII a XI FFVa, VIIIa a XIa FXIa aktivuje FIX FIXa (součást vnitřní tenázy), působením tenázy dochází k další tvorbě trombinu a tedy zesílení koagulace, trombin aktivuje trombocyty a monocyty exprese negativně nabitých fosfolipidů na povrchu těchto buněk, navázání FFIXa, VIIa a Va, trombin aktivuje také endotelie navození jejich prokoagulačního stavu (nižší tvorba antagonistů hemostaze, např. NO, prostacyklinu), (3) fáze propagace = rozšíření koagulace, reakce probíhají na povrchu aktivovaných trombocytů, uplatňují se tenáza a protrombinový komplex (FXa-FVa-PL-Ca 2+ ) masivní tvorba fibrinu, i zde je významný povrch trombocytů a stabilizace fibrinu prostřednictvím FXIII (čímž se fibrin stává nerozpustný), schéma nového modelu hemokoagulace:

108 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 108 Vysvětlivky: TF = tkáňový faktor, PL = fosfolipidy, FBG = fibrinogen pro zajištění tekutosti krve a průchodnosti cév se nacházejí v krvi regulátory hemokoagulace, které zajišťují rovnováhu prokoagulačních faktorů (viz výše) a antikoagulačních faktorů, antikoagulační faktory: inhibitory koagulačních faktorů (vyřazují koagulační faktory z procesu hemokoagulace) jsou: serpiny (patří sem např. antitrombin), antitrombin (AT) inaktivuje trombin, FFIXa, Xa, XIa a XIIa, aktivitu AT zvyšuje heparin, systém proteinu C (+ protein S, který je kofaktorem proteinu C) štěpí FFVa a VIIIa, protein C je aktivován trombomodulinem (je produkován endotelem) a trombinem, čímž inhibuje vnitřní a společnou cestu hemokoagulace, kuniny (patří sem inhibitor cesty tkáňového faktoru, TFPI, tissue factor pathway inhibitor), nespecifické inhibitory (např. α 2 -makroglobulin), α 2 -makroglobulin je produkovaný megakaryocyty, hepatocyty, endoteliemi, představuje rezervní inhibitor (uplatňuje se až po vyčerpání jiných inhibitorů, např. v průběhu diseminované intravaskulární koagulace, DIC), nesmáčivost endotelií, oxid dusnatý, prostacyklin, trombomodulin produkované endotelem, oxid dusnatý a prostacyklin zabraňují agregaci trombocytů, trombomodulin zesiluje inaktivaci trombinu antitrombinem a inhibuje protrombin, plynulý tok krve; v praxi se uplatňují různá antikoagulační činidla (viz také Fyziologie I Praktická cvičení): antagonisté vit. K (kumarinové preparáty, warfarin) zasahují do metabolismu vit. K, čímž narušují syntézu K-dependentních faktorů (viz dále) a také proteinů C a S, CZ.1.07/2.2.00/

109 109 KREV Role vitaminu K (vit. K 1 ) v hemokoagulaci: katalyzuje karboxylaci γ-zbytků glutamátu na γ-karboxyglutamát koagulačních faktorů II, VII, IX a X (je to důležité pro vazbu Ca 2+ ), bez karboxylace je tedy znemožněna funkce těchto faktorů, i když jejich hladina je dostatečná. Z tohoto důvodu se FFII, VII, IX a X označují vit. K-dependentní koagulační faktory. heparin potencuje účinek antitrombinu a inaktivuje FFIXa, Xa, XIa a XIIa, hirudin (secernovaný slinnými žlázami pijavic) je přímým inhibitorem trombinu, dekalcifikační látky (citrát sodný, soli EDTA, oxaláty) vyvazují Ca 2+ (FIV) Fibrinolýza po splnění své role musí být koagulum odstraněno, v centru fibrinolýzy (tj. rozpouštění fibrinu) je plazmin, vzniká aktivací plazminogenu, produkovaného játry, ledvinami aj., aktivaci předchází navázání plazminogenu na koagulum, aktivace se děje: (1) extravaskulární cestou tkáňovými aktivátory (tkáňovým aktivátorem plazminogenu nebo urokinázou, produkovanými hlavně endotelem), (2) intravaskulární cestou krevním aktivátory (kallikreinem, aktivovaným FFXII a XI, dále trombinem a samotným plazminem), působením plazminu dochází k rozpadu fibrinu na rozpustné degradační produkty fibrinu (FDP) a D-dimery (DD), schéma fibrinolýzy:

110 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 110 časový průběh jednotlivých kroků fibrinolýzy: aktivace plazminogenu minuty rozpad fibrinu jednotky hodin až desítky hodin aby nedošlo k nekontrolované fibrinolýze, uplatňují se při fibrinolýze i inhibitory fibrinolýzy, např. inhibitor aktivátoru plazminogenu (PAI-1, plasminogen activator inhibitor), 2 - antiplazmin, dále 1 -antitrypsin, 2 -makroglobulin, antifibrinolytika (např. -aminokapronát). Poruchy srážení krve se člení na primární a sekundární. K primárním poruchám patří abnormality trombocytů, von Willebrandova faktoru a cévní stěny. K sekundárním poruchám patří abnormality hemokoagulačních faktorů a inhibitorů hemokoagulace. Poruchy srážení krve se můžou projevovat zvýšenou krvácivostí (krvácivé stavy) nebo nadměrnou krevní srážlivostí (trombofilní stavy). Mezi primární krvácivá onemocnění patří např. von Willebrandova nemoc (vrozený deficit nebo porucha funkce von Willebrandova faktoru). Mezi sekundární krvácivá onemocnění patří hemofilie A (vrozený defekt koagulačního faktoru VIII) a hemofilie B (vrozený defekt koagulačního faktoru IX). Získané sekundární krvácivé stavy můžou vzniknout při nedostatku a poruchách metabolismu vit. K (vit. K je nezbytný pro správnou funkci koagulačních faktorů II, VII, IX, X, inhibitorů koagulace proteinů C a S) a při onemocnění jater (v játrech je syntetizovaná většina koagulačních faktorů). Trombofilní stavy jsou vrozené nebo získané (při onemocnění žláz s vnitřní sekrecí, jater nebo podávání některých léků) poruchy se sklonem k tvorbě trombů. CZ.1.07/2.2.00/

111 111 KREV Základní fyziologické parametry hemostazeologického vyšetření krve Druh Parametr Jednotka pes kočka kůň skot ovce koza prase trombocyty 10 9 /l protrombinový čas (PT, Quick) s aktivovaný parciální tromboplastinový čas (APTT) s trombinový čas 8,0- s (TT) 16,5 čas krvácení min fibrinogen g/l 2,0-4,5 0,6-3,0 1,0-4,0 3,0-7,0 1,0-5,0 1,0-4,0 1,0-5,0 antitrombin U/ml KREVNÍ SKUPINY U SAVCŮ Pojmem krevní skupiny se označují všechny erytrocytární antigeny, které jsou schopné vyvolat tvorbu protilátek a lze je prokázat laboratorními metodami, chemicky to jsou hlavně glykoproteiny, glykolipidy či lipoproteiny; jsou na membráně erytrocytů; funkčně se může jednat o: enzymy, transportní bílkoviny, receptory nebo je jejich funkce neznámá; erytrocytární antigeny jsou označované aglutinogeny (jsou to glykoproteiny), protilátky proti nim se nazývají aglutininy: aglutininy se můžou vyskytovat přirozeně,

112 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 112 nebo je jejich tvorba indukována transfuzí či jiným průnikem krvinek cizí krevní skupiny do krevního oběhu jedince, u člověka s krevní skupinou A (aglutinogenem A) jsou aglutininy (protilátky) anti-b, u krevní skupiny B jsou aglutininy (protilátky) anti-a, u krevní skupiny AB nejsou protilátky žádné, u krevní skupiny 0 jsou anti-a i anti-b, můžou být kompletní, jež samy o sobě vedou k aglutinaci erytrocytů (např. protilátky třídy IgM), nebo můžou být inkompletní, tzn. nejsou schopné vyvolat aglutinaci přímo (obvykle IgG); typizace krevních skupin (viz také Fyziologie I Praktická cvičení) se provádí pomocí antisér a standardních (testovacích) krvinek křížovými zkouškami (velká křížová zkouška = erytrocyty dárce a plazma příjemce, malá křížová zkouška = erytrocyty příjemce a plazma dárce), nebo se používá přesnější vyšetření pomocí monoklonálních protilátek (u člověka): K detekci protilátek lze použít různých imunohematologických testů: prvním z nich je solný test, dále existují testy Coombsovy (přímý a nepřímý antiglobulinový test) a testy enzymové; solné testy detekují kompletní protilátky; princip Coombsových antiglobulinových testů spočívá v tom, že krvinky s navázanými protilátkami se smísí s antiglobulinovým sérem, které způsobí zviditelnění reakce antigenu s protilátkou, přímým antiglobulinovým testem (PAT) se prokazují protilátky navázané již in vivo na erytrocyt jedince (autoprotilátky), test se využívá v diagnostice imunitně zprostředkovaných hemolytických anémií, nepřímým antiglobulinovým testem (NAT) se prokazují volně cirkulující protilátky v krvi jedince, tedy protilátky proti krevním skupinám, které vyšetřovaný jedinec nemá (aloprotilátky, tj. protilátky proti antigenu jiného jedince téhož druhu), test se využívá jako součást vyšetření před krevní transfuzí; enzymové testy jsou modifikací antiglobulinových testů, enzymem (např. bromelinem) lze změnit povrch krvinky tak, že se výrazněji odhalí antigeny některých krevních skupin a odstraní antigeny jiné. Krevní skupiny u psa krevní skupiny psa jsou klasifikovány podle DEA (dog erythrocyte antigen) systému, rozeznávají se hlavní krevní skupiny (1.1, 1.2, 3, 4, 5, 7, 8) a dalších přibližně 20 skupin, CZ.1.07/2.2.00/

113 113 KREV první číslo za akronymem DEA označuje lokus, druhé alelu, DEA 1.1 a 1.2 je označení alel genu krevní skupiny 1, může se vyskytnout i DEA null fenotyp krvinek, tedy takový, kdy krvinky psa nenesou žádný DEA antigen, novější skupina Dal chybí např. u dalmatinů, v novější nomenklatuře je uváděn pro DEA 1.1, 1.2, 1.3 A systém (s ekvivalenty Aa 1, Aa 2, Aa 3 ), pro DEA 3 B systém, pro DEA 4 C systém, pro DEA 5 D systém, DEA 6 F systém, pro DEA 7 Tr systém, přirozeně se vyskytující protilátky jsou nacházeny u psů zejména proti antigenům DEA 3, DEA 5 a DEA 7, akutní posttransfuzní reakci způsobují protilátky anti-dea 1.1 a anti-dea 4, univerzální psí dárce je DEA 1.1, 1.2, 3, 5 a 7 negativní. Krevní skupiny u kočky kočky můžou mít krevní skupinu A, B nebo AB, akutní a mnohdy smrtelné posttransfuzní reakce se vyskytují při podání krve A nebo AB příjemci B, opožděné reakce jsou popisovány při transfuzi krve B nebo AB příjemci skupiny A, zvíře skupiny AB je univerzální příjemce, i když i u něj nelze zcela opominout nebezpečí malé inkompatibility dané přítomností protilátek v plazmě dárce, siamské kočky mají pouze skupinu A, perské kočky mají skupinu A nejméně v 75 % případů a kočky Devon Rex nebo britské krátkosrsté kočky v 50 % případů. Krevní skupiny u koně u koně bylo popsáno 7 systémů krevních skupin EA (erythrocyte antigen), označují se EAA, EAC, EAD, EAK, EAP, EAQ, EAU, někdy lze u koní nalézt přirozeně se vyskytující protilátky anti-aa a anti-ac, aloprotilátky anti-aa můžou u hříbat kojených klisnami s těmito protilátkami vyvolat neonatální izoerytrolýzu, neonatální izoerytrolýza je většinou způsobena inkompatibilitou v EAA nebo v EAQ systému. Krevní skupiny u skotu skot má 11 systémů krevních skupin systém A (nebo též EAA), B (EAB), C (EAC), F (EAF), J (EAJ), L (ALE), M (EAM), S (EAS), Z (EAZ), R (EAR ) a T (EAT ).

114 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 114 Krevní skupiny u ovce u ovce bylo identifikováno 7 systémů krevních skupin (A, B, C, D, M, R a X), zajímavý je systém R, jenž není pevnou součástí membrány erytrocytu, R antigeny jsou nalézány i v séru a ve slinách. Krevní skupiny u kozy koza má několik systémů krevních skupin podobných ovci (A, B, C, M a R), jsou známé i další systémy krevních skupin. Krevní skupiny u prasete u prasete existuje 16 systémů krevních skupin označovaných velkými písmeny abecedy A (EAA), B (EAB), C (EAC), D (EAD), E (EAE) F (EAF), G (EAG), H (EAH), I (EAI), J (EAJ), K (EAK), L (EAL), M (EAM), N (EAN), O (EAO) a P (EAP), systém A se podobá lidskému systému AB0, antigeny systémů A a O nejsou jen na povrchu erytrocytů, lze je v solubilní formě detekovat i v séru a ve slinách, antigeny systému N lze také nalézt v séru a dále v mléce ANTIGENY GRANULOCYTŮ A KREVNÍCH DESTIČEK Proti antigenům granulocytů i krevních destiček se můžou tvořit za různých patologických situací protilátky (autoprotilátky i aloprotilátky), které pak mnohdy vedou k destrukci těchto buněčných elementů, tedy k imunitně zprostředkované neutropenii nebo trombocytopenii, na granulocytech se nachází antigeny hlavního histokompatibilního komplexu I. třídy (viz kap. I/7), některé antigeny krevních skupin a vlastní granulocytové antigeny; na krevních destičkách lze též najít antigeny hlavního histokompatibilního komplexu I. třídy, některé antigeny krevních skupin a vlastní trombocytové antigeny (destičkové glykoproteiny) KREV U PTÁKŮ Krvetvorba v prvních dnech embryonálního vývoje se krvinky tvoří z primitivních buněk žloutkového váčku, následně se přidávají i další tkáně: kostní dřeň, játra, slezina, ledviny, thymus, Fabriciova burza; po vyklubání je základní krvetvornou tkání kostní dřeň (zejména v temporálních kostech), ale v postinkubačním období lze nalézt krvetvornou aktivitu i v dalších orgánech (viz výše); prekurzory: erytrocytární řada proerytroblast bazofilní erytroblast časný polychromatofilní erytroblast pozdní polychromatofilní erytroblast ortochromatofilní erytroblast, granulocytární řada myeloblast promyelocyt (heterofilní, eozinofilní, bazofilní) myelocyt (heterofilní, eozinofilní, bazofilní) metamyelocyt (heterofilní, eozinofilní, bazofilní), lymfocytární řada lymfoblast prolymfocyt, trombocytární řada tromboblast časný nezralý trombocyt střední nezralý trombocyt pozdní nezralý trombocyt; CZ.1.07/2.2.00/

115 115 KREV Krevní buňky erytrocyty jsou jaderné, 14-15,5 m v průměru, s nižší deformabilitou (z důvodu přítomnosti jádra), hemoglobin má nižší afinitu ke kyslíku (nižší hladinu 2,3-BFG), počet erytrocytů se u ptáků pohybuje v rozmezí /l, délka jejich života činí pouze dní, z krevních skupin je intenzivně studován systém B, který představuje hlavní histokompatibilní komplex kura (viz kap. I/7); leukocyty počet leukocytů se u ptáků pohybuje v rozmezí /l, heterofilní (pseudoeozinofilní) granulocyty jsou kulaté buňky se segmentovaným jádrem (obvykle je však počet segmentů nižší než u savců) a bezbarvou cytoplazmou s červenými protáhlými granuly, jejich podíl na celkovém počtu leukocytů se pohybuje mezi %, funkce heterofilů odpovídá funkci neutrofilů u savců, eozinofilní granulocyty jsou kulatého tvaru s bilobárním jádrem a modře zbarvenou cytoplazmou, v cytoplazmě jsou okrouhlá až oválná granula barvící se oproti heterofilům výrazněji červeně, jejich podíl na celkovém počtu leukocytů činí do 10 %, dravci a papoušci mají vysoký počet eozinofilů u některých druhů až 15 % (např. u amazoňanů), granula jsou bezbarvá nebo modrá, funkce ptačích eozinofilů není zcela jasná, bazofilní granulocyty jsou menší než heterofily, mají kulaté jádro, bezbarvou cytoplazmu s tmavými granuly, jejich podíl na celkovém počtu leukocytů činí do 5 %, u řady ptačích druhů jsou bazofily četnější než eozinofily, funkce bazofilů je obdobná jako u savců, jsou však navíc schopné fagocytózy, lymfocyty mají relativně velké jádro, okrouhlého tvaru, lokalizované centrálně, cytoplazma je modrá a vytváří kolem jádra prstenec, jejich podíl na celkovém počtu leukocytů dosahuje až 75 %, stejně jako u savců jsou lymfocyty výkonnými buňkami získané imunity, za humorální imunitu jsou odpovědné B-lymfocyty, za buněčnou imunitu T-lymfocyty, monocyty jsou největší buňky s variabilním tvarem jádra i buňky, mají vysoký obsah tmavší cytoplazmy obsahující šedomodrá granula a vakuoly, jsou součástí MFS, v krvi jsou ještě jako nezralé buňky transportovány do tkání, kde se mění na tkáňové makrofágy, jsou to profesionální fagocyty, mají také důležitou roli v prezentaci antigenu; trombocyty malé, mírně oválné buňky s pyknotickým jádrem a bezbarvou cytoplazmou, která může obsahovat vakuoly, podobně jako savčí trombocyty mají tendenci ke shlukování, svými funkcemi se neliší od savčích trombocytů.

116 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 116 Hemostaze má principy obdobné jako u savců, probíhá velmi rychle (tvorba fibrinu do 10 s), v krvi ptáků nebyly prokázány FXII, prekallikrein a vysokomolekulární kininogen, FXI má výrazně nižší aktivitu oproti savcům, z antikoagulačního systému byla prokázána aktivita antitrombinu. CZ.1.07/2.2.00/

117 117 IMUNITNÍ SYSTÉM 7. IMUNITNÍ SYSTÉM Imunitní systém (IS) je jeden ze základních mechanismů organismu zajišťujících jeho homeostazi, integritu (celistvost) a identitu (jedinečnost) VÝZNAM IMUNITNÍHO SYSTÉMU Základními funkcemi imunitního systému jsou: obranyschopnost (viz také dále), tj. rozpoznávání škodlivin, tedy pro organismus nebezpečných látek, jde zejména o obranu proti infekcím a likvidaci nádorových buněk, zajišťují ji specializované buňky imunitního systému imunocyty a jejich produkty: protilátky, cytokiny, komplement, dále bariéry (viz kap. I/7.3.1); Obranu organismu zajišťují i některé funkce, např. pohyb řasinek v bronších, dýchací reflexy (kašel, kýchání), peristaltika střev aj. (viz také kap. I/7.3.1). imunitní dohled, tj. rozpoznávání vnitřních škodlivin a odstraňování starých buněk a mutovaných nádorových buněk, Autotolerance je rozpoznání antigenů vlastních buněk a tkání a udržování tolerance k nim. koordinovaná reakce na cizí nebo patologické substance (cizí molekuly, mikroorganismy, cizí nebo vlastní patologicky změněné buňky) se nazývá imunitní odpověď, schopnost vyvolat imunitní odpověď se označuje imunogenita, imunitní odpověď může být: podle efektu: prospěšná, tj. vznik imunity, škodlivá, tj. např. vznik hypersenzitivit (stavů přecitlivělosti) nebo autoimunitních nemocí, inertní, tj. imunologická tolerance (viz dále); podle původu: přirozená (vrozená, nespecifická): - buněčná (neutrofily, makrofágy, NK-buňky, žírné buňky, endotelové buňky), - humorální (systém komplementu, cytokiny, enzymy), získaná (specifická): - buněčná (T-lymfocyty),

118 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO humorální (B-lymfocyty plazmatické buňky neboli plazmocyty protilátky): geneticky daná schopnost lymfocytů reagovat na antigen specifickou imunitní odpovědí se nazývá imunokompetence, v zásadě má charakter tvorby protilátek nebo aktivace T-lymfocytů, schopnost reagovat na opakovaný kontakt s antigenem rychleji a silněji se nazývá imunitní paměť, potencionálními paměťovými buňkami jsou B- a T-lymfocyty (B- a T-buňky), imunitní paměť se tedy uplatňuje u specifické imunity (jak protilátkové, tak buněčné), stav specifické neodpovídavosti (útlumu) imunitního systému na určitý antigen, který by u téhož jedince, ale za jiných podmínek, vyvolal imunitní odpověď, se nazývá imunologická tolerance, pro plnohodnotný život jedince je nutná tolerance ke strukturám vlastního těla (autotolerance), vzniká ještě před narozením (plod se ve sterilní děloze setkává pouze s vlastními antigeny, které toleruje), T-lymfocyty získávají schopnost tolerance v thymu, B-lymfocyty v kostní dřeni, buňky, které nepřišly do kontaktu s antigenem, se nazývají panenské nebo naivní. V regulacích imunitních funkcí, vedle růstových a dalších humorálních faktorů ovlivňujících proliferaci buněk imunitního systému (viz kap. I/6.5), má význam centrální a autonomní nervový systém, především parasympatická vlákna n. vagus, podle posledních výzkumů jsou jeho dráhy součástí tzv. zánětového reflexu, jeho aferentní vlákna mají receptory rozeznávající bakteriální lipopolysacharid (přítomen ve stěnách bakterií), nebo produkty bakterií či signály tzv. nebezpečí/poškození (tj. látky uvolněné z vlastních tkání, např. ATP) (viz dále), vlákna vedou signál do mozkového kmene, eferentní vagové dráhy potom regulují rozsah zánětové reakce (v důsledku vlivu na syntézu a uvolňování prozánětových cytokinů), dochází k inhibici funkce sekundárních lymfatických orgánů (sleziny aj.), z nervových zakončení se uvolňuje noradrenalin, to vede CZ.1.07/2.2.00/

119 119 IMUNITNÍ SYSTÉM k inhibici syntézy TNF v makrofázích apod KOMPONENTY IMUNITNÍHO SYSTÉMU Mezi základní komponenty imunitního systému patří: lymfatické tkáně a orgány primární (centrální): thymus, kostní dřeň (viz kap. I/6.5), Fabriciova burza u ptáků (viz dále), funkce: tvorba a dozrávání B- a T-lymfocytů, thymus sestává z kůry a dřeně, v kůře jsou bohatě zastoupené vyvíjející se malé T-lymfocyty, ve dřeni jsou hlavně velké T-lymfocyty, dále pak epitelové retikulární buňky, thymus je ohraničen bariérou (hematothymickou bariérou) tvořenou endotelem kapilár, vazivem (kolem cév) a epitelovými retikulárními buňkami, funkcí bariéry je zabránit kontaktu dozrávajících lymfocytů s cirkulujícími antigeny, vzhledem k tomu, že do thymu nevstupují přívodné lymfatické cévy, nemůže vykonávat funkci filtru lymfy, thymus postupně involuje, sekundární (periferní): mízní uzliny, slezina (viz kap. I/6.8), tonzily, lymfatické tkáně sliznic a orgánů (střeva GALT, gut-associated lymphoid tissue, bronchů BALT, bronchial associated lymphoid tissue, kůže SALT, skin associated lymphoid tissue, oka EALT, eye associated lymphoid tissue aj.), funkce: hlavně představují místa reakcí B- a T-lymfocytů s buňkami prezentujícími antigen (viz dále), mízní uzliny sestávají z kůry a dřeně, ve folikulech kůry jsou B-lymfocyty a dendritické buňky, ve dřeni jsou zastoupeny B-lymfocyty, makrofágy, plazmocyty a řídce granulocyty, v zóně mezi kůrou a dření (parakortikální zóně) se nachází malé T-lymfocyty, na rozdíl od thymu jsou mízní uzliny filtrem pro protékající lymfu, vychytávají antigeny z lymfy, dochází zde k aktivaci B-lymfocytů, jejich přeměně na plazmocyty, které vytvářejí protilátky; Lymfatické tkáně a orgány spolu s lymfatickými cévami tvoří lymfatický systém (viz také kap. II/1.4). Význam lymfatického systému: (1) lymfatické tkáně a orgány se zúčastní obrany organismu (jsou součástí imunitního systému viz výše), (2) lymfatickými cévami je odváděn nadbytečný tkáňový mok a jsou jimi transportovány lipidy z tenkého střeva. Tekutina protékající lymfatickými cévami je lymfa (viz kap. II/1.4). buňky imunitního systému (imunocyty) mají schopnost z místa svého vzniku a dozrávání migrovat a z cirkulace vycestovat do tkání, dělí se na: fagocyty neutrofily, eozinofily, monocyty (makrofágy) aj., cytotoxické buňky NK- (natural killers) buňky (označované také non B- a non T-buňky), T-lymfocyty, eozinofily (viz kap. I/6.7), NK-buňky: - subpopulace lymfocytů (v periferní krvi 5-10 % ze všech lymfocytů), - nemají na svém povrchu receptor pro antigen (na rozdíl od B- a T-lymfocytů),

120 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO jsou součástí přirozeného imunitního systému, ale zřejmě jsou součástí i adaptivního imunitního systému (nesou současně i některé membránové znaky T-lymfocytů), - mají receptory přirozené cytotoxicity, cytotoxicitu zajišťují např. perforiny (glykoproteiny) nebo granulární enzymy, označované granzymy (jsou to serinové proteinázy, obsažené v jejich granulech), - působí hlavně proti nádorovým buňkám, buňkám infikovaným viry buď spontánně, nebo po označení protilátkou (mechanismus buněčné cytotoxicity závislé na protilátce, ADCC, antibody dependent cell-mediated cytotoxicity), Podle novějších poznatků se ukazuje, že cytotoxicky můžou působit na opsonizované nádorové buňky i neutrofilní granulocyty. buňky prezentující antigen (APC, antigen presenting cells), upravují antigen do formy, kterou jsou schopny rozpoznat T-lymfocyty, a reagovat na něj, (zahájit imunitní reakci), cesty prezentace podle druhu antigenu: - exogenní cesta (exogenní antigen): nejprve pohlcení proteinového antigenu potom jeho rozložení na peptidy v dalším kroku jejich vyloučení na povrch APC (na určité místo MHC II viz dále) nakonec předložení vhodným receptorům (TCR) pro Ag na pomocných T- buňkách (T H -buňkách), Pro spuštění imunitní odpovědi je třeba ještě druhý signál (kostimulační), daný interakcí určitých CD znaků na povrchu T-lymfocytů a na povrchu APC. - endogenní cesta (virové nebo nádorové antigeny): degradace Ag v proteazomu buňky na peptidy jejich vazba na MHC I (viz dále) vyloučení tohoto komplexu na povrch APC jeho rozpoznání cytotoxickými T-buňkami (T C -buňkami) zánik buňky, APC se rozdělují na: primární B-lymfocyty, makrofágy, dendritické buňky (např. Langerhansovy buňky v kůži), Dendritické buňky jsou původem z monocytů, vyskytují se: (1) v kůži, sliznicích (např. respiračního nebo gastrointestinálního systému), (2) usazené v lymfatické tkáni (mízních uzlinách), kam vycestovaly po stimulaci antigenem, v mízní uzlině vystavují na svém povrchu fragmenty antigenu a aktivují tak pomocné nebo cytotoxické T-lymfocyty. sekundární endotelové buňky, epitelové střevní buňky aj.; CZ.1.07/2.2.00/

121 121 IMUNITNÍ SYSTÉM humorální faktory protilátky (antibodies, Ab) chemicky to jsou γ-globuliny (imunoglobuliny, Ig), termín protilátka tedy vyjadřuje funkci, termín imunoglobulin strukturu, tvar písmene Y, jsou složené ze 2 identických těžkých řetězců a 2 identických lehkých řetězců, na nich: konstantní fragment (C-terminální), variabilní fragmenty (N-terminalní) se specifickými vazebnými místy pro antigen: rozlišuje se 5 typů těžkých řetězců (α, δ, ε, γ a μ), jim odpovídají třídy imunoglobulinů (viz také dále) A, D, E, G a M (IgD nebyly prokázány u skotu, ovce a prasete), syntetizují se v plazmocytech (vznikají z B-lymfocytů po jejich stimulaci antigenem), Antigen (Ag) je cizí substance protein, polysacharid (s relativní molekulovou hmotností obvykle nad 10 kda), substance musí být rozpoznatelná imunitním systémem a schopná vyvolat imunitní odpověď, aby to bylo možné, vysokomolekulové substance musí mít rigidní strukturu (vysokomolekulové látky s ohebnou strukturou molekul nevyvolávají imunitní odpověď, např. želatina se proto mohla bez rizika vzniku nežádoucí imunitní reakce aplikovat jako náhrada krevní plazmy), specifická část antigenu (několik aminokyselin nebo molekul monosacharidů), která je schopná vázat protilátky nebo membránové receptory T-lymfocytů (TCR), se nazývá epitop. Velikostně nelze imunogenitu přesně stanovit. Druhy antigenů: podle závislosti na T-buňkách: T-dependentní (imunitní odpověď závislá na T-buňkách, jsou to proteinové Ag), T-independentní (imunitní odpověď bez přítomnosti T-buněk, jsou to polysacharidové Ag); jiná hlediska: exoantigen (ze zevního prostředí), endoantigen (uvnitř organismu); autoantigen (jaderné, cytoplazmatické, tkáňové antigeny); alergen (schopný vyvolat alergickou reakci, např. pyl, prach, léky, parazité, krmivo), anafylaktogen (schopný vyvolat anafylaxi, tj. hypersenzitivitu I. typu, např. hmyzí jedy).

122 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 122 systém komplementu soubor několika desítek glykoproteinů, většinou se nacházejících v krevním séru, některé můžou vytvářet na povrchu buněk receptory, v krevním séru jsou v neaktivním stavu, aktivace komplementu může probíhat třemi cestami (ty se liší svými počátečními fázemi, další průběh je v podstatě stejný): (1) klasická cesta aktivátorem jsou imunokomplexy (Ag Ab), agregáty Ig třídy G, Ig třídy M, dále C- reaktivní protein, (2) alternativní cesta aktivátororem jsou agregáty Ig třídy A, Ig třídy E, lipopolysacharid, viry, paraziti, houby aj., (3) lektinová cesta (lektiny jsou proteiny schopné vázat monosacharidy nebo oligosacharidy, např. lektin vázající manózu), aktivátororem jsou monosacharidy, oligosacharidy, aktivace je následována kaskádou reakcí, na jejímž konci je vznik např. opsoninů CZ.1.07/2.2.00/

123 123 IMUNITNÍ SYSTÉM (látek vážících se svým jedním koncem na bakterii a druhým koncem na receptor fagocyta), chemotaktických faktorů, anafylatoxinů (fragmentů komplementu) aj., které přispívají k lýze buněk (na membráně cílové buňky se vytváří tzv. komplex atakující membránu), příklady působení složek komplementu: agregace polymorfonukleárů, zvýšení permeability, vazodilatace, opsonizace, chemotaxe, degranulace žírných buněk aj., cytokiny (viz také kap. I/10.7) heterogenní skupina látek s relativní molekulovou hmotností nad 5 kda, jsou produkovány makrofágy, monocyty, neutrofily, endoteliemi, fibroblasty, žírnými buňkami, keratinocyty aj.) po stimulaci v průběhu zánětu, nádorového onemocnění, stresu: secernovány jsou auto- nebo parakrinně, účinky jsou pestré, např.: prozánětové (interleukiny IL-1α, IL-1β, IL-6, IL-8, IL-12, faktor nekrotizující tumory TNFα aj.), protizánětové (IL-1ra, IL-4, IL-11, IL-13, transformující růstový faktor TGFβ aj.), horečka (endogenní pyrogeny, tj. IL-1α, IL-1β, IL-2, Il-6, IL-8, TNF, TNFβ, interferony IFN), stimulace tvorby proteinů akutní fáze (viz kap. I/10.7) různými interleukiny, virocidní efekt (IFN), etc., reaktivní formy kyslíku (ROS, reactive oxygen species) (viz také kap.i/4.3) vyznačují se vysokou chemickou reaktivitou, ta roste v přítomnosti tranzitních kovů (železa, mědi), zahrnují volné kyslíkové radikály (superoxidový anion, hydroxylový radikál, perhydroxylový radikál aj.) a formy bez nepárového volného elektronu (singletový kyslík, peroxid vodíku), biologicky nejnebezpečnější jsou hydroxylový radikál, singletový kyslík a peroxid vodíku, k účinku ROS je nejcitlivější cévní endotel, ROS zejména způsobují lipoperoxidaci fosfolipidů obsažených v buněčné membráně s následným poškozením funkcí buněk,

124 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 124 mají ale i pozitivní efekty, např. při fagocytóze aj.; Molekuly imunitního systému imunoglobuliny (γ-globuliny) molekuly vázající Ag na buněčné membráně B-buněk (BCR, B-cells receptors) a T-buněk (TCR, T-cells receptors) MHC glykoproteiny viz dále cytokiny (TNF, IFN, CSF, IL aj.) systém komplementu Vysvětlivky: Ag = antigen, BCR = B-cell receptor, B buněčný receptor, TCR = T cell-receptor, T buněčný receptor, MHC = major histocompatibility complex, hlavní histokompatibilní komplex, TNF = tumor necrosis factors, faktory nekrotizující tumory, IFN = interferony, CSF = colony-stimulating factors, faktory stimulující kolonie, IL = interleukiny antigeny hlavního histokompatibilního komplexu obratlovci mají schopnost: (1) nepřijmout transplantovanou cizí tkáň buněčný typ imunity, můžou cizí štěp odvrhnout, geny odpovědné za odvrhnutí (rejekci) jsou lokalizovány na krátkém úseku chromosomu těsně vedle sebe, tyto geny se pak nazývají geny hlavního histokompatibilního komplexu (MHC, major histocompatibility complex), MHC geny kódují MHC antigeny, lze je rozdělit na antigeny I., II. a III. třídy: - MHC antigeny I. třídy jsou na površích všech jaderných buněk obratlovců (mimo spermií) a také na trombocytech (antigeny MHC-I vytvářejí imunologickou jedinečnost každého organismu), - MHC antigeny II. třídy jsou exprimovány na makrofázích, dendritických buňkách, CZ.1.07/2.2.00/

125 125 IMUNITNÍ SYSTÉM ale i na buňkách endotelu aj. (tzn. jde především o buňky prezentující antigen): Vysvětlivky: MHC = major histocompatibility complex, hlavní histokompatibilní komplex, CD = cluster of differentiation, diferenciační znaky, T C = cytotoxické T-lymfocyty, T H = pomocné T-lymfocyty, B-ly = B- lymfocyty - MHC antigeny III. třídy jsou to např. o některé proteiny systému komplementu, faktory nekrotizující tumory, proteiny teplotního šoku), některé MHC antigeny můžou být asociovány s určitými nemocemi; Nomenklatura MHC systému je u jednotlivých savčích druhů odlišná, např. u člověka se označuje HLA, psa DLA, kočky FLA, koně ELA, skotu BoLA, ovce OVA, kozy CLA, prasete SLA, králíka RTA, myši H-2, potkana RT1, morčete GPLA; MHC systém má význam v transplantologii a transfuzním lékařství, neshoda v MHC antigenech mezi dárcem a příjemcem může být příčinou mnoha posttransfuzních reakcí, shoda ve vybraných MHC antigenech je velmi důležitá pro uchycení a dobrou funkci transplantátu. MHC se zjišťuje metodami sérologickými nebo molekulárně genetickými (polymerázovou řetězovou reakcí, PCR, polymerase chain reaction). (2) odpovídat na cizí rozpustné či korpuskulární antigeny tvorbou specifických protilátek humorální typ imunity OBRANA ORGANISMU Obrana organismu proti působení patogenních faktorů je vrozená a získaná:

126 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 126 Vysvětlivky: MHC = major histocompatibility complex, hlavní histokompatibilní komplex Vrozená (nespecifická) obrana je iniciální obrana proti infekcím (první linie), její buněčné složky jsou schopné rozpoznat různé mikroby, jsou bez paměti (tzn. působí nezávisle na předchozím kontaktu s mikrobem), odpověď je okamžitá; komponenty fagocyty, NK-buňky, systém komplementu, cytokiny, bariéry (v širším významu): jsou to funkční mechanismy a morfologické struktury, omezující nebo potlačující působení patogenních činitelů, mechanická překážka (kůže, sliznice), baktericidie (HCl v žaludeční šťávě, antimikrobiální peptidy na kůži a zejména sliznicích lyzozym v slzách, slinách), bakteriostaze (eumikrobie, např. v respiračním systému, gastrointestinálním traktu aj., bakteriální antagonismus, např. osídlení ústí strukového kanálku mléčné žlázy dojnice bakterií Corynebacterium bovis omezuje vstup patogenních bakterií do mléčné žlázy), fixace a transport škodliviny (tracheobronchiální sekrece, mukociliární aparát v dýchacích cestách), diluce (zředění) škodliviny (zánětovým exsudátem), fagocytóza, stimulace obranných mechanismů (uplatnění cytokinů, ikosanoidů, systému komplementu, proteinů akutní fáze), biotransformace (játra), obranné reflexy (dýchací kašel, kýchání), peristaltika střev (redukuje patologickou mikrobiotu), mikce (brání proniknutí patogenů vzestupnou cestou do organismu), absence receptorů (pro jedy); Lyzozym je enzym štěpící -1,4-glykosidové vazby v polysacharidech, je produkován fagocyty (obsažen v jejich lyzosomech) a je také parakrinně vylučován, vedle slin a slz je na kůži a ve vaječném bílku, působí jednak přímo na grampozitivní bakterie, jednak působí v interakci s proteinázami leukocytů, komplementem a imunoglobuliny proti řadě patogenních mikroorganismů. významným mechanismem je fagocytární systém, dnes je chápán jako komplexní obranný systém, jeho aktivita se uskutečňuje ve fázích: (1) usměrněný pohyb za škodlivinou (pomocí látek vlastních patogenu nebo původem CZ.1.07/2.2.00/

127 127 IMUNITNÍ SYSTÉM z poškozené tkáně), přilnutí (adheze) fagocyta k endotelu (pomocí adhezních molekul na endoteliích) prostup (diapedéza) stěnou cévy migrace ameboidním pohybem do místa poškození (chemotaxe), (2) aktivace fagocyta a přilnutí k antigenu, děje se tak: na základě fyzikálně chemických vlastností povrchu, receptorovým mechanismem (např. Toll-like receptory, viz dále), receptory jsou schopné rozpoznat chemické látky na povrchu antigenu nebo antigenem uvolňované, receptory ale nereagují na chemické struktury nepoškozených vlastních buněk, látkami uvolněnými z vlastních tkání označovanými signály nebezpečí nebo poškození (danger/damage signals) nebo také označovanými alarminy (např. HSP, heat shock proteins, proteiny teplotního šoku aj.) (viz také výše), Toll-like receptory byly prvně objeveny u octomilek (Drosophila melanogaster), označení je odvozeno od německého toll (tj. mj. skvělý). (3) pohlcení (ingesce) škodliviny vytvoření fagosomu a posléze splynutím fagosomu s lyzosomy vytvoření fagolyzosomu, (4) usmrcení (živé) škodliviny: mechanismy závislými na kyslíku (respirační/oxidativní vzplanutí neutrofilů), buď samotnými reaktivními formami kyslíku, nebo spolu s myeloperoxidázou a Cl - (vznik silně baktericidní kyseliny chlorné a chloraminů), mechanismy na kyslíku nezávislými, např. lyzozymem (viz výše), laktoferrinem (váže železo, které je růstovým prvkem pro mikroorganismy a ty pak neproliferují a hynou), defenziny (antimikrobiální peptidy), etc., fagocytovaný materiál je rozložen hydrolytickými enzymy na nízkomolekulové fragmenty (někdy označované reziduální tělíska) a ty jsou z buňky vypuzeny, složky fagocytárního systému: polymorfonukleární systém (PMNL, polymorfonukleární leukocyty) jsou to především neutrofilní granulocyty, ale také eozinofilní granulocyty, funkce: první linie obrany (v granulech obsahují defenziny aj.) proti extracelulárním mikroorganismům (bakteriím), produkce cytokinů, aktivace dalších imunokompetentních buněk, vyvolání celkové odpovědi organismu na škodlivinu (horečka), ničení mikrobů označených protilátkou, jedny z hlavních buněk zánětové reakce (viz dále), Nově se popisuje mechanismus zachycování mikrobů do neutrofilových extracelulárních pastí (NET, neutrophil extracelullar trap), vytvořených z chromatinové síťoviny zejména neutrofilů, ale také žírných buněk a bazofilů. Způsob se také označuje netóza.

128 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 128 mononukleární fagocytární systém (MFS) patří sem monocyty (v krvi), mikroglie (v mozku), alveolární makrofágy (v plicích), Kupfferovy buňky (v játrech), dendritické buňky (v lymfatické tkáni), mesangiální buňky (v ledvinách), osteoklasty (v kostech), Langerhansovy buňky (v kůži) aj. existují dva typy aktivovaných makrofágů typ M1 vzniká aktivací interferonem γ, působí prozánětově, typ M2 vzniká aktivací některými interleukiny, působí protizánětově a regeneračně, funkce: fagocytóza mikroorganismů (intracelulárních parazitů mykobakterií), odstraňování imunokomplexů, odstraňování buněčných fragmentů, zpracování a předkládání Ag lymfocytům, produkce cytokinů, aktivace dalších imunokompetentních buněk, vyvolání celkové reakce na škodlivinu (horečka), obrana proti nádorům, opsoniny jsou to látky zvyšující účinnost fagocytózy tím, že se na patogena naváží, tuto roli sehrávají např. složky komplementu nebo protilátky; zánět (inflammatio) je základní patologický proces ( páteř patologie ), je to složitá ustálená obranná odpověď organismu na poškození (buňky nebo tkáně), přičemž primárně je poškozena cévní stěna, z toho vyplývá, že zánětem může být postižena každá tkáň, která je vaskularizovaná, odpověď na poškození: je dána interakcemi mezi určitými buněčnými systémy (polymorfonukleárními leukocyty, makrofágy, endoteliemi, obrovskými buňkami, fibroblasty, žírnými buňkami), mediátory (viz dále), proteiny akutní fáze (viz kap. I/10.7), to vše za spoluúčasti autonomního nervového systému (zánětový reflex viz výše), zapojení všech faktorů zúčastněných na zánětové reakci se děje ve víceméně ustálených fázích (viz dále), funkce/význam zánětu: obranná funkce je dána zamezením nebo omezením škodlivého efektu zánětového faktoru na organismus, děje se tak: přímou destrukcí vyvolávajících poškozujících faktorů a jejich vyloučením, omezením jejich šíření, jejich ředěním, stimulací specifické odpovědi (viz dále), nakonec nastupuje hojení a regenerace poškozené tkáně, příčiny vzniku zánětu: exogenní faktory: fyzikální (teplo, chlad, záření, tlak aj.), chemické (kyseliny, zásady, léky aj.), biologické (bakterie, viry, paraziti aj.), endogenní faktory: imunopatologické reakce (imunitní komplexy, tj. Ab Ag), krevní výrony, trombózy (nitrocévní sraženiny), nádory, nekrózy, konkrementy aj., CZ.1.07/2.2.00/

129 129 IMUNITNÍ SYSTÉM fáze zánětu: (1) akutní cévní reakce je charakterizována překrvením (hyperemií) a edémem (v důsledku transudace, tj. prostupu tekutiny s nízkým obsahem bílkovin a ojedinělými buňkami z cév), uplatněn efekt vazoaktivních substancí histaminu, serotoninu, NO aj., (2) akutní buněčná reakce chemotakticky řízená tvorba exsudátu (tj. tekutiny s vysokým obsahem proteinů, buněk aj. z cév), rozhodujícími buňkami této fáze jsou neutrofilní granulocyty, je přítomná fagocytóza, (3) chronická buněčná reakce probíhá rovněž exsudace, rozhodujícícími buňkami této fáze jsou makrofágy, dále T-lymfocyty, eozinofily aj., je přítomná fagocytóza a také specifické imunitní reakce (viz dále), (4) regenerace částečné nebo úplné odstranění poškození, rozhodujícími buňkami jsou fibroblasty, stimulační efekt vykonávají FGF, TGF aj., Chronické záněty můžou vznikat přechodem z akutních nebo samostatně (de novo). Samostatně vzniklé záněty mají velice krátkou akutní fázi. Hlavními buňkami chronických zánětů jsou makrofágy, obrovské buňky, epitelové buňky. patomechanismy (rozvoj zánětové reakce): škodlivina (noxa) primární poškození (dezintegrace membrán, uvolnění tkáňově destrukčních enzymů z lyzosomů, uvolnění mediátorů, nedostatečnost ATPáz, neoxidativní glykolýza, lokální acidóza aj.) poruchy mikrocirkulace (změny cévního tonu, změny permeability) další vlna uvolnění a působení mediátorů fagocytóza, exsudace ukončení zánětu (viz dále), mediátory zánětu: zánětové mediátory jsou látky původem z krevní plazmy nebo buněk, v buňkách jsou buď syntetizovány de novo (např. deriváty kyseliny arachidonové, tj. ikosanoidy), nebo jsou deponovány v aktivní formě (např. histamin, serotonin), vznik ikosanoidů:

130 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 130 některé mediátory mají původ exogenní, např. lipopolysacharid (endotoxin obsažený ve stěně gramnegativních bakterií), úlohu mediátorů plní i některé cytokiny, reaktivní formy kyslíku aj., mediátory mají efekty škodlivé i prospěšné, jsou rychle metabolizovány, příklady působení mediátorů: kininy vazodilatace, zvýšení permeability, vnímání bolesti aj., složky komplementu agregace polymorfonukleárů, zvýšení permeability, vazodilatace, opsonizace, chemotaxe, degranulace žírných buněk aj., histamin zvýšení permeability, vazodilatace, spazmus nevaskulární hladké svaloviny aj., serotonin vazokonstrikce/-dilatace (podle receptorů), zvýšení permeability, uvolňování histaminu aj., lyzosomální proteinázy proteolýza, zvýšení permeability, chemotaxe, cytotoxicita aj., substance P (P odvozeno z angl. Pain = bolest) vnímání bolesti, uvolňování histaminu aj., vazoaktivní intestinální peptid (VIP) relaxace hladké svaloviny aj., ikosanoidy vazodilatace, horečka (prostaglandiny), zvýšení permeability, agregace trombocytů (tromboxany), dalšími efekty jsou degranulace žírných buněk a granulocytů aj., faktor aktivující destičky (PAF, platelet activating factor) agregace trombocytů, zvýšení permeability aj., cytokiny: - interferony (IFN) virocidní efekt, aktivace granulocytů a makrofágů, horečka (endogenní pyrogeny ), stimulace tvorby proteinů akutní fáze (APP, acute phase CZ.1.07/2.2.00/

131 131 IMUNITNÍ SYSTÉM proteins, viz kap. I/10.7) aj., - inteleukiny (IL) mobilizace leukocytů, horečka (endogenní pyrogeny ), stimulace tvorby APP) aj., - faktory nekrotizující tumory (TNF, tumor nocrosis factors) horečka (endogenní pyrogeny, stimulace tvorby APP, vznik a efekty některých cytokinů Vysvětlivky: IL = interleukiny, TNF = faktory nekrotizující tumory, IFN = interferony, APP = proteiny akutní fáze (acute phase proteins) ukončení zánětu: vstřebání (rezoluce, resorpce) při malém poškození a u buněk se zachovanou regenerační schopností: hlavními buňkami jsou polymorfonukleáry a makrofágy, je odstraněn exsudát, detritus (odumřelé buňky či jejich zbytky), fibrin, je obnovena mikrocirkulace, tzn. úplný návrat k původnímu stavu, reparace při větším poškození a u buněk s nedostatečnou regenerační schopností, zpočátku se tvoří granulační tkáň (složena z fibroblastů, leukocytů, kapilár), která později jizevnatí (fibrotizuje), hlavním buňkami jsou fibroblasty a leukocyty, smrt (viz také kap. I/5) Získaná (adaptivní, specifická) obrana imunitní odpověď, spočívající v aktivaci lymfocytů, je opožděná; základem je rozpoznávání specifických cizích substancí; vysokou schopnost rozpoznání antigenu mají receptory B- (BCR) a T-lymfocytů (TCR), existuje obrovské množství klonů B- a T-lymfocytů a tedy i receptorů, které ale mají odlišná vazebná místa, při navázání antigenu na BCR dojde k aktivaci příslušného B-lymfocytu, který se přemění na plazmocyt, plazmocyt secernuje protilátky odpovídající svojí specifitou specifitě BCR; komponenty B-lymfocyty/B-buňky (odpovídají za humorální imunitu),

132 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 132 T-lymfocyty/T-buňky (odpovídají za buněčnou imunitu), lymfocyty v epitelech (IgA jsou secernované na povrch epitelií); další charakteristika buněčných komponent: mají schopnost rozpoznat specifické mikroby nebo nemikrobní proteinové antigeny, lymfocyty mají membránové receptory, které umožňují reagovat pouze s jedním typem agens, mají imunologickou paměť, vyvolaná reakce/odpověď je oproti vrozené imunitě pozdnější, protilátky (viz dále); klasifikace (typy) humorální (protilátková) imunita, jde o rozpoznávání specifických extracelulárních antigenů, výkonnými molekulami jsou protilátky, - jsou produkované plazmocyty (plazmatickými buňkami), - plazmocyty vznikají z antigenem stimulovaných B-lymfocytů (přes plazmoblast a proplazmocyt), protilátky se člení podle těžkých řetězců do 5 tříd IgA (řetězce ), IgD ( ), IgE (ε), IgG ( ), IgM ( ), IgA je sérový a sekreční, funkce protilátek: - přilnutí k mikrobiálnímu povrchu (opsonizace zvýšení účinnosti fagocytózy), - tvorba klastrů bakterií (snazší smrcení fagocytózou), - inaktivace bakteriálních toxinů, - neutralizace virových částic (naváží se na určitá místa virové částice a tím zábrání přilnutí viru a jeho průniku do buňky), - aktivace komplementu, po prvním kontaktu s antigenem se objeví po několika dnech (fázi latence) specifické protilátky v krevním oběhu primární protilátková odpověď, při dalším kontaktu s původním antigenem se objeví sekundární protilátková odpověď, je účinnější její nástup je rychlejší (kratší fáze latence), koncentrace protilátek je vyšší, její maximální hodnoty přetrvávají delší dobu, protilátky mají vyšší afinitu k antigenu a pomaleji z krve mizí, zúčastní se jí paměťové B-lymfocyty (zůstávají v těle mnoho roků a na eventuální opětovné setkání s antigenem reagují odpovědí, která je rychlejší a účinnější), CZ.1.07/2.2.00/

133 133 IMUNITNÍ SYSTÉM Formou humorální imunity je kolostrální imunita. Vzniká přenosem protilátek obsažených v kolostru při jeho pití mládětem. Faktory, které ovlivňují kolostrální imunitu jsou: množství kolostra, kvalita kolostra a stupeň jeho absorpce ze střeva (snižuje se s dobou po narození, např. u telat za 6 h po narození se vstřebá méně jak 50 % imunoglobulinů). imunita zprostředkovaná buňkami (celulární), jde o rozpoznávání intracelulárních antigenů, výkonnými buňkami jsou T-lymfocyty, antigen musí být upraven (prezentován), aby byl T-lymfocytem rozpoznán a mohla být spuštěna imunitní odpověď, prezentaci antigenu zajišťují: - buňky prezentující antigen (APC): primární APC (makrofágy, dendritické buňky, B-lymfocyty), sekundární APC (např. endotelové buňky cév, buňky střevního epitelu), - APC mají schopnost: pohlcovat proteinový antigen rozložit ho na peptidy vyloučit je na svůj povrch předložit je vhodným receptorům pro antigen na T H -buňkách Srovnání faktorů nespecifické a specifické obrany Charakteristika Nespecifické faktory Specifické faktory buňky fagocyty, NK-buňky T-lymfocyty, B-lymfocyty sérové faktory komplement protilátky rychlost reakce minuty hodiny až dny způsob rozpoznání antigenu prostřednictvím opsoninů aj. molekul stupeň vývoje starší mladší paměť ne ano pomocí specifických receptorů pro antigen Poruchy imunitního systému se obvykle člení na: (1) hypersenzitivity, tj. stavy přecitlivělosti vyznačují se zvýšenou funkcí (hyperfunkcí) imunitního systému, patří sem různé formy atopií (alergická rýma, alergický zánět kůže, alergie na krmivo aj.), dále anafylaxe (např. při opakovaném bodnutí hmyzem), (2) imunodeficience (imunodeficity), tj. stavy snížené imunity vyznačují se sníženou funkcí (hypofunkcí) imunitního systému, patří sem defekty fagocytózy, tvorby protilátek, komplementu, poruchy funkce T-lymfocytů aj., (3) autoimunitní nemoci, tj. stavy s neschopností rozpoznat vlastní od cizího vyznačují se hyperfunkcí imunitního systému, patří sem systémový lupus erythematodes, myasthenia gravis aj., (4) nádorová onemocnění imunitního systému, tj. stavy s nádorovou transformací komponent lymfatických tkání a orgánů.

134 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO IMUNITNÍ SYSTÉM U PTÁKŮ Lymfoidní tkáně a orgány přítomen zvláštní orgán Fabriciova burza (bursa Fabricii, bursa cloacalis), u kura po roce zaniká, u kachny a husy je přítomná do pozdního věku, představuje místo tvorby protilátek, hlavní protiinfekční efekt mají imunoglobuliny Y (IgY), ve vysoké koncentraci jsou obsažené ve vaječných žloutcích, kam přestupují v průběhu ovogeneze z krevního séra; v burze probíhá diferenciace B-lymfocytů, antigenní stimulací vznikají z B-lymfocytů, obdobně jako u savců, plazmocyty, plazmocyty jsou i v slzné žláze třetího víčka a vylučují protilátky do slz; T-lymfocyty vyzrávají stejně jako u savců v thymu, periferní mízní uzliny většinou chybějí (s výjimkou vrubozobých), ve střevě jsou Peyerovy plaky a v céku cékální tonzily, lymfoidní tkáň je i v Harderově žláze nad očnicí. Buňky imunitního systému neutrofilům u savců odpovídají heterofily u ptáků; lymfocyty jsou bohatě zastoupeny (až 70 % z počtu krevních buněk), MHC systém byl ztotožněn se systémem krevní skupiny B MHC(B). Významným animálním modelem studia imunitního systému je kur. CZ.1.07/2.2.00/

135 135 VNITŘNÍ PROSTŘEDÍ 8. VNITŘNÍ PROSTŘEDÍ 8.1. VNITŘNÍ PROSTŘEDÍ A JEHO DETERMINANTY Vnitřní prostředí z fyziologického pohledu je extracelulární (EC) prostor, v němž je obsažena EC tekutina, ta je součástí celkové tělesné tekutiny Celková tělesná tekutina je rozdělena do oddílů (kompartmentů), které jsou ohraničené biologickými membránami; člení se na: intracelulární (IC) tekutinu (cca 40 % ž. hm. dospělého zvířete), extracelulární (EC) tekutinu (cca 20 % ž. hm. dospělého zvířete): intravaskulární (intravazální) kompartment (cca 25 % ECT), složkami jsou krevní plazma a lymfa bez buněčných elementů, extravaskulární (extravazální) kompartment, obsahuje intersticiální tekutinu, tj. tkáňový mok, Vysvětlivky: CTT = celková tělesná tekutina, ICT = intracelulární tekutina, ECT = extracelulární tekutina, IVT = intravaskulární tekutina, EVT = extravaskulární tekutina, IST = intersticiální tekutina, TCT = transcelulární tekutina

136 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 136 funkce: transportní nutrienty metabolity dýchací plyny informace funkce obranná protilátky cytokiny enzymy komplement koagul. faktory regulační osmotický tlak ph ionty glukóza tělesná teplota objem krve složení: nejdůležitější složkou celkové tělesné tekutiny je voda, v ní jsou obsažené různé látky: krystaloidní vyvíjejí na semipermeabilní membránu osmotický tlak: anorganické látky, nízkomolekulární organické látky, koloidní vyvíjejí onkotický tlak: vysokomolekulární látky (proteiny). Samci a mláďata mají větší množství tělesné vody. Regulace složek je nervová a humorální (viz kap. I/8.2.3) Extracelulární tekutina jejími složkami jsou: krevní plazma (4 % ž. hm.), intersticiální tekutina (15 % ž. hm.) (zprostředkovává kontakt s buňkami), lymfa (bez buněk), tekutina transcelulární (vzniká na základě transportní a sekreční aktivity buněk): mozkomíšní mok, tekutina trávicího ústrojí (včetně žluči), tekutina močového ústrojí, tekutina tělních dutin (pleurální, peritoneální), tekutina kloubních štěrbin a synoviálních váčků, tekutina očního sklivce. Jako tekutina ve třetím prostoru se označuje tekutina v preformovaných dutinách: tekutina pleurální, perikardiální, peritoneální, v GIT, synoviální, cerebrospinální likvor. CZ.1.07/2.2.00/

137 137 VNITŘNÍ PROSTŘEDÍ Stálost vnitřního prostředí nutnou podmínkou pro normální průběh funkcí v organismu je dynamická stálost vnitřního prostředí homeostaze, tu lze také charakterizovat jako relativní nezávislost na faktorech vnějšího prostředí a samotného organismu; homeostaze se hlavně týká: teploty, objemu tekutiny (důležité zejména v neuronech), závisí na Starlingových silách, tj. hydrostatickém a onkotickém tlaku (viz dále), koncentrace iontů, ph, osmotického tlaku, tj. síly působící na plochu, je to vlastně tlak toku rozpouštědla pronikajícího přes semipermeabilní membránu do roztoku s vyšší koncentrací osmoticky aktivních látek (molekul a iontů), Semipermeabilní membránou jsou i biologické membrány, - propouští volně vodu (tj. solvent), - omezeně další látky (tj. soluty), - např. glomerulární membrána je propustná pro vodu + ionty + aminokyseliny, (přísně semipermeabilní membrána propouští jen vodu). závisí na počtu osmoticky aktivních látek (molekul a iontů), tj. na koncentraci roztoku a dále na teplotě, způsobuje pohyb vody přes membrány, pohyb ustává, jsou-li koncentrace na obou stranách membrány shodné nebo nějaká překážka (např. zánět) či protisíla (např. působení aldosteronu mající za následek změnu koncentrace na jedné straně) nezabrání pohybu, je-li osmotický tlak roztoku shodný s osmotickým tlakem krevní plazmy, jde o roztok izoosmolální, je-li vyšší, jde o roztok hyperosmolální a je-li nižší, jde o roztok hypoosmolální, udává se v kpa (fyziologický osmotický tlak krevní plazmy je 750 kpa), funkcí osmotického tlaku je osmolalita, je to osmotická mohutnost tekutiny, tj. schopnost působit osmotickým tlakem na semipermeabilní membráně, vyjadřuje se v mmol/kg vody, kvalifikovaný odhad osmolality v plazmě/séru: 2[Na] + [glukóza] + [urea], Odhadovaná osmolalita odpovídá v podstatě osmolalitě měřené. Urea volně prostupuje semipermeabilní membránou, je tedy neefektivním solutem (viz dále). efektivní osmolalita je způsobená efektivními ionty, tzn. těmi, které jsou dané pouze pro určitý kompartment, odhad efektivní osmolality: 2[Na] + [glukóza] + [látka x ] změna efektivních solutů vede k přesunu vody mezi kompartmenty, osmolální okno (OsmGap) je rozdíl mezi měřenou a vypočítanou osmolalitou, stanovení má význam pro průkaz patologicky se vyskytujících solutů, spojených se vznikem těkavých látek, jejichž přítomnost se předpokládá při rozdílu mezi měřenou a vypočítanou osmolalitou větším než 10 mmol/kg vody.

138 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO Gibbsova-Donnanova rovnováha je to rovnováha mezi koncentracemi kationtů a aniontů v intersticiální tekutině a krevní plazmě, je dosahována úpravou nábojů nedifuzibilních látek (proteinů) na základě přesunu difuzibilních (nízkomolekulárních) látek přes membránu (kapilární stěnu); předpoklady pro ustavení rovnováhy tedy jsou: (1) membrána je prostupná pro ionty, (2) ale je neprostupná pro koloidy s nábojem (proteiny); za normálního ph jsou na proteinech negativní náboje proto ustavená rovnováha mezi intersticiem a krevní plazmou se vyznačuje vyšší koncentrací kationtů v plazmě (kompartment s proteinovými anionty) a vyšší koncentrací aniontů v intersticiu (kompartment bez proteinových aniontů): kvantifikace vztahů mezi koncentracemi kationtů a aniontů v různých kompartmentech (upraveno podle Jabora a kol., 2008): Látka Kompartment intracelulární intersticium plazma Na + 0,1 1 1,1 K + 37,5 1 1,1 Cl - 0,03 1 0,95 - HCO 3 0,3 1 0,8 Ca celkový 0 1 1,04 fosfáty podle zastoupení 1 0,8 Mg celkový proteiny (náboje) Starlingův zákon vyjadřuje vztah mezi krevní plazmou a intersticiem, závisí na: krevním tlaku (hydrostatickém tlaku) v cévách, hydrostatickém tlaku v intersticiu, koncentračním gradientu proteinů mezi krevní plazmou a intersticiem (onkotickém tlaku v plazmě a intersticiu), permeabilitě kapilár; hydrostatický tlak v kapilárách je dán funkcí srdce jako čerpadla (je totožný s krevním tlakem), umožňuje filtraci tekutiny z kapiláry do intersticia, fyziologicky je rozdílný: - nejvyšší je na arteriálním konci, CZ.1.07/2.2.00/

139 139 VNITŘNÍ PROSTŘEDÍ - snižuje se k žilnímu konci (o 1-2 kpa), - z toho vyplývá, že na začátku kapiláry dochází k filtraci tekutiny, na žilním konci ke zpětné resorpci tekutiny, v intersticiu je dán objemem intersticiální tekutiny a poddajností tkáně (fyziologicky je malá), fyziologicky je kolem 0, ale hodnoty můžou být +/- (až -0,9); onkotický tlak v kapilárách je dán koncentrací plazmatických proteinů (hlavně albuminu), stěna kapiláry je prostupná pro vodu, ionty, málo pro proteiny, fyziologicky činí 3,3-4,0 kpa, ale v průběhu kapiláry se v důsledku výstupu tekutiny zvyšuje (plazma se zahušťuje), v intersticiu je dán koncentrací proteinů v intersticiální tekutině a permeabilitou stěny kapilár, fyziologicky činí 0,7-0,8 kpa, se zvyšováním permeability se zvyšuje (prostup proteinů), s výstupem tekutiny z kapilár do intersticia se snižuje; Rozdíl mezi hydrostatickým a onkotickým tlakem (oba tlaky působí proti sobě) je čistý filtrační tlak, je-li kladný, dochází k filtraci, je-li záporný, dochází ke zpětné resorpci. permeabilita stěny kapilár je dána typem kapiláry, zvyšuje se fenestracemi nebo póry (kontinuální vs. diskontinuální kapiláry), dále velikostí a nábojem prostupujících molekul (proteinů), ve tkáních je charakterizována filtrační konstantou (K f ) a plochou kapilár (A), součin K f A = kapilární filtrační koeficient, - přičemž A je dáno délkou kapilár, jejich průměrem a počtem, mění se v různých tkáních (např. při fyzické zátěži, při patologických procesech); poruchy Starlingových sil edém je to zvýšení tlaku intersticiální tekutiny nad hodnotu atmosferického tlaku, klinicky zjevný je edém při zvýšení intersticiálního tlaku o % nad normu, faktory vyvolávající edém se označují edemogenní: zvýšení hydrostatického (transmurálního) tlaku, zvýšení permeability,

140 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 140 snížení onkotického tlaku krevní plazmy, působení edemogenních faktorů: proti působení edemogenních faktorů se uplatňují obranné/kompenzační faktory: negativní intersticiální tlak, zvýšený tok lymfy, odstraňování proteinů lymfou. Kapacita obranných/kompenzačních faktorů Ochranný/kompenzační faktor Velikost (kpa) negativní intersticiální tlak (-0,9 kpa) 0,9 zvýšený tok lymfy 0,8 odstraňování proteinů lymfou 0,6 Σ 2,3 Údaje z tabulky lze interpretovat: zvýšení hydrostatického tlaku v kapilárách až o 2,3 kpa nevyvolá edém, nebo snížení onkotického tlaku až o 2,3 kpa nevyvolá edém REGULACE VNITŘNÍHO PROSTŘEDÍ Vnitřní prostředí je regulovaná soustava, jeho dynamická stabilita (homeostaze) je zajišťována regulačními mechanismy: zpětnými vazbami (tvoří regulační obvod); kompartmentalizací (členění vnitřního prostředí na oddíly mezi nimi probíhají transmembránové procesy, v nich role transportních mechanismů a nárazníků); pohybovou aktivitou; změnami chování Regulované veličiny objem tělesných tekutin; koncentrace iontů; osmotický tlak; ph; tělesná teplota. CZ.1.07/2.2.00/

141 141 VNITŘNÍ PROSTŘEDÍ Regulační obvod je tvořen komponentami: receptory (vstup informace) volumo-, osmo-, termoreceptory aj.; komunikačním (informačním) kanálem nervový (n. vagus, n. glossopharyngeus), humorální (regulační molekuly např. hormony); řídícími orgány a regulátory vnitřního prostředí, které uskutečňují analýzy a syntézy informací, vysílají instrukce (viz dále) nervový systém, centra řídící dýchání, teplotu těla, příjem potravy a tekutin, vylučování moči atd., systém vnitřní sekrece; efektory nárazníkové systémy, regulační úloha orgánů, ledviny, plíce, orgány GIT, játra, kosti, svaly, kůže aj Regulátory vnitřního prostředí (viz také kap. II/10) jsou to vykonavatelé regulace, kteří ve vnitřním prostředí zajišťují izovolemii (stálý objem tělesné tekutiny), izoionii (stálou koncentraci iontů), izoosmii (stálý osmotický tlak), izohydrii (stálé ph), izotermii (stálou tělesnou teplotu); tzn. zajišťují stálost regulovaných veličin (voz kap. I/8.2.1); příklady regulátorů: vazopresin (VP, ADH, antidiuretický hormon) syntéza: hypotalamus (nucleus supraopticus), skladování sekrečních granul s vazopresinem v neurohypofýze, stimulace jeho sekrece: zvýšením osmolality krevní plazmy, snížením objemu cirkulující tekutiny, bolestí, nevolností (nauzeou), snížením po 2, snížením hladiny glukózy v krevní plazmě/séru (hypoglukozemií), snížením hladiny draslíku v krevní plazmě/séru (hypokalemií), při patologických procesech (při zánětech a traumatech mozku, zánětech plic aj.), degradace v játrech, ledvinách, funkce vazopresinu: zvyšuje propustnost pro vodu v distálním tubulu ledvin a zadržuje vodu v epitelu sběrných kanálků ledvin (v důsledku hypertonicity intersticia za účasti akvaporinů), Akvaporiny (AQP) jsou to specializované proteinové membránové kanály pro transport vody, člení se na:

142 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO renální (v proximálním a distálním tubulu tubulu, ve sběrném kanálku), - extrarenální (v/ve plicích, játrech, slezině, slinných žlázách, mozku, varlatech, nadvarlatech, pankreatu, tenkém střevě aj.). Z hlediska regulace vnitřního prostředí jsou významné AQP2, jejich snížená exprese je při centrální úplavici močové (diabetes insipidus centralis), akutním selhání ledvin (z nedostatečné perfuze), cirhóze jater aj. vazokonstrikce, stimulace tvorby prostaglandinů E 2 (PGE 2 ) a prostacyklinu (PCI) v ledvině, (což vyvolává pozitivní efekt na perfuzi ledvin), pozitivní efekt na hemokoagulaci (dán vzestupem von Willebrandova faktoru v endotelu cév), pozitivní efekt na fibrinolýzu, (dán vzestupem tkáňového aktivátoru plazminogenu v endotelu); systém renin-angiotenzin-aldosteron (SRAA) syntéza složek: v juxtaglomerulárním aparátu renin, v játrech, tukové tkáni aj. angiotenzinogen, angiotenzin I (AT I), v plicích, střevě aj. angiotenziny II a III (AT II a AT III), v kůře nadledvin aldosteron, stimulace jeho sekrece: pokles tlaku ve vas afferens ledvin vede ke zvýšení syntézy reninu, funkce SRAA: zajišťuje stabilitu objemu cirkulující tekutiny, presorický efekt (zvýšení tonu cév) AT II, snížené vylučování sodíku ledvinami (jeho zvýšená resorpce) aldosteron (ALD), funkce angiotenzinu II: vazokonstrikce, zvýšení sekrece aldosteronu, prozánětový efekt na cévní stěnu, funkce angiotenzinu III: vazokonstrikce (ale jen 40 % efektu AT II, v CNS více než AT II), CZ.1.07/2.2.00/

143 143 VNITŘNÍ PROSTŘEDÍ Byl prokázán angiotenzin IV, vzniká z angiotenzinu II, funkce: vazodilatace v mozku a plicích (přes oxid dusnatý). natriuretické peptidy jsou produkované různými tkáněmi či orgány (myokardem, mozkem, ledvinami, endotelem, hadem mambou Dendroaspis), účinky jsou pleomorfní (závislé na druhu peptidu), členění: vlastní natriuretické peptidy (NP) atriový (ANP), urodilatin, mozkový nebo také B-typ (BNP), C-typ (CNP), dendroaspis (DNP) a další, fragmenty NP, např. dlouhodobě působící peptid, dilatátor cév, kaliuretický peptid, funkce ANP, BNP, DNP, dlouhodobě působícího peptidu, dilatátoru cév: vazodilatace, natriuréza, diuréza, inhibice sekrece aldosteronu a reninu, funkce urodilatinu: vazodilatace, natriuréza, diuréza, funkce CNP: vazodilatace; adrenomedulin (ADM) patří (spolu s kalcitoninem) do rodiny peptidu odvozeného od genu kalcitoninu (CGRP, calcitonin gene-related peptide), výskyt při feochromocytomu (nádoru chromafinní tkáně) aj. nádorech, onemocnění srdce a cév, plic, chronickém selhání ledvin, šoku aj., funkce adrenomedulinu: vazodilatace, natriuréza, kardioprotekce (myokardu), stimulace funkce glomerulů v ledvinách, stimulace funkcí CNS, endokrinního systému aj.; bradykinin patří do rodiny kininů, kininy vznikají z kininogenů působením kallikreinu, kininogeny (nízkomolekulový, vysokomolekulový) se syntetizují v játrech, ledvinách, endotelu, funkce bradykininu: vazodilatace (na rozdíl od AT II a noradrenalinu i při hypovolemii), natriuréza, diuréza, mediátor bolesti; fosfatoniny je to heterogenní skupina faktorů, jsou produkovány osteoblasty, ledvinami, játry, štítnou žlázou, tenkým střevem, mozkem aj., patří sem: fibroblastové růstové faktory (FGF) aj., funkce fosfatoninů: fosfaturie (inhibice transportu fosfátů v proximálním tubulu, inhibice syntézy 1,25-dihydroxycholekalciferolu inhibi ce resorpce fosfátů v tubulu);

144 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 144 parathormon (PTH) polypeptid produkovaný v příštítné žláze, jeho sekrece je řízena: hladinou Ca 2+ v krvi (snížení hladiny Ca 2+ zvyšuje sekreci), tvorbou 1,25-dihydroxycholekalciferolu (1,25-DHCC) v ledvinách (zvýšená tvorba 1,25-DHCC snižuje sekreci), hladinou PO 4 3- (zvýšená hladina PO 4 3- zvyšuje sekreci), hladinou Mg 2+ (akutní snížení hladiny Mg 2+ sekreci zvyšuje, chronické snížení hladiny Mg 2+ sekreci snižuje), funkce PTH: uvolnění kalcia z kosti, zvýšení resorpce kalcia v distálním tubulu ledvin (ale více kalcia se resorbuje v proximálním tubulu bez vlivu PTH), zvýšení resorpce fosfátů v proximálním i distálním tubulu ledvin, ve střevě zvýšení absorpce kalcia (přes stimulaci tvorby 1,25-DHCC); hormon podobný parathormonu (PTH-LH, parathormone-like hormone) je to lokální regulační hormon, je produkován tumory vzniká syndrom hormonálně podmíněné hyperkalcemie; metabolity vitaminu D biologicky nejúčinější je metabolit 1,25-dihydroxycholekalciferol, hydroxylací v játrech aj. vzniká nejprve 25-hydroxycholekalciferol (25-HCC, kalcidiol), další hydroxylací v ledvinách vzniká 1,25-dihydroxycholekalciferol (1,25-DHCC, kalcitriol), jeho sekrece je řízena: - PTH zvyšuje jeho hladinu v séru, - zvýšení hladiny Ca 2+ snižuje tvorbu 1,25-DHCC (inhibice1α-hydroxylázy, která katalyzuje jeho syntézu v ledvinách), - acidóza inhibuje 1α-hydroxylázu, funkce 1,25-DHCC: stimulace absorpce kalcia ve střevě přímo a přes protein vázající kalcium (kalbindin, CaBP, Ca-binding protein), stimulace osteogeneze (produkce, zrání, mineralizace kostní tkáně), stimulace resorpce kalcia a fosfátů v ledvinných tubulech, antiproliferační a diferenciační efekt; kinázy fosforylující buněčné proteiny jsou lokalizovány v/ve: tubulech ledvin, srdci, svalech, varlatech, nadvarlatech, jícnu, tlustém střevě aj., funkce kináz: stimulace resorpce sodíku v ledvinách, ale bez ztráty draslíku (ovlivnění činnosti iontových kanálů a transportních proteinů). CZ.1.07/2.2.00/

145 145 VNITŘNÍ PROSTŘEDÍ 8.3. ELEKTROLYTY Elektrolyty jsou látky: rozpadající se (štěpící se, ionizující, disociující) při rozpouštění nebo tavení na ionty, jejich roztoky vedou elektrický proud, chemicky to jsou soli, kyseliny nebo zásady, viz také Fyziologie I Praktická cvičení Sodík výskyt obsah na 1 kg ž. hm. dospělého savce činí asi 1,5 g, u mláďat je vyšší, rozhodující EC kation: [Na + ] EC = 140 mmol/l, [Na + ] IC = 3-10 mmol/l, kationty sodíku rozhodujícím způsobem ovlivňují objem ECT od změn [Na + ] jsou do značné míry odvozené změny [Cl - ], celkový sodík v plazmě: ultrafiltrabilní (>98 %): ionizovaný (95 %), komplexní (citrát, karbonát), vázaný na proteiny (albumin a globuliny), rozložení mezi IC a EC kompartmentem zajišťuje Na + /K + -ATPáza: při její inhibici, deficitu K + v IC kompartmentu a při vzestupu ph v IC kompartmentu dochází k nadbytku Na + v IC kompartmentu, hyponatremie je pokles [Na] v krevní plazmě/séru pod dolní mez referenčního rozmezí, hypernatremie je vzestup [Na] v krevní plazmě/séru nad horní mez referenčního rozmezí; význam udržování nervosvalové dráždivosti: tzn. [Na + ] a [K + ] nervosvalovou dráždivost zvyšuje, [Ca 2+ ], [Mg 2+ ], [H + ] snižuje, udržování objemu a osmolality tělesných tekutin (Na + na sebe váže nejvíce vody ze všech iontů), součást trávicích šťáv, podíl na regulaci AB-statusu; Při poklesu sodíku u psa pod 140 mmol/l a chloridů pod 105 mmol/l a při současném vzestupu draslíku nad 6 mmol/l vzniká addisonská krize jakožto vyvrcholení Addisonovy nemoci, což je nedostatečnost funkce kůry nadledvin (hypokortikalismus), spojená s nedostatkem hormonů kůry nadledvin (název podle skotského lékaře T. Addisona). Addisonská krize se projevuje obrnami končetin, průjmem, zvracením, poruchami srdečního rytmu, může nastat oběhové selhání.

146 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 146 metabolismus úloha střeva, příp. dalších částí GIT (viz také kap. II/3.3): absorpce (hlavně tenké střevo 80 %, zčásti tlusté střevo, minimálně žaludek): pasivně difuze (podle koncentračního gradientu), primární aktivní transport (Na + / K + -ATPáza), hlavně v jejunu, sekundární aktivní transport (kotransport s glukózou nebo aminokyselinami), reabsorpce sekretů GIT (součást slin, žaludeční šťávy, střevní šťávy, pankreatické šťávy), reabsorpci v tenkém střevě stimuluje glukóza, sekrece (žaludek), eliminace z organismu (fyziologicky málo, ztráty souvisejí s výší příjmu), úloha ledvin (viz také kap. II/6.2.2): filtrace v glomerulu (z krevní plazmy), resorpce (99 % filtrovaného sodíku), primárním aktivním transportem Na + /K + -ATPázou: - proximální tubulus (65 % filtrovaného), - Henleho klička (25 % filtrovaného), - distální tubulus a sběrný kanálek (10 % filtrovaného), eliminace z organismu (ledviny hlavně 90 %), úloha potních žláz eliminace (hlavně u koně), Ztráty pocením se můžou postupně snížit v důsledku adaptace potních žláz. regulace (viz také kap. II/10.4): při hyponatremii osmolality krevní plazmy sekrece antidiuretického hormonu (ADH) vylučování moči ( diuréza) objem ECT aktivace systému renin-angiotenzin-aldosteron (RAAS) zpětná resorpce sodíku v distálním tubulu + voda homeostaze ECT (normonatremie), při hypernatremii osmolality krevní plazmy ( pocit žízně) sekrece ADH diuréza objem ECT inhibice RAAS sekrece natriuretických peptidů vylučování sodíku a vody močí ( diuréza) homeostaze ECT (normonatremie), příčiny deplece (ztrát) sodíku z organismu: renální, např. chronická onemocnění ledvin spojená s polyurií (se zvýšeným vylučováním CZ.1.07/2.2.00/

147 147 VNITŘNÍ PROSTŘEDÍ moči), aplikace některých diuretik, tj. močopudných látek (thiazidů, furosemidu), hypokortikalismus (viz výše), extrarenální, např. profuzní (nadměrné) pocení (kůň), průjmy, zvracení, ascites (vodnatelnost v dutině břišní), ileus (neprůchodnost střeva), krvácení, Při ascitu nebo ileu dochází k sekvestraci tekutiny, tj. vyloučení zapojení tělesné tekutiny do funkcí organismu (tato tekutina s vysokým obsahem sodíku a draslíku nemůže být organismem využita). příčiny retence (hromadění) sodíku v organismu: renální, např. chronická onemocnění ledvin spojená s oligurií (se sníženým vylučováním moči), Cushingova nemoc (nadměrná funkce kůry nadledvin spojená s nadbytkem hormonů kůry nadledvin, zejména glukokortikoidů), hyperaldosteronismus (viz dále), extrarenální, např. nadměrný příjem krmnou dávkou nebo infuzemi (obsahujícími NaCl), následky deplece sodíku z organismu: ztráty sodíku jsou provázeny ztrátou vody (sodík je hydratován) dehydratace: při depleci izoosmolální je ekvivalentní ztráta sodíku a vody (tj. Na=H 2 O) izoosmolalita a hypovolemie v EC kompartmentu izotonická dehydratace, bývá při zvracení, průjmech, při depleci hypoosmolální převažuje ztráta vody nad sodíkem (tj. Na<H 2 O) hyperosmolalita a hypovolemie v EC kompartmentu hypertonická dehydratace, bývá při nedostatku vody, diabetes insipidus (nedostatek ADH nebo nedostatečná odpověď cílových tkání na ADH), bezvědomí, horečce, popáleninách, Při bezvědomí vzniká ztráta vody dýcháním (příp. pocením u zvířat s celotělovou distribucí potních žláz) při nemožnosti pití. následky retence sodíku v organismu: hromadění sodíku je provázeno hromaděním vody hyperhydratace: při retenci izoosmolální je ekvivalentní hromadění sodíku a vody (tj. Na=H 2 O) izoosmolalita a hypervolemie v EC kompartmentu izotonická hyperhydratace, bývá při nedostatečnosti srdce, hypoproteinemii (ze snížené proteosyntézy při onemocnění jater, ze ztrát proteinů močí, např. při nefrotickém syndromu), při retenci hyperosmolální je zvýšené hromadění sodíku oproti vodě (Na>H 2 O) hyperosmolalita a hypervolemie v EC kompartmentu hypertonická hyperhydratace, bývá při otravě chloridem sodným (zejména u prasete a kura), infuzích hypertonických roztoků obsahujících NaCl, při retenci hypoosmolální je snížené hromadění sodíku oproti vodě (Na<H 2 O) hypoosmolalita v EC kompartmentu hypotonická hyperhydratace, (voda vstupuje do buněk a vzniká intracelulární edém), bývá při zvýšeném příjmu vody při snížené schopnosti ji vyloučit (při onemocnění ledvin a srdce),

148 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 148 charakteristika druhů dehydratace a hyperhydratace: z koncentrace sodíku v séru lze spočítat deficit vody [l] v organismu: [Na] s [Na] ref ,6 kg ž. hm., [Na] ref kde s = sérum, ref = referenční, charakteristika stupňů dehydratace u mláďat: Úhyn deficit ž. hm. (%) >11 deficit tekutin (ml/kg ž. hm.) ph krve 7,3 7,2 7,1 <7,0 deficit bazí (mmol/l) Draslík výskyt obsah na 1 kg ž. hm. dospělého savce činí asi 2 g, u mláďat je nižší, hlavní IC kation (98 % celkového draslíku v buňkách, je zde volný nebo vázáný na proteiny a polysacharidy na glykogen), Klinicky významný deficit K + znamená vždy úbytek v ICC, ale ne vždy v ECC. obsah je udržován Na + /K + -ATPázou, hypokalemie je pokles [K] v krevní plazmě/séru pod dolní mez referenčního rozmezí, hyperkalemie je vzestup [K] v krevní plazmě/séru nad horní mez referenčního rozmezí, hladina v krevní plazmě je závislá na ph, s poklesem (při acidóze) stoupá, se vzestupem (při alkalóze) klesá: CZ.1.07/2.2.00/

149 149 VNITŘNÍ PROSTŘEDÍ Při acidóze vyvolané neprchavými kyselinami nebývá hyperkalemie (nedostatečnost Na + /K + -ATPázy). Hypokalemie s acidemií ( K + AC) nebo hyperkalemie s alkalemií ( K + AL) znamená kritický zdravotní stav. Koncentrace draslíku se zvyšuje při hemolýze (draslík je uvolňován z rozpadlých erytrocytů). Krevní sérum má více draslíku než krevní plazma, neboť draslík se uvolňuje při srážení krve z trombocytů. význam ovlivňování nervosvalové dráždivosti včetně převodního systému srdce (vzestup [K + ] zvyšuje nervosvalovou dráždivost), udržování osmolality v buňce, podíl na regulaci AB-statusu; V intracelulárním kompartmentu význam draslíku odpovídá sodíku v extracelulárním kompartmentu. metabolismus úloha střeva (viz také kap. II/3.3): absorpce (hlavně tenké střevo), méně tlusté střevo: prostá difuze, Na + /K + -ATPáza (tenké i tlusté střevo), H + /K + -ATPáza (navíc v tlustém střevě), - transportuje protony výměnou za K + (H + /K + -výměník), sekrece (jako součást hlenu): K + -kanály, Sekrety GIT mají 3 více draslíku než krevní plazma. eliminace z organismu (střevem méně), ale při dlouhodobém nadbytku v krmivu se zvyšuje sekrece aldosteronu z kůry nadledvin a do střeva je secernováno více K (v důsledku většího počtu Na + /K + -ATPáz), úloha ledvin (viz také kap. II/6.2.2): filtrace, resorpce (většina filtrovaného draslíku je resorbována v průběhu celého nefronu): aktivní transport (Na + /K + -ATPáza), sekrece: distální tubulus (spolu s H + výměnou za Na + ), eliminace (hlavně ledviny 90 %), regulace (viz také kap. II/10.4): aldosteron K + vylučován spolu s H +,

150 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 150 tím se uplatňuje při regulaci AB-statusu (viz dále), Při hyperaldosteronismu (nadměrné sekreci aldosteronu, např. při nádoru kůry nadledvin primární hyperaldosteronismus, nebo při nadměrné stimulaci RAAS v důsledku nedostatku tekutiny v cévách sekundární hyperaldosteronismus), také při dislokaci (přemístění) slezu u přežvýkavců vzniká paradoxní acidurie, tzn. je vylučována kyselá moč, ale v organismu je alkalóza. příčiny deplece draslíku z organismu: renální, např. chronická onemocnění ledvin spojená s polyurií, hyperaldosteronismus, Cushingova nemoc, acidózy při onemocnění ledvin, aplikace některých diuretik, extrarenální, např. průjmy, zvracení, krvácení, popáleniny, hemolytické stavy, ascites, ileus, cytoredukční terapie (uplatňuje se při nádorových onemocněních), příčiny retence draslíku v organismu: renální, např. chronická onemocnění ledvin spojená s oligurií, aplikace diuretik šetřících draslík (spironolakton), Addisonova nemoc (viz výše), aplikace inhibitorů angiotenzin konvertujícího enzymu (ACEI), extrarenální, např. nadměrný příjem krmnou dávkou nebo infuzemi (obsahujícími draslík), převaha anabolismu (při intenzivním růstu), alkalózy Chloridy výskyt obsah na 1 kg ž. hm. dospělého savce činí asi 0,7 g, u mláďat vyšší, hlavní EC anion (88 % celkových Cl -, doprovází Na + ), hypochloridemie je snížení [Cl - ] v krevní plazmě/séru pod dolní mez referenčního rozmezí, hyperchloridemie je zvýšení [Cl - ] v krevní plazmě/séru nad horní mez referenčního rozmezí; Cl - se pohybují přes membrány převážně pasivně, pohybují se proti HCO 3 - a proti HPO 4 2-, což se označuje chloridový přesun (Hamburgerův přesun, Hamburgerův shift), koncentrace Cl - se liší ve venózní a arteriální krvi. význam udržování objemu a osmolality tělesných tekutin, účast na trávení proteinů (žaludeční HCl), udržování AB-rovnováhy (Cl - HCO 3 -, viz dále), baktericidie neutrofilů: 2Cl - + H 2 O 2 2HClO (reakce je katalyzována myeloperoxidázou); metabolismus úloha střeva (viz také kap. II/3.3): absorpce (hlavně v tenkém střevě) Na + -K +, 2Cl - -kotransportér, sekrece: Cl - -kanály (spřaženo s výstupem NaHCO 3 - ), eliminace z organismu (střevem méně), úloha ledvin (viz také kap. II/6.2.2): filtrace, resorpce (80 % filtrovaného) Na + -K +, 2Cl - -kotransportér, CZ.1.07/2.2.00/

151 151 VNITŘNÍ PROSTŘEDÍ eliminace (hlavně ledviny), úloha potních žláz: hlavně u koně, regulace (viz kap. II/10.4): ALD (viz sodík), Změny Cl - v podstatě odpovídají změnám v metabolismu sodíku. příčiny deplece chloridů z organismu: renální, např. chronická onemocnění ledvin spojená s polyurií, aplikace některých diuretik (thiazidů, furosemidu), hypokortikalismus, extrarenální, např. zvracení, profuzní pocení (kůň), ascites, ileus, krvácení, příčiny retence chloridů v organismu: renální, např. chronická onemocnění ledvin spojená s oligurií, hyperkortikalismus, extrarenální, např. vysoký příjem krmnou dávkou nebo infuzemi s obsahem NaCl, edémy (při srdeční nedostatečnosti), některá onemocnění jater, srdce (poškození ICC výstup K +, vstup Na + a Cl - ) Vápník výskyt obsah na 1 kg ž. hm. dospělého savce činí asi 15 g, u mláďat je nižší, hlavní součást minerálního profilu tvrdých tkání (kostí a zubů), v obou tkáních je ve formě různých sloučenin, nejvíce fosfátů, v kostech vytváří rychle směnitelný a pomalu směnitelný pool, koncentrace v krevní plazmě je citlivě regulována, v krevní plazmě 3 formy: vázaný na proteiny, zejména na albumin, při ztrátách proteinů močí (proteinurii) se snižuje i hladina celkového vápníku v krevní plazmě/séru, komplexně vázaný, zejména na fosfát, hydrogenkarbonát, citrát, ionizovaný (Ca 2+ ) je biologicky účinnou formou, jeho hladina stoupá při poklesu ph (na úkor vápníku vázaného), hlavní zásobárnou na úrovni: systémové kosti, buněčné mitochondrie, endoplazmatické (sarkoplazmatické) retikulum, koncentrace v buňkách je mnohonásobně menší než v EC kompartmentu, hypokalcemie je pokles [Ca] v krevní plazmě/séru pod dolní hranici referenčního rozmezí, hyperkalcemie je vzestup [Ca] v krevní plazmě/séru nad horní hranici referenčního rozmezí; význam tvorba kostí a zubů, rozhoduje významně o jejich vlastnostech, přenos signálu v buňce (druhý posel), přenos signálu mezi nervovými buňkami (synapse), svalové kontrakce: při změně [Ca 2+ ] se mění hodnota prahového potenciálu, což vede k otevírání napěťově řízených Na + -kanálů depolarizace, při poklesu [Ca 2+ ] se stane prahový potenciál negativnější zvýšení nervosvalové dráždivosti (k vyvolání vzruchu postačuje podnět nižší intenzity, tzn. podnět podprahový),

152 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 152 Ke snížení hladiny ionizovaného kalcia [Ca 2+ ] dochází při zvýšení ph krve. Za vysokého ph jsou proteiny více ionizovány a poskytují tak více proteinových aniontů pro navázání Ca 2+. Zvýšení ph krve vzniká např. při hyperventilaci, která se může právě v důsledku [Ca 2+ ] projevovat zvýšenou nervosvalovou dráždivostí až křečemi. faktor srážení krve (FIV), ve formě krystalů CaCO 3 v otolitech vestibulárního aparátu (viz kap. II/11.3.1), stabilizace buněčných membrán, regulace proliferace a diferenciace buněk, aktivace enzymů (proteinkináz, fosforyláz), aktivace komplementu (viz kap. I/7.2); metabolismus úloha střeva (viz také kap. II/3.3., II/10.4): absorpce (hlavně duodenum a proximální jejunum), pasivně do enterocytu (na podkladě koncentračního gradientu Ca 2+ -kanály), ven z enterocytu pomocí Ca 2+ -ATPázy nebo antiportu pomocí 3Na + /Ca 2+ -ATPázy, stimulace absorpce: - metabolity vit. D (1,25-dihydroxycholekalciferol), - proteiny, - snížení ph obsahu střeva, inhibice absorpce: - nadbytek tuků v krmivu (Ca 2+ vytváří s mastnými kyselinami nerozpustná mýdla), - achlorhydrie (nedostatek HCl v žaludku), - fosfáty, fytáty, alkálie v krmivu, Kyselina fytová (fytát) je obsažená v semenech rostlin, zejména v obilných zrnech. U přežvýkavců je štěpena bachorovými bakteriemi. Uplatňuje se mj. v regulaci metabolismu glukózy, má antioxidační účinky, může působit proti některým typům nádorů. eliminace z organismu (střevo hlavně), Střevní mukóza má schopnost pohotově reagovat na zvýšenou potřebu vápníku (v růstu, graviditě, laktaci) nebo při jeho nedostatku v krmivu zvýšenou absorpcí vápníku. úloha ledvin (viz také kap. II/6.2.2): filtrace, resorpce: proximální tubulus (nad 50 % filtrovaného): - pasivní transport (difuze), Henleho klička: - pasivní i aktivní transport, distální tubulus: - aktivní transport (hlavně), regulace (viz kap. II/10.4), parathormon a 1,25-dihydroxycholekalciferol (oba stimulace absorpce ve střevě a resorpce CZ.1.07/2.2.00/

153 153 VNITŘNÍ PROSTŘEDÍ v ledvinách), kalcitonin a glukokortikoidy (inhibice absorpce ve střevě), kalcitonin (inhibice resorpce v ledvinách kalciurie) Fosfáty výskyt obsah na 1 kg ž. hm. dospělého savce činí asi 10 g, u mláďat je nižší, hlavní IC anion, tvrdé tkáně (kosti, zuby), součást fosfolipidů (buněčných membrán), kreatinfosfátu (ve svalech), ATP, nukleových kyselin, 2,3-bisfosfoglycerátu v erytrocytech, pufrovacích systémů, v krvi ve formě HPO 4 2-, H 2 PO 4 -, PO 4 3- (zhruba ⅓) a organických sloučenin (esterů), v průběhu dne koncentrace kolísá v závislosti nejen na příjmu, ale také pohybu, krátkodobý výkyv se klinicky neprojevuje; význam podstatná role v energetickém metabolismu (makroergní fosfáty), regulace buněčných funkcí (fosforylace a defosforylace proteinů), regulace AB-statusu (součást nárazníků), výstavba buněčných membrán (fosfolipidy), součást tvrdých tkání, podíl na využití O 2 tkáněmi (součást 2,3-bisfosfoglycerátu); metabolismus úloha střeva (viz kap. II/3.3): absorpce (hlavně v jejunu), Na + -fosfát-kotransportér, pasivně (difuze), stimulace absorpce: - snížení ph obsahu střeva, inhibice absorpce: - fytáty v krmivu (viz výše), sekrece: prostřednictvím pankreatické a střevní šťávy, eliminace (málo), úloha ledvin (viz kap. II/6.2.2): filtrace (98 %), resorpce: - proximální tubulus (75-80 % filtrovaného), - distální tubulus -- Na + -fosfát-kotransportér, eliminace z organismu (ledviny hlavně), Metabolická acidóza snižuje aktivitu transportních mechanismů v ledvinách s následkem zvýšeného vylučování fosfátů močí. regulace (viz kap. II/10.4), parathormon (stimulace absorpce ve střevě, inhibice resorpce v ledvinách),

154 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 154 1,25-dihydroxycholekalciferol (stimulace absorpce ve střevě i resorpce v ledvinách), kalcitonin (inhibice resorpce v ledvinách), fosfatoniny (inhibice resorpce v ledvinách) Hořčík výskyt obsah na 1 kg ž. hm. dospělého savce činí asi 0,4 g, u mláďat je nižší, po draslíku druhý nejvýznamnější intracelulární kation, součást tvrdých tkání (⅔ v kostech) a svalů, vysoký obsah je v erytrocytech, v krevní plazmě, volný, vázaný (na proteiny); význam kofaktor enzymových reakcí: glykolýza, oxidativní fosforylace, aktivace druhých poslů (camp), regulace tonu hladkého svalu: podíl na snížení intracelulárního Ca 2+, na základě např. inhibice inozitoltrifosfátu nebo aktivace Ca 2+ -ATPázy, vliv na nervosvalovou dráždivost (pokles [Mg 2+ ] nervosvalovou dráždivost zvyšuje, vzestup snižuje inhibice Ca 2+ -kanálů), modulace uvolňování neurotransmiterů, stimulace fagocytózy: vliv na oxidativní vzplanutí neutrofilů; metabolismus úloha střeva (viz kap. II/3.3): absorpce (hlavně jejunum a ileum, částečně kolon, u přežvýkavců hlavně předžaludek), aktivní transport (kanál TRP, transient receptor potential) v ileu, - výměna za sodík (při snížené koncentraci v lumen), pasivní transport v předžaludku, jejunu, ileu, kolon (zde významnější) na základě elektrochemického gradientu (při zvýšené koncentraci v lumen), sekrece (v tenkém střevě) a pak kaudálně reabsorpce, eliminace z organismu (hlavně střevo), úloha ledvin (viz kap. II/6.2.2): filtrace, resorpce: prox. tubulus: - pasivní transport (na základě elektrochemického gradientu), Henleho klička: - pasivní transport (na základě elektrochemického gradientu), distální tubulus (nejméně): - aktivní transport (kanály TRP), regulace: 1,25-dihydroxycholekalciferol (stimulace absorpce ve střevě), parathormon (stimulace absorpce ve střevě, stimulace resorpce v ledvinách). CZ.1.07/2.2.00/

155 155 VNITŘNÍ PROSTŘEDÍ Základní fyziologické parametry elektrolytů při vyšetření krevní plazmy Parametr Jednotka Druh pes kočka kůň skot ovce koza prase draslík mmol/l 4,0-5,5 3,5-5,0 2,4-4,7 3,9-5,8 3,9-5,4 3,5-6,7 4,4-6,7 sodík mmol/l chloridy mmol/l vápník mmol/l 2,3-3,0 2,3-3,0 2,2-3,4 2,25-3,1 2,8-3,2 2,2-2,9 1,8-2,9 fosfáty mmol/l 1,0-2,1 0,9-2,0 1,0-1,8 1,6-2,3 1,6-2,6 1,6-3,0 1,7-3,1 hořčík mmol/l 0,75-1,0 0,85-1,15 0,9-1,15 0,80-1,1 0,9-1,15 0,9-1,15 0,9-1,2 Vysvětlivky: závisí na hmotnosti 8.4. ACIDOBAZICKÝ STATUS Acidobazický (AB) status vyjadřuje situaci organismu z hlediska zastoupení kyselin a bazí, výsledkem je určitá hodnota ph, ta je v různých kompartmentech rozdílná (podle Costanzové, 2010), Kompartment ph extracelulární kompartment 7,4 intracelulární kompartment 7,1 stav, kdy ph krve je pod dolní hranicí referenčního intervalu, se označuje acidemie, projevy se manifestují při poklesu ph krve pod 7,2 a můžou být: nervové (otok mozku, poruchy vědomí), kardiovaskulární (poruchy kontraktility srdce), respirační (hyperventilace, zvýšený cévní odpor v plicích dušnost), hepatální (hypoperfuze jater poruchy jejich funkcí proteosyntézy, detoxikace aj.), renální (hypoperfuze ledvin nedostatečnost až selhání ledvin), metabolické (hyperkalemie, snížení tvorby ATP aj.), nad horní hranicí referenčního intervalu, se označuje alkalemie, projevy se manifestují při vzestupu ph krve nad 7,5 a můžou být: nervové (křeče v důsledku poklesu koncentrace Ca 2+ ), kardiovaskulární (poruchy srdečního rytmu, snížení průtoku krve koronárními cévami), respirační (hypoventilace, hyperkapnie, hypoxemie), metabolické (hypokalcemie, hypokalemie), hodnoty ph krve slučitelné se životem jsou 6,8-7,7; stav organismu s nadbytkem kyselin (deficitem alkalií) se označuje acidóza, s nadbytkem alkalií (deficitem kyselin) se označuje alkalóza, pro zachování normálních funkcí a morfologickou stabilitu je nutné udržovat v organismu acidobazickou rovnováhu (ABR), tzn.: produkce H + + příjem H + = spotřeba + eliminace H + ABR, obecné vyjádření ABR je Hendersonova-Hasselbalchova rovnice (pro hydrogenkarbonátový pufr):

156 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 156 přičemž pk je záporný dekadický logaritmus disociační konstanty kyseliny uhličité (odsuvník znamená disociaci při teplotě těla), součin pco 2 0,228 je počet mmol CO 2 rozpuštěných v 1 l plazmy (při vyjádření tlaku v kpa), vzhledem ke značné reaktivnosti H +, resp. H 3 O + vyvstává kategorický požadavek účinné regulace AB-statusu; zdroje H + : tkáňové dýchání ~ mmol CO 2 /kg ž. hm./den, CO 2 je eliminován z organismu plícemi, metabolismus exogenních proteinů, fosfolipidů aj. ~0,5-1,0 mmol H 2 SO 4, H 3 PO 4, kyseliny močové aj./kg ž. hm./den tyto fixní kyseliny jsou eliminovány z organismu ledvinami; produkce a eliminace H + z organismu (upraveno podle Masopusta, 1993): metabolické dráhy s produkcí a konzumpcí (spotřebou) H + (upraveno podle Masopusta, 1993): Metabolická dráha glukóza laktát laktát glukóza oxidace proteinů tvorba močoviny tvorba ketolátek užití ketolátek Produkce H + (mmol/den) svaly, mozek, kůže, střevo, erytrocyty játra játra Konzumpce H + (mmol/den) játra, ledviny 1100 játra, kosterní svaly mozek, kosterní svaly, myokard exkrece pufrovatelného H + močí 30 CZ.1.07/2.2.00/

157 157 VNITŘNÍ PROSTŘEDÍ viz také Fyziologie I Praktická cvičení Základní determinanty AB-statusu Vodík H + v organismu snadno reaguje s vodou za vzniku oxoniového kationtu (H 3 O + ); pro hodnovení je využívána v praxi hodnota ph, tj. záporný dekadický log číselné hodnoty aktivity H + ; se vzestupem tělesné teploty ph klesá (snižuje se rozpustnost plynů stoupá pco 2 ). Označení ph krve v laboratorní diagnostice znamená ph krevní plazmy, ph hemolyzátu je oproti plazmě nižší (neboť IC kompartment má nižší ph). Oxid uhličitý CO 2 je produkován mitochondriemi při buněčném dýchání; status CO 2 závisí na: jeho produkci, která je ovlivněna: fyzickou námahou, zvýšení fyzické námahy zvýšení produkce, změnou tělesné teploty, zvýšení tělesné teploty (hypertermie, horečka) zvýšení produkce, katecholaminy, tyreoidálními hormony, v důsledku jejich stimulačně metabolických účinků zvýšení produkce, Při snížené produkci ale není snížený pco 2. transportu krví, při poruchách transportu je obsah CO 2 vyšší, eliminaci plícemi, eliminace CO 2 z organismu se děje pouze plicními alveoly, tzn. alveolární ventilací, neprobíhá v alveolárním mrtvém prostoru, při hyperventilaci se pco 2 snižuje při hypoventilaci zvyšuje; Mrtvý prostor: anatomický = přívodní dýchací cesty, tj. od nosní dutiny po terminální bronchioly, fyziologický = anatomický mrtvý prostor + alveolární mrtvý prostor, tj. neventilované alveoly (např. z příčiny hypoperfuze při srdeční nedostatečnosti). produkce CO 2 minus eliminace CO 2 plícemi = arteriální pco 2 (pco 2art ); poměr mezi tvorbou CO 2 a spotřebou O 2 = respirační kvocient (RQ), při spalování sacharidů činí RQ 1,0, proteinů 0,8 a lipidů 0,7; do krve přestupuje CO 2 difuzí; transport krví: rozpuštěný v krevní plazmě, jeho podíl je 10 % celkového CO 2, množství lze měřit, snadný přestup přes membrány, jako H 2 CO 3 nebo HCO 3 -, jeho podíl činí % celkového CO 2, jako karbaminosloučeniny, sloučeniny s NH 2 -skupinami proteinů, hlavně s hemoglobinem (karbaminohemoglobin, HbCO 2 );

158 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 158 V erytrocytech navíc probíhá i reakce H 2 CO 3 HCO H + (H + se váže na hemoglobin), což znamená snazší uvolnění O 2 = Bohrův efekt, HCO 3 - z erytrocytu přestupuje do plazmy výměnou za Cl - = chloridový (Hamburgerův) přesun (shift). základní měřenou veličinou je parciální tlak CO 2 (pco 2 ) Homeostaze H + Homeostaze H + je zajišťována: reakcí nárazníkových systémů nárazníky v intersticální tekutině, krevní plazmě a erytrocytech: hemoglobinový [Hb - /HbO 2 ], hydrogenkarbonátový [HCO 3 - /H 2 CO 3 ], fosfátový [HPO 4 2- /H 2 PO 4 - ], bisfosfoglycerát [2,3 BFG - /2,3 BFG], proteinátový [proteinát/protein], distribuce nárazníků: Intersticiální tekutina Krevní plazma Eryrocyty nárazník hydrogenkarbonátový hydrogenkarbonátový hemoglobinový reakce nárazníků nastupují rychle, ale probíhají krátce, neprobíhají jen v krvi, ale také v intersticiální a intracelulární tekutině, proteinátový systém je oproti hydrogenkarbonátovému a hemoglobinovému méně účinný, proteiny při normálním ph jsou schopné disociovat proton, stávají se z nich proteinové anionty (Prot - ), které při nízkém ph můžou proton vázat a tak se podílet na udržování ph, fosfátový systém se uplatňuje především intracelulárně (v ECT je jeho efekt ještě nižší než u proteinátového systému), působí v různých tkáních různým směrem (podle směru AB-výchylky), Při zředění nárazníků, např. při hypotonické hyperhydrataci, může dojít k diluční acidóze. nárazníky v moči: fosfátový [HPO 4 2- /H 2 PO 4 - ], amoniakální [NH 3 /NH 4 + ]; proteinátový fosfátový metabolickými procesy proton-produkční reakce: anaerobní glykolýza (produkce 2H + ), lipolýza (produkce 3H + ), ketogeneze (produkce 3H + ), syntéza močoviny (produkce 2H + ), etc., proton-konzumpční reakce: glukoneogeneze z laktátu (spotřeba 2H + ), oxidace laktátu (spotřeba 1H + ), etc., hydrogenkarbonátový fosfátový 2, 3-bisfosfoglycerátový CZ.1.07/2.2.00/

159 159 VNITŘNÍ PROSTŘEDÍ Anaerobní (neoxidativní) glykolýza je štěpení glukózy v nepřítomnosti kyslíku za vzniku laktátu a 2 molekul ATP, což je protonprodukční reakce. Fyziologicky vzniká laktát z pyruvátu za katalýzy laktátdehydrogenázou, což je proton-konzumpční reakce. Proton-konzumpční reakcí je i glukoneogeneze z laktátu. proton-neutrální reakce: oxidace glukózy na H 2 O + CO 2, etc.; transportem H + přes membrány transport upravuje ph určitého kompartmentu, savčí buňky mají aktivní transportní mechanismus, H + /K + -ATPáza (protonová pumpa); regulacemi orgánů plícemi (respirační regulace): Vysvětlivky: HbO 2 = oxyhemoglobin, HHb = redukovaný hemoglobin, CD = karbonátdehydratáza

160 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 160 ledvinami: Vysvětlivky: CD = karbonátdehydratáza Vysvětlivky: CD = karbonátdehydratáza, NAE (netto acid excretion) = čistá exkrece kyselin játry: význam jater v regulaci AB-situace se uplatňuje při alkalóze: do jater je přiváděno více NH 4 z ledvin (původem z metabolizace glutaminu), v játrech potom dochází k syntéze močoviny podle známé reakce: 2NH CO 2 CO(NH 2 ) 2 + H 2 O + 2H +, což je proton-produkční reakce, při acidóze je v důsledku snížené aktivity karbamoylfosfátsyntázy nižší syntéza močoviny a zvýšená tvorba glutaminu: NH glutamát glutamin + H 2 O, což je proton-neutrální reakce, čili k ovlivnění AB-statusu nedochází, CZ.1.07/2.2.00/

161 161 VNITŘNÍ PROSTŘEDÍ kostním skeletem: Při acidózách se až 40 % pufrovací činnosti realizuje v kostním skeletu. Při déletrvajících acidózách můžou vzniknout metabolické osteopatie (rachitis, tj. křivice, osteomalacie, tj. měknutí kostí a příp. osteoporóza, tj. řídnutí kostí). Vyskytují se z této příčiny u potravinových zvířat (u dojnic a býků ve výkrmu). kůrou nadledvin: efektem aldosteronu (hormon produkovaný kůrou nadledvin) v tubulech ledvin: U člověka je nejkyselejší moč (ph 4,3) při aplikaci mineralokortikoidů. gastrointestinálním traktem: tvorba HCl v žaludku (acidogenní efekt): Vysvětlivky: CD = karbonátdehydratáza vylučování pankreatické šťávy do střeva (alkalogenní efekt),

162 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 162 Při tvorbě žaludeční kyseliny chlorovodíkové nedochází k systémové změně ph krve, ale pouze k lokální (krev omývající žaludek je alkaličtější), stejně tak alkalogenní efekt pankreatické šťávy se uplatňuje jen lokálně. regulace orgány je dlouhodobější, např. regulace ledvinami trvá až 5 dní AB-poruchy Vychýlení AB-statusu (tj. AB-porucha) má za následek narušení funkcí organismu a určité projevy (klinické a laboratorní), podstatou narušení funkcí jsou: změny permeability membrán, změny aktivit enzymů, deficit energie; členění poruch: podle směru výchylky ph: acidózy (AC), alkalózy (AL), podle příčin: metabolické poruchy, respirační poruchy, podle stupně kompenzace: kompenzované (ph je v referenčním rozmezí), nekompenzované, podle průběhu: akutní, chronické, podle rozsahu: lokální bez celkových následků (krátkodobě, např. hypoxie ve svalu), s celkovými následky (acidóza bachorového obsahu), systémové metabolická AC, metabolická AL, respirační AC, respirační AL, podle komplikací: jednoduché (čisté) metabolická AC, metabolická AL, respirační AC, respirační AL kombinované (smíšené) stejnosměrné: AC + AC (např. AC při diabetes mellitus + AC při průjmu, nebo AC při respirační nedostatečnosti + AC při průjmu), protisměrné: AC + AL (např. AC při diabetes mellitus + AL při zvracení nebo AL při zvracení + AC při hladovění). Krátkodobá výchylka AB-statusu se nepovažuje za patologickou, např. krátkodobý fyzický výkon, krátkodobý příjem acidifikující nebo alkalizující potravy, emoční vzplanutí. Organismus zvládá lépe acidózní stav než alkalózní. CZ.1.07/2.2.00/

163 163 VNITŘNÍ PROSTŘEDÍ Vyhodnocování AB-statusu AB-status se vyhodnocuje pomocí řady parametrů: ph je záporný dekadický log číselné hodnoty ah +, odráží výsledný AB-stav daný poměrem metabolické a respirační situace organismu; standardní bikarbonát (SB) je koncentrace hydrogenuhličitanového aniontu [HCO 3 - ] v krevní plazmě za standardních podmínek, tj. maximální oxidovatelnosti krve, fyziologické tělesné teploty a pco 2 5,3 kpa, jedná se tedy o teoretickou koncentraci za standardních podmínek, vyjadřuje se v mmol/l; aktuální bikarbonát (AB) je koncentrace hydrogenuhličitanového aniontu [HCO 3 - ] v krevní plazmě za aktuální situace, je vypočten z hodnot ph a pco 2, vyjadřuje se v mmol/l; standardní výchylka bazí (SBE, standard base excess) je množství kyselin nebo bazí nutných k obnovení ph krve k normě za standardních podmínek (viz SB), vyjadřuje se v mmol/l; aktuální výchylka bazí (ABE, actual base excess) je množství kyselin nebo bazí nutných k obnovení ph krve k normě za aktuální situace, vyjadřuje se v mmol/l; výchylka bazí v ECT (BE ECT ) je vyjádřena rovnicí: [HCO 3 - ] [HCO 3 - ] ref + [nebikarbonátové pufry] (ph 7,40); Výchylka bazí se vyjadřuje nepřesně zkratkou BE (base excess), což znamená přebytek bazí. V organismu však může dojít i k deficitu bazí, čemuž by odpovídala zkratka BD (base deficit), která se neužívá a pro obě situace se volí český ekvivalent výchylka bazí (pozitivní vs. negativní). Hodnota BE krve a BE extracelulární tekutiny je rozdílná, neboť v obou kompartmentech je rozdílná distribuce nárazníků (v krvi hemoglobinový pufr) apod. normální nárazníkové báze (NBB, normal buffer base) jsou sdružené nárazníkové báze, které můžou přijímat H + v krvi za normálních (standardních) podmínek (viz SB), parametr se vyjadřuje v mmol/l; parciální tlak oxidu uhličitého (pco 2 ) je respirační složka AB-situace, odráží schopnost respiračního systému odventilovat CO 2, vyjadřuje se v kpa; Parciální tlak CO 2 poskytuje informace o základních funkcích dýchacího systému ventilaci, distribuci a difuzi plynů a dále o perfuzi plic, eliminace CO 2 plícemi je na základě tlakového rozdílu v krvi a ve vzduchu (viz kap. II/2). Nižší pco 2 je při stavech spojených s hyperventilací, kdy je rychlejší extrakce CO 2 z krve. Nižší produkce CO 2 tkáněmi nepřipadá jako příčina nízkého pco 2 prakticky v úvahu. Parciální tlak O 2 není pro přímou diagnostiku AB poruch nutný, slouží pro výpočet hladiny SB a saturace krve kyslíkem, po 2 závisí hlavně na obsahu kyslíku ve vzduchu.

164 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 164 celkový oxid uhličitý (TCO 2, total CO 2 ) je celková koncentrace volného a vázaného CO 2 v krevní plazmě, vyjadřuje se v mmol/l; saturace krve kyslíkem (SAT) je nasycení krve kyslíkem, tj. poměr mezi množstvím O 2 vázaného na hemoglobin a množstvím O 2, které je hemoglobin schopen vázat, vyjadřuje se jako podíl z mmol/l nebo v %; aniontové okno (AGAP, AG, anion gap) je rozdíl mezi koncentracemi kationtů a aniontů v krevní plazmě (moči), rutinně se používá ve tvaru: [Na + + K + ] [Cl - + HCO 3 - ], vyjadřuje se v mmol/l; Vysvětlivky: UA - = neměřené anionty (unmeasured anions) aniontové okno korigované (AGAPkor) je AGAP korigované na koncentraci albuminu v krevní plazmě, což má význam při diagnostice skryté metabolické acidózy při snížené koncentraci albuminu, používá se tvar: AGAP + 0,25 [ALB ref ALB zjištěný ], přičemž ALB je albumin, 0,25 přepočet z g/l na mmol/l, vyjadřuje se v mmol/l; diference silných iontů (SID, strong ion difference) je rozdíl kationtů a aniontů v krevní plazmě ve tvaru [Na + + K + + Ca 2+ + Mg 2+ ] [Cl - + XA - ], kde XA - jsou běžně nestanovované anionty, ale jsou zvýšené při různých patologických situacích (laktát při šoku, ketokyseliny při diabetu, formiáty a oxaláty při otravách), vyjadřuje se v mmol/l, také se používá, vzhledem k nízkým koncentracím K +, Ca 2+ a Mg 2+, zjednodušený tvar výpočtu: SID [Na + ] [Cl - + XA - ], snížení SID znamená pokles ph a acidózu, zvýšení SID znamená vzestup ph a alkalózu; CZ.1.07/2.2.00/

165 165 VNITŘNÍ PROSTŘEDÍ Laktát je ukazatel hodnocení stupně hypoxie. Hlavním zdrojem jeho produkce je neoxidativní glykolýza, u přežvýkavců je významným zdrojem metabolismus sacharidů mikrobiotou bachoru. Laktát je odpovědný za acidózu (laktátová AC) (mechanismy jejího vzniku nejsou stále vyjasněné), laktát snižuje SID (zvyšuje se [XA - ]). Hlavní producenti laktátu: kosterní svaly, mozek, dřeň ledvin, erytrocyty (nemají mitochondrie). Spotřeba laktátu: hlavně játra (60-70 %), dále svaly a ledviny přeměna zpět na pyruvát za katalýzy laktátdehydrogenázou. celková koncentrace neprchavých kyselin (A tot ) zahrnuje koncentraci albuminu, fosfátů a sulfátů (při nedostatečné funkci ledvin), jejich zvýšená koncentrace znamená metabolickou acidózu, naopak pokles znamená metabolickou alkalózu, uvádí se, že pokles koncentrace albuminu o 1 g/l vede k vzestupu [HCO 3 - ] o 0,25 mmol/l; natrium-chloridový rozdíl je rozdíl koncentrací sodíku a chloridů, tj. [Na + ] [Cl - ], vzestup [Cl - ] je spojen s poklesem [HCO 3 - ], pokles [Cl - ] je spojen se vzestupem [HCO 3 - ], vyjadřuje se v mmol/l Základní fyziologické parametry AB-vyšetření krve Druh Parametr Jednotka pes kočka kůň skot ovce koza prase 7,30-7,32-7,38-7,39-7,37-7,33- ph 7,28-7,40 7,42 7,44 7,43 7,45 7,44 7,41 BE mmol/l -0,5-4,0-0,5-4,0-3,0-3 -0,5-4,0-2,5-3,5-0,5-3,3-2,0-3,6-19,1-23,5-21,0-23,0-23,0- HCO 3 mmol/l 17,5-20,7 24,6 24,1 27,0 27,0 26,5 26,5 5,95- pco 2 kpa 5,2-6,7 4,8-6,4 5,0-6,1 5,3-6,4 5,2-6,4 5,6-7,7 6,25

166 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO TERMOREGULACE Tělesná telota je výsledkem procesů tvorby tepla (termogeneze) a výdeje tepla, poikilotermní živočichové (ryby, obojživelníci, většina plazů) vykazují výkyvy tělesné teploty, jsou závislí na teplotě okolí, při vyšší okolní teplotě jejich aktivita roste, při nižší teplotě klesá, může dojít až k vymizení odezvy na okolí, tělesnou teplotu regulují zejména termoregulačním chováním (vyhledávají místa s vyšší teplotou), závislost na vnějším prostředí je sice energeticky výhodná, ale na druhé straně schopnost adaptace (přizpůsobení) na vnější podmínky je limitovaná, způsob zajišťování tělesné teploty v závislosti na vnějším prostředí se nazývá ektotermie, stav získaného dlouhodobého přizpůsobení zvířete vnější teplotě se označuje aklimatizace; homoiotermní živočichové (ptáci, savci) vykazují minimální kolísání tělesné teploty (tělesná teplota je víceméně stálá), větší proměnlivost tělesné teploty mají ptakořitní a někteří vačnatci, homoiotermové si teplo vyrábějí v těle, což se označuje endotermie, za bazálních podmínek (v klidu, termoneutralitě a na lačno) činí vyprodukované teplo asi 300 kj/kg metabolicky aktivní hmotnosti), výpočet metabolicky aktivní hmotnosti: kg ž. hm. 0,75 (viz kap. I/13.1 a Fyziologie I Praktická cvičení), Změny metabolicky aktivní hmotnosti nejsou lineární se změnami tělesné hmotnosti. Metabolicky aktivní hmotnost koreluje spíše se změnami tělesného povrchu: např. pes o hmotnosti 10 kg má povrch těla cca 0,5 m 2 a metabolicky aktivní hmotnost cca 5,5 kg 0,75, zatímco prase o hmotnosti 100 kg (10 větší než pes) má povrch těla cca 2,5 m 2 (jen 5 větší než pes), ale metabolicky aktivní hmotnost cca 31,5 kg 0,75 (cca 6 větší než pes). Obecně lze konstatovat, že malá zvířata mají relativně větší povrch těla a proto jejich metabolismus musí kompenzovat vyšší tepelné ztráty. homoiotermní živočichové mají vyvinuté reflexní regulační mechanismy řízené z hypotalamu (v něm jsou centrální termoreceptory, které registrují teplotu tělního jádra), hypotalamus vyhodnocuje informace z termoreceptorů (zejména kožních), různé části těla mají různou teplotu, vliv má teplota okolního prostředí (např. končetiny jsou chladnější), fenek (fenek berberský, Vulpes zerda) zase využívá k termoregulaci ušní boltce (jsou bohatě krvené) a proto snáší i velmi vysoké teploty. Také u králíků (nemají vyvinuté potní žlázy) mají význam pro termoregulaci ušní boltce. teplotu uvnitř organismu (tělního jádra) odráží rektální teplota, která je nejméně ovlivňována okolím, přece jen určité výkyvy lze zaznamenat: během vzestupu aktivity organismu v průběhu dne teplota stoupá (ráno je teplota nižší, večer vyšší), při vysoké fyzické zátěži teplota stoupá, vyšší tělesnou teplotu mají mláďata (mají vyšší úroveň metabolismu a tedy vyšší produkci tepla), u samic stoupá tělesná teplota při ovulaci, zvýšení tělesné teploty je při zvýšené funkci některých endokrinních žláz (např. štítné žlázy), existují druhová termoregulační specifika, např.: CZ.1.07/2.2.00/

167 167 TERMOREGULACE využití evaporace u koně a skotu a tedy větší tolerance vysokých teplot vnějšího prostředí, na druhé straně nedostatečně vyvinuté nebo nevyvinuté potní žlázy u psa, kočky, prasete, králíka, drůbeže, nízká tolerance chladu u selat (nízké zásoby energie), druhy žijící v chladnějších oblastech mají ve srovnání se stejnými nebo příbuznými druhy žijícími v teplých oblastech menší povrch těla ve vztahu k jeho objemu a dá se tedy předpokládat, že i menší tepelné ztráty a naopak tytéž nebo příbuzné druhy v teplých oblastech mají ve vztahu k objemu těla větší povrch těla a tedy větší tepelné ztráty (tzv. Bergmannovo pravidlo), uplatnění termické polypnoe u psovitých šelem (zrychleného a povrchního dýchání), která neovlivňuje AB-status organismu (pco 2 se nemění, proto nedochází ke vzniku respirační alkalózy), částečnou výjimku z hlediska stálotepelnosti představují hibernující živočichové, hibernace ( zimní spánek ) je vyvolána zkracováním světelného dne a snižováním teploty vnějšího prostředí, je regulována endogenními rytmy (viz kap. II/11.5), v průběhu hibernace tělesná teplota výrazně klesá (až na 5 C i méně, např. netopýři mají teplotu odpovídající teplotě stěny, na které visí) a dochází ke snížení činnosti systémů kardiovaskulárního (např. u ježka západního, Erinaceus europaeus, poklesne srdeční frekvence na 1-3 pulzy za min), respiračního, uropoetického, nervového aj. (pravá hibernace), hibernace je přerušována různě dlouhými periodami letargie, probuzení na jaře je spouštěno aktivací neuroendokrinních mechanismů, při přechodu ze zimního spánku do endotermní regulace má význam hnědá tuková tkáň, mezi pravé hibernanty patří hlodavci (křeček, sysel, plch aj.), hmyzožravci (ježek, krtek), letouni (netopýři), někteří savci šelmy (jezevec, medvěd) zimu přečkávají v úkrytech, tělesnou teplotu nesnižují, pohybují se (nepravá hibernace), mezi hibernanty patří i někteří ptáci (lelkové, rorýsi, kolibříci), hibernace představuje únik před hladověním v období nedostatku potravy, estivace ( letní spánek ) slouží k překonání období sucha (nedostatku vody a potravy), vyskytuje se u některých hlodavců, poloopic aj., kteří sucho přečkávají v norách pod zemí, nebo u stromových savců, kteří zase přečkávají sucho v dutinách stromů, projevuje se ospalostí TVORBA A ZTRÁTY TEPLA Tvorba tepla se děje při: práci kosterního svalstva třesová termogeneze a pohybová aktivita, kosterní svalstvo je největší producent tepla; zpracování potravy, jde o specifický dynamický účinek krmiva (viz kap. I/13) chemická termogeneze; procesech, spojených s bazálním metabolismem (viz kap. I/13) chemická termogeneze; štěpení hnědé tukové tkáně (u mláďat mláďata savců nemají vyvinutou třesovou termogenezi) chemická termogeneze, hnědá tuková tkáň (multilokulární tuková tkáň) je tvořena adipocyty s četnými malými tukovými kapénkami a s vysokým zastoupením mitochondrií (vysoký podíl mitochondrií způsobuje hnědé zbarvení), hnědá tuková tkáň je aktivována noradrenalinem, přičemž jsou štěpeny triacylglyceroly a uvolněné mastné kyseliny jsou zdrojem energie pro dýchací řetězec, v průběhu reakcí dýchacího řetězce vzniká teplo,

168 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO protony (H + ) vracející se na vnitřní membránu mitochondrie výměnou za protein UCP1 (uncoupling protein 1), dříve označovaný termogenin vytvářejí velké množství tepla, (tento protein působí jako protonová vodivá dráha, probíhající skrze mitochondriální membránu a odpojuje oxidaci od fosforylace), hnědá tuková tkáň má nízkou aktivitu ATP-syntázy proto se málo volné energie ukládá do ATP, málo hnědé tukové tkáně je (nebo zcela chybí) u obézních jedinců. Ztráty tepla nastávají: vedením (kondukcí) molekuly těla, pokud mají vyšší kinetickou energii, narážejí na molekuly s nižší kinetickou energií v okolí a předávají jim část své energie, množství odvedeného tepla je úměrné teplotnímu gradientu, tj. rozdílu teploty těla a okolí, množství odvedeného tepla dále závisí na prokrvení pokožky, do níž je přiváděno teplo z hlubších partií (tj. tkáňové vedení tepla): při vazodilataci a otevření arteriovenózních anastomóz je odvod vysoký, u osrstěných zvířat nebo u ptáků je teplo vedeno nejprve do vzduchu v srsti či peří a pak do okolí, při zježení srsti (piloerekci) či načechrání peří se odvod tepla snižuje nebo zastavuje, při vazokonstrikci a uzavření arteriovenózních anastomóz je teplo zadržováno; prouděním (konvekcí) pohyb molekul plynu (nebo vody) kolem těla odvádí z těla teplo; sáláním (radiací) teplo je odváděno z těla vyzařováním; odpařováním (evaporací) potu z pokožky určitá míra odpařování se děje stále (perspiratio insensibilis), odpařením 1 g vody ztrácí organismus cca 0,6 kcal tepla (2,5 kj), má význam u zvířat s vysokým zastoupením potních žláz v pokožce (kůň), rychlost odpařování závisí na relativní vlhkosti vzduchu (vyšší je při nižší relativní vlhkosti a naopak); odpařováním ze sliznice dýchacích cest a z dutiny ústní u psovitých šelem termická polypnoe (rychlé a povrchní dýchání s otevřenou dutinou ústní a vysunutým jazykem); viz také Fyziologie I Praktická cvičení REGULACE TĚLESNÉ TEPLOTY Regulaci tělesné teploty zajišťují termoregulační mechanismy: aktivované chladem zvýšená tvorba tepla: svalový třes (třesová termogeneze), jsou to na vůli nezávislé (mimovolní) kontrakce kosterního svalstva, pohybová aktivita, hlad příjem potravy (štěpení živin a uvolnění tepla) chemická termogeneze, zvýšená sekrece katecholaminů (adrenalinu a noradrenalinu) a tyreoidálních hormonů (trijodtyroninu a tyroxinu) zvýšení metabolismu chemická termogeneze, snížení ztrát tepla: vazokonstrikce v kůži, v chladu jsou kožní cévy citlivější na katecholaminy a dochází k jejich zúžení, vazomotorické reakce jsou vyvinuté zejména u organismů s menší izolační vrstvou těla, CZ.1.07/2.2.00/

169 169 TERMOREGULACE piloerekce, termoregulační chování stočení do klubíčka (zmenšení povrchu těla), podložení chladnějších končetin při ulehnutí pod sebe, shlukování k sobě, damani (Hyracoidea), ačkoliv savci, se v zájmu udržení tělesné teploty musí slunit, přenos tepla z arteriální krve do venózní krve v končetinách u zvířat žijících v chladné vodě nebo v polárních oblastech (sobi), hluboké vény (venae comitantes) mají průběh podél končetinových arterií a teplo přechází z přitékající arteriální krve do odtékající krve žilné (protiproudový výměnný mechanismus) okrajové části těla jsou chladnější a teplo je redistribuováno k životně důležitým orgánům; Systém arterií a vén využívající protiproudový průtok krve je rete mirabile vyskytující se u řady obratlovců v různých orgánech (kůži, varlatech, ledvinách). Vyměňováno může být nejen teplo, ale i ionty nebo plyny. aktivované teplem zvýšení výdeje tepla: vazodilatace v kůži a otevření arteriovenózních anastomóz, (např. fenek berberský, Vulpes zerda, využívá bohatě krvených ušních boltců), stejně pro králíka nemá potní žlázy jsou důležité v termoregulaci ušní boltce, bohatě krvené ušní boltce jsou důležité i u slonů), pocení, zintenzivnění dýchání (termická polypnoe, zejména u psů), termoregulační chování vyhledávání chladných míst, ulehnutí do vody, stříkání vodou (sloni, nosorožci, hroši aj.), ovívání se pohybem ocasu, mávání ušima (u slonů), snížení tvorby tepla: snížení příjmu krmiva, omezení tělesné aktivity; mechanismy aktivované chladem řídí zadní hypotalamus, mechanismy aktivované teplem řídí přední hypotalamus, hypotalamus na základě vyhodnocení informací z termoreceptorů v kůži, hlubokých tkání, míchy, mozku a v samotném hypotalamu a navozením odpovědi na tyto informace určuje tělesnou teplotu, každá odpověď podílející se se na vytvoření tělesné teploty má svou prahovou teplotu (určitá teplota je pro vazodilataci, jiná pro vazokonstrikci, další pro třesovou termogenezi apod.). Tělesná teplota u zdravých dospělých zvířat Druh Pes Kočka Kůň Prase Potkan Myš teplota 37,5-38,5* 37,5-38,0 + 38,0-39,5 ( C) 38,0-39,3** 37,5-38, ,0-40,0 37,5-39,0 36,0-39,0 * = velká plemena, ** = malá plemena, + = nad 5 roků, ++ = do 5 roků Druh Skot Ovce Koza Králík Morče Kur teplota ( C) 37,5-39,5 38,5-40,0 38,5-40,5 38,5-40,0 37,5-39,5 40,5-42,0 Ze všech savců má údajně nejnižší teplotu těla (32 C) mravenečník velký (Myrmecophaga tridactyla), před ztrátou tepla se chrání přikrytím velkým ocasem.

170 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO HOREČKA Horečka (febris) je syndrom s vůdčím příznakem zvýšenou tělesnou teplotou, vzniká v důsledku aktivace termoregulačních a imunitních mechanismů spolu s nastavením termoregulačního centra v hypotalamu (v area preoptica) na vyšší hodnotu; další projevy zčervenání (patrné na nepigmentovaných sliznicích a kůži), pocení (uplatňuje se podle druhu zvířete), třesavka (nebývá u nádorových onemocnění, hypersenzitivit), hyperventilace, zrychlená cirkulace aj.; příčiny infekce, záněty, imunopatologické reakce (hypersenzitivity z imunokomplexů, autoimunitní nemoci), nekrózy (lokální intravitální odúmrť tkáně nebo orgánu), trombózy (intravitální srážení krve v cévách), embolie (vmetení krevní sraženiny, vzduchu, shluku buněk aj. do užších cév, spojené s následným ucpáním lumen), nádory aj.; rozvoj horečky Vysvětlivky: PG = prostaglandiny, camp= cyklický adenozinmonofosfát, LPS = lipopolysacharid, IC = imunokomplexy, IL = interleukiny, TNF = faktory nekrotizující tumory, CSF = faktory stimulující kolonie, MFS = mononukleární fagocytární systém CZ.1.07/2.2.00/

171 171 TERMOREGULACE význam horečky spočívá v: přímé inhibici proliferace (růstu) mikroorganismů, nepřímé inhibici růstu mikroorganismů v důsledku: snížení pohotových hladin mikroelementů stimulujících růst mikroorganismů (Fe, Zn, Cu) a tím snížení jejich dostupnosti pro bakterie, demarginace neutrofilů, stimulace chemotaxe fagocytóza (baktericidie), stimulace produkce protilátek, lyzozymu a cytokinů (interferonů) aj.; antipyretické mechanismy uvolnění vazopresinu (antidiuretického hormonu) a melanotropního hormonu z hypofýzy snížení hladiny prostaglandinů E 2 (PGE 2 ) snížení úrovně set-pointu v hypotalamu, zvýšená syntéza glukokortikoidů inhibice imunitního systému snížená syntéza cytokinů indukujících horečku (endogenních pyrogenů ) zabránění přenastavení aktivity termoregulačního centra na vyšší hodnotu: Vysvětlivky: CRH = kortikoliberin, HP = hypofýza, POMC = proopiomelanokortin, ACTH = adrenokortikotropin, VP = vazopresin, MSH = melanotropin, GC = glukokortikoidy, IS = imunitní systém, endop = endogenní pyrogen je prokázán inhibiční efekt uromodulinu (Tammova-Horsfallova glykoproteinu), inhibitoru interleukinu 1 (IL-1) a angiotenzinu II na termoregulační centrum v hypotalamu:

172 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 172 Vysvětlivky: IL = interleukin Tammův-Horsfallův glykoprotein je produkovaný v ledvinných tubulech, tvoří matrici pro vznik válců (cylindrů) HYPERTERMIE Hypertermie (přehřátí) je zvýšení tělesné teploty nad fyziologické rozmezí, spojené s řadou doprovodných projevů, existuje druhově podmíněná schopnost adaptace k vysoké teplotě okolí, je dána rozdílným významem pocení, možností termické polypnoe, uplatnění termoregulačního chování aj.; termoregulační mechanismy jsou narušené (na rozdíl od horečky, kde jsou zachované); organismus nejprve zapojuje obranné mechanismy: omezení produkce tepla (včetně sníženého příjmu potravy), zvýšení výdeje tepla (periferní vazodilatace, otevření arteriovenózních anastomóz, pocení, termická polypnoe, termoregulační chování zvýšené pití, vyhledávání chladných míst, stínu, ulehnutí do vody koupel), periferní vazodilatace u dlouhosrstých plemen psů může selhávat již při venkovní teplotě nad 32 C; příčiny vysoká okolní teplota, zejména ve spojení s vysokou relativní vlhkostí vzduchu, nadměrná práce kosterního svalstva (při vysoké teplotě okolí), křečové stahy (tetanus), otravy látkami stimulujícími metabolismus, zvýšená funkce sympato-adrenomedulárního systému (nádory feochromocytom) nebo štítné žlázy (hyperplazie nebo nádory adenomy, karcinomy), poškození termoregulačních center v hypotalamu (cévní příhody, nádory); projevy (jsou do jisté míry projevy stresu, viz kap. I/10) zvýšená tělesná teplota (u psa rektální teplota vyšší jak 40 C), zvýšená frekvence srdeční (tachykardie), nitkovitý pulz, zrychlená dechová frekvence (tachypnoe), překrvené sliznice a kůže, žíznivost, nevolnost (nauzea), zvracení (emesis, vomitus), náhlá zástava pocení (patrná u zvířat s celotělovou distribucí potních žláz), křeče jako následek hypertonické dehydratace, zvýšený počet erytrocytů a hodnoty hematokritu (následek dehydratace), zvýšené koncentrace elektrolytů (zejména sodíku) v krevní plazmě/séru (s výjimkou zvířat s celotělovou distribucí potních žláz), snížené vylučování moči (oligurie), průkaz bílkovin v moči (proteinurie), CZ.1.07/2.2.00/

173 173 TERMOREGULACE poruchy srážení krve, křeče až kóma (při tělesné teplotě 42 C a více), smrt nastává v důsledku kardiovaskulárního a respiračního selhání. Insolace je vyvolána přímým působením ultrafialového a infračerveného záření na organismus; projevy: tachykardie, tachypnoe, nauzea, žíznivost, popáleniny (zčervenání kůže erytém, později i puchýře), podrážděnost, neklid (agitovanost), později mrákoty (obnubilace). Maligní hypertermie (zhoubné přehřátí) vzniká mutací genu pro ryanodinový (podle alkaloidu ryanodinu) receptor (RYR1), čímž za stresu (při stresovém syndromu prasat) dojde během svalové kontrakce ke značnému uvolnění Ca 2+ s následkem křečových stahů svalstva a vysoké produkce tepla, projevy lze vyvolat aplikací celkového anestetika halotanu HYPOTERMIE Hypotermie (podchlazení) je pokles tělesné teploty obvykle pod 35 C, zpočátku uplatňuje organismus obranné mechanismy zvýšenou tvorbu tepla (chemickou a třesovou termogenezi), ale při hypoxii (např. ve vysoké nadmořské výšce) je třesová termogeneze omezená, stejně jako u savčích mláďat, snížený výdej tepla (vazokonstrikce v kůži, piloerekce, termoregulační chování vyhledávání tepla, stočení do klubíčka, shlukování); mláďata mají menší zásoby energie, takže snáze dojde k podchlazení; příčiny nízká okolní teplota, snížená funkce štítné žlázy, celková anestezie, otravy spojené s útlumem centrálních termoregulačních mechanismů; projevy (jsou do jisté míry projevy stresu, viz kap. I/10) lehká hypotermie: snížená tělesná teplota, snížení periferní cirkulace (bledost nepigmentované kůže a sliznic), třesavka, tachykardie, mírně zvýšený krevní tlak, v krvi může být zjišťován zvýšený počet leukocytů (leukocytóza) na podkladě zvýšeného počtu neutrofilů (neutrofilie), tachypnoe, poruchy citlivosti (parestezie, což je kvalitativní porucha, např. brnění) končetin, bolesti kloubů, hluboká hypotermie: výrazně snížená tělesná teplota, sinavá (šedá) barva nepigmentované kůže (cyanóza), třesavka vymizí, zpomalení srdeční frekvence (bradykardie), pokles krevního tlaku, poruchy srdečního rytmu,

174 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 174 zpomalení dechové frekvence (bradypnoe), příp. nepravidelné dýchání, snižuje se glomerulární filtrace a tubulární resorpce v ledvinách s následky: zpočátku je zvýšená hladina glukózy v krvi (hyperglukozemie/hyperglykemie), objevuje se glukóza v moči (glukozurie), je zvýšený odpad sodíku močí (zvýšená natriuréza), je snížená eliminace H + (v organismu tedy acidóza) a zadržování draslíku (hyperkalemie), později se zjišťuje hypoglukozemie, deprese nervové činnosti až ztráta vědomí (při poklesu tělesné teploty pod 29 C), zdánlivá smrt (při poklesu tělesné teploty přibližně na 26 C): nehmatný pulz, dýchání nezřetelné, absence odpovědi na bolestivé podněty, některé reflexy (korneální, pupilární) jsou vymizelé, smrt nastává přibližně při teplotě 22 C (obrna dýchacích svalů a selhání vazomotorického centra v prodloužené míše), při selhání termoregulačních mechanismů tvorba tepla neexistuje a organismus se chová jako fyzikální těleso, tzn. přebírá teplotu okolí. CZ.1.07/2.2.00/

175 175 STRES 10. STRES Přesná definice stresu neexistuje, stres (zátěž) není jen odezva organismu na pro něj negativní faktory, např. akutní stres může být užitečný při hrozbě nebezpečí, naopak chronický stres může vést ke vzniku a rozvoji stresových nemocí (viz dále); určitá míra stresovanosti je pro organismus prospěšná a odpověď v rámci ní se označuje fyziologická stresová reakce, závislost negativní odezvy organismu na stresory je vyjadřována J křivkou, je-li organismus mírně stresován, stupeň negativní odezvy může být minimální: v obraně organismu proti stresu hraje významnou roli schopnost organismu se adaptovat (viz dále); je vyvíjena snaha o kvantifikaci stresu, tj. stanovení stupně (míry) působení různých podnětů na organismus (zatím neúspěšně); studiem stresu se zabýval kanadský fyziolog maďarského původu Hans (Janos) Selye (Selyeho klasická koncepce stresu viz dále) TERMINOLOGIE Stresogeneze je vznik a rozvoj stresu. Stresor podnět (faktor) vyvolávající charakteristickou odpověď (stresovou reakci) v organismu; mezi stresorem a intenzitou odpovědi neexistuje těsná vazba (tzn. existuje relativnost působení stresorů); rozdílná intenzita odpovědi organismu je podmíněna individuální a druhovou variabilitou, dále sílou, expozicí, příp. opakovaným působením stresora; odhalení stresorů a minimalizace či vyloučení jejich účinku je důležité z hlediska zlepšení pohody (welfare) zvířat; druhy stresorů vnější: fyzikální, chemické, biologické, psychosociální, komplexní (zánět, infekce, poranění,

176 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 176 nádor), vnitřní: např. poruchy metabolismu (změny koncentrací glukózy, kalcia aj.), poruchy funkcí některých žláz s vnitřní sekrecí, komplexní: bolest, horečka, změna environmentálních podmínek, mnohočetná poranění aj. Antistresor (destresor) podnět navozující relaxaci organismu, a to různými způsoby: fyzicky a psychicky (u člověka různé formy odpočinku), farmakologicky (tj. léky, což je nejméně vhodné). Nově byl objeven protistresový faktor, označený nociceptin, je tvořen v amygdale. Šimpanzi bonobo (Pan paniscus) užívají jako prostředek proti stresu sex. Stresová reakce je víceméně uniformní odpověď organismu na působení stresoru v důsledku aktivace neuro-imuno-humorálních mechanismů. Stresové pole je expozice organismu k působení více stresorů. Stresová situace jsou podmínky vnějšího a vnitřního prostředí usnadňující nebo zvyšující působení stresorů. Coping způsob zvládání stresu. Eustres fyziologická odezva organismu na stresory. Distres patologická odezva organismu na stresory. Stresologie je věda o stresu. Byla to poprvé Brambellova komise ve Velké Británii (1965), která shrnula základní požadavky na kvalitu života zvířat (vlastně předcházení stresu) do 5 zásad, které vešly ve známost jako 5 svobod zvířat: (1) svoboda od hladu a žízně, (2) svoboda od diskomfortu, (3) svoboda od bolesti, zranění nebo nemoci, (4) svoboda k vyjádření normálního chování, (5) svoboda od strachu a úzkosti. Adaptace je evoluční přizpůsobení organismu podmínkám vnějšího prostředí; je to obecná vlastnost živých organismů směřující k udržení homeostaze; v procesu adaptace vznikají na základě přirozeného výběru nové užitečné vlastnosti či znaky; má také obranný význam proti působení stresorů; závisí na schopnosti kompenzace a event. úniku z vlivu stresorů; typy adaptací: CZ.1.07/2.2.00/

177 177 STRES úplná, tj. po působení podnětu dojde k obnovení původního stavu úplná kompenzace, částečná, tj. snížená reakce na podnět, ale původní stav se neobnoví neúplná kompenzace, žádná, tj. po působení podnětu dojde k ustálení na nové úrovni (často zdraví neprospěšné) absence kompenzace, zkřížená, tj. přizpůsobení na určitý podnět změna reaktivity na jiný podnět, vyhýbání se stresu, např. hibernace, mimikry, migrace, estivace (viz výše); preadaptace (resp. exaptace) znamená užití vlastností znaků původně určených pro něco jiného, než pro co byly vyvinuty (např. peří původně kožní derivát určený k termoregulaci, potom součást létacího ústrojí ptáků) TEORIE ZABÝVAJÍCÍ SE STRESEM Poplachová teorie nemoci: organismus reaguje na stresor aktivací sympato-adrenomedulárního systému s následkem zvýšení přeměny látkové (zisk energie) a činnosti kardiovaskulárního systému (distribuce energie) Teorie obecného adaptačního syndromu: různé stresory vyvolávají v organismu uniformní odpověď, probíhající ve fázích poplachová reakce, rezistence a celkové vyčerpání (exhausce) Homeostatická teorie stresu: stres jako nebezpečí narušení homeostaze Teorie stresové neuroimunitní modulace: stres negativně ovlivňuje interakce na ose hypotalamus hypofýza nadledvina periferní buňky imunitního systému s následkem poruch jejich aktivity Chronický stres a rezistence proti herpesvirovým infekcím: stres navozuje poruchy homeostaze cestou působení cytokinů a snížení odolnosti vůči herpesvirovým infekcím Cannon Walter 1915 Selye 1936 Goldstein 90. léta 20. stol. Reichlin 90. léta 20. stol. Van der Ven, van Diest počátek 21. stol DRUHY STRESU Rozlišují se následující druhy stresu: akutní; chronický; intermitentní (přerušovaný, střídavý); metabolický (při vysokém stupni gravidity, při vysoké užitkovosti); oxidační (uplatňuje se při různých patologických procesech, např. při zánětech, vředech žaludku, stavech neprůchodnosti střev, komplikacích při poraněních nebo pooperačních stavech, poruchách plodnosti, šokových stavech aj., jedná se o zesílený efekt reaktivních forem/druhů kyslíku (ROS, reactive oxygen species) při jejich nadprodukci nebo snížené antioxidační obraně organismu:

178 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 178 reaktivní formy/druhy kyslíku (ROS, reactive oxygen species) se člení na: volné kyslíkové radikály, tj. atomy, molekuly, sloučeniny mající nepárový elektron (označený tečkou), schopný nezávislé existence, tento elektron má enormní snahu spojit se s dalšími elektrony, což je podstata vysoké reaktivity těchto látek, příklady: superoxidový anion (superoxid) O 2.-, hydroxylový radikál HO., perhydroxylový radikál HO 2., peroxylový radikál ROO. aj., formy bez nepárového elektronu, příklady: peroxid vodíku H 2 O 2, singletový kyslík 1 O 2, mezi ROS lze zařadit i reaktivní formy dusíku (jeho sloučeniny s kyslíkem), např. NO. (radikálová forma oxidu dusnatého), NO 2. (radikálová forma oxidu dusičitého), ONOO - (peroxynitrit) aj., zdroje vzniku ROS můžou být: endogenní, např. ox.-red. reakce dýchacího řetězce, fagocytóza, metabolizace kyseliny močové, reperfuze (obnova prokrvení po ischemii po operacích apod.) aj., exogenní, např. UV záření, znečistěné ovzduší průmyslem, dopravou, v potravě obsažené těžké kovy (Fe, Cu, Cd), některé léky (avšak terapeutický efekt některých léků, např. určitých chemoterapeutik, je založen právě na uvolňování ROS), obrana proti účinkům ROS se člení na: enzymová antioxidancia, např. superoxiddismutáza, glutathionperoxidáza, kataláza, cytochromoxidázy dýchacího řetězce aj., neenzymová antioxidancia, např. vitaminy E, C, dále β-karoten, albumin, ceroloplazmin, bilirubin, selen, dimetylsulfoxid aj. Reaktivní formy kyslíku jsou v organismu ale také prospěšné, např. při fagocytóze, aktivitě osteoklastů, průniku spermií do vajíčka, aktivitě chemotaktických faktorů, některé působí jako signální molekuly (druzí poslové) apod HLAVNÍ STRESOVÉ MECHANISMY Hlavní stresové mechanismy lze členit na: centrálně nervové zapojené struktury: nucleus raphe (serotoninergní dráhy), locus coeruleus (noradrenergní dráhy), hypotalamus, retikulární formace, CZ.1.07/2.2.00/

179 179 STRES limbický systém, kůra mozková; sympato-adrenomedulární systém sympatický nervový systém a dřeň nadledvin s hormony adrenalinem, noradrenalinem a dopaminem; systém vnitřní sekrece zapojené struktury: hypofýza s hormony adrenokortikotropinem (ACTH), somatotropinem (STH), prolaktinem (PRL), kůra nadledvin s hormony gluko- (kortizolem, kortikosteronem) a mineralokortikoidy (aldosteronem), štítná žláza s hormony trijodtyroninem (T 3 ) a tyroxinem (T 4 ), β-buňky pankreatu s hormonem inzulinem, epifýza s hormonem melatoninem, difuzní systém vnitřní sekrece produkující tkáňové (lokální) hormony (např. gastrin, cholecystokinin, somatostatin, motilin, sekretin, substanci P, bombesin, kalcitonin, opioidní peptidy aj.) MARKERY STRESU Stres lze monitorovat a objektivizovat pomocí markerů (indikátorů), akutní stres zvýšené hladiny hormonů: adrenokortikotropního hormonu, kortizolu (nikoliv u hlodavců), kortikosteronu (u hlodavců), zvýšené hladiny metabolitů: metanefrinu, normetanefrinu, kyseliny 3-metoxy-4-hydroxymandlové neboli kyseliny vanilmandlové (což jsou metabolity katecholaminů adrenalinu a noradrenalinu), glukózy (hyperglukozemie/hyperglykemie), v důsledku glykogenolýzy z intenzivnějšího působení katecholaminů a glukoneogeneze z intenzivního působení glukokortikoidů, ze snížené sekrece inzulinu, příp. rezistence k inzulinu, změněné počty krevních buněk: zvýšení počtu neutrofilních granulocytů (neutrofilie), v důsledku redistribuce krve (demarginace neutrofilů od cévních stěn a vyplavení z krevních depo působením katecholaminů a glukokortikoidů, příp. poklesu migrace neutrofilů do tkání, snížení počtu lymfocytů (lymfopenie), v důsledku inhibice lymfatické tkáně působením glukokortikoidů, Změny v diferenciálním rozpočtu leukocytů, jejichž hlavními projevy jsou v závislosti na průběhu stresu neutrofilie a lymfopenie, se označují stresový leukogram. Neutrofilie za stresu je dána zvýšeným počtem zralých buněk v axiálním (osovém) proudu krve, tj. segmentů, proto se označuje jako maturační neutrofilie. zvýšení počtu erytrocytů, v důsledku zvýšené spotřeby kyslíku a následné hypoxie, navozené působením hormonů se silnými metabolickými efekty (zejména trijodtyroninu a tyroxinu) vazokonstrikčního efektu katecholaminů (vyplavení erytrocytů ze zásobáren) a zpomalené destrukce erytrocytů (působení glukokortikoidů), toto sekundární zvýšení počtu erytrocytů se označuje erytrocytóza (nemá původ v primárně zvýšené funkci kostní dřeně v důsledku nádorového procesu

180 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 180 toto zvýšení se označuje v patofyziologii erytrocytemie), pitevní nález: úbytek lymfatické tkáně, vředy žaludku, zvětšení nadledvin (tzv. trias poplachové reakce stresu); chronický stres zvýšené hladiny hormonů: adrenokortikotropního hormonu, prolaktinu, kortizolu (nikoliv u hlodavců), kortikosteronu (u hlodavců), pitevní nález (viz výše); intermitentní stres zvýšené hladiny hormonů: adrenokortikotropního hormonu, kortizolu (nikoliv u hlodavců), kortikosteronu (u hlodavců), pitevní nález (viz výše); Hladiny hormonů jsou mezi atakami stresorů u intermitentního stresu nezměněné. prodělaný stres zvýšené hladiny některých proteinů akutní fáze: např. ceruloplazminu; Část aminokyselin vzniklých při lýze tkáňových proteinů je využita v játrech k syntéze proteinů akutní fáze (viz dále). Se vzestupem hladiny ceruloplazminu souvisí u některých zvířat zjišťovaný vzestup koncentrace mědi při stresu. oxidační stres změny koncentrace metabolitů: malondialdehydu (MDA), 4-hydroxy-2-nonenalu (HNE), izoprostanů, poměru redukovaného glutathionu a jeho oxidované formy disulfidu glutathionu aj., NO. ; stres u ptáků změny koncentrace metabolitů: glukózy, kyseliny močové, albuminu, změny hladin hormonů: kortizolu. U ptáků, ale i u jiných zvířat (při oxidačním stresu), se zkoumá význam pterinů (neopterinu a biopterinu) jako markerů stresu. Pteriny jsou deriváty pteridinu. Producentem neopterinu jsou stimulované (např. působením interferonů) buňky MFS, producentem biopterinu jsou lymfocyty, endotelie aj. buňky SELYEHO KONCEPCE STRESU Vyjadřuje obecnou odpověď organismu na působení různých stresorů, odpověď byla nazvána obecný adaptační syndrom (GAS, general adaptation syndrome): CZ.1.07/2.2.00/

181 181 STRES vzniká na základě aktivace základních stresových mechanismů (stresových os): sympato-adrenomedulární (SAM) s následkem zvýšené produkce a uvolnění adrenalinu a noradrenalinu, odpověď je velmi rychlá, hypotalamo-pituito-adrenokortikální (HPA) s následkem zvýšené produkce a uvolnění glukoa také mineralokortikoidů, odpověď je pomalejší, aktivace HPA cestami: buď SAM adrenalin hypotalamus adenohypofýza kůra nadledvin, nebo smyslové orgány smyslové dráhy kůra mozková hypotalamus adenohypofýza kůra nadledvin; Temperamentní zvířata preferují SAM mechanismus (útok nebo útěk), klidnější zvířata preferují HPA mechanismus, divoká zvířata mají reakci útok nebo útěk velice intenzivní, očekává-li se působení stresoru je stresová reakce menší. stadia (akutního) stresu (1) poplachová (alarmová) reakce je představována aktivací hlavních mechanismů stresogeneze, tj. SAM a HPA s následným uvolněním hormonů katecholaminů a kortikoidů, působením těchto hormonů dochází k/ke: štěpení glykogenu a tuků (získání zdrojů energie), syntéza glukózy, stimulaci kardiovaskulárního systému (posílení činnosti srdce a cirkulace krve, rozvedení energie po organismu), zadržování vody a dalších látek (mj. stabilizace krevního tlaku), hlavní projevy zvýšení plazmatických hladin bílkovin, glukózy, mastných kyselin, kyseliny mléčné, zvýšení počtu neutrofilních granulocytů a dalších změn v zastoupení jednotlivých populací bílých krvinek ( stresový leukogram ), zvýšení hladin metabolitů katecholaminů (metanefrinu, normetanefrinu, kyseliny vanilmandlové), zvýšení počtu srdečních pulzů a srdečního výdeje, zvětšení nadledvin, zmenšování brzlíku a lymfatických orgánů, vředy žaludku, příp. dvanáctníku (tj. trias poplachové reakce), (2) rezistence nebo také adaptace znamená maximální adaptaci, tzn. organismus dokáže působení stresorů odolávat, rozhodující projevy tohoto stadia jsou: zvýšení hladiny kortizolu, event. kortikosteronu a s tím související stimulace

182 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 182 glukoneogeneze (s následným zvýšením hladiny glukózy), změny v diferenciálním rozpočtu leukocytů (viz výše), zesílení obrany proti zánětu, (3) celkové vyčerpání (exhausce) dochází k poruchám adaptace (maladaptaci) s následkem vzniku a rozvoje stresových poruch a nemocí (viz dále) MODIFIKOVANÉ KONCEPCE STRESU Modifikované koncepce vycházejí z učení Selyeho a jsou vykládány jako komplexní odpověď organismu, včetně určité míry specifičnosti fyziologických reakcí na působení stresorů, jsou odvozeny od složitých vztahů na úrovni: stresových mechanismů, projevů (včetně chování), zpětných vazeb mezi vykonavateli (efektory) a regulátory; odpověď organismu v případě modifikovaných koncepcí stresu lze shrnout: (1) aktivace sympato-adrenomedulárního mechanismu a na základě záchytu podnětu a jeho vedení senzorickými drahami (zrakovými, sluchovými) vyvolaná stimulace následující dráhy: talamus amygdala hipokampus senzorické oblasti mozkové kůry vyhodnocení podnětu: (2) je-li podnět vyhodnocen jako stresor amygdala locus coeruleus hypotalamus hypofýza nadledviny štítná žláza pohlavní žlázy aktivace buněčných systémů aj.: CZ.1.07/2.2.00/

183 183 STRES (3) silný nebo dlouhodobě působící stresor poruchy nebo nemoci ze stresu (viz dále); za modifikace Selyeho koncepce stresu lze považovat: homeostatickou teorii stresu (viz výše), teorii stresové neuroimunitní modulace (viz výše), teorii vlivu chronického stresu na rezistenci vůči herpesvirovým infekcím (viz výše), infekční stres: důležitým znakem je přítomnost reakce akutní fáze (viz dále), představuje paralelní stresový mechanismus, tzn. vedle aktivace základních stresových mechanismů (os) dochází k aktivaci buněčných systémů, především makrofágů, s následnou produkcí cytokinů (viz také kap. I/7.2), - ty působí na různé orgány hypotalamus, játra, kostní dřeň, mízní systém, svaly aj., - v játrech navozují tvorbu proteinů akutní fáze:

184 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 184 reakce akutní fáze - je to adaptační odpověď organismu na působení stresorů, spojená s produkcí proteinů akutní fáze (viz dále), - je to komplexní odpověďorganismu na poškození (zánět, infekci, poranění, nádory), - lze ji z hlediska významu (nikoliv mechanismů) přirovnat k poplachové reakci Selyeho koncepce, - rozvíjí se rychle, - zahrnuje reakce endokrinní, metabolické a imunitní, - význam: -- protiinfekční, -- zachování vodní a elektrolytové rovnováhy, -- zajištění energie a zachování tepelné rovnováhy, -- reparační a regenerační, -- podílí se na zprostředkování bolesti, proteiny akutní fáze (APP, acute phase proteins) (viz také kap. I/7.3) - jsou to produkty hepatocytů, - chemicky to jsou většinou (glyko)proteiny, - funkčně heterogenní skupina (viz dále), - jejich syntéza a uvolňování do krevního oběhu jsou regulovány: -- cytokiny (viz dále), -- hormony (glukokortikoidy), -- růstovými faktory (např. HGF, hepatálním růstovým faktorem), -- těžkými kovy, -- výší tělesné teploty, - mají krátký poločas eliminace z krevního oběhu (minuty), ale ceruloplazmin až 10 dní, - jejich koncentrace v krevní plazmě se mění při akutní fázi, může se -- zvyšovat pozitivní APP (např. fibrinogen, sérový amyloid A), -- snižovat negativní APP (např. albumin), - funkce: -- stimulace chemotaxe a adheze fagocytů, -- opsonizace, tj. zchutnění bakterií pro fagocyty, -- stimulace tvorby protilátek, -- aktivace komplementu, CZ.1.07/2.2.00/

185 185 STRES -- působí proti horečce (antipyreticky), -- mají antioxidační působení, -- stimulují reparační procesy aj., - efekty jsou zprostředkovány většinou membránovými receptory, - některé jsou využívány diagnosticky jako markery intenzity zánětu (např. C-reaktivní protein u psů); cytokiny (viz také kap. I/7.2) - funkčně heterogenní skupina látek, - nejednotná klasifikace, - chemicky to jsou většinou peptidy, - jsou produkovány řadou buněčných systémů: -- makrofágy, monocyty, neutrofily, endotelem cév, fibroblasty, žírnými buňkami, buňkami pokožky aj., - některé z cytokinů jsou druhově specifické, - účinné jsou již ve velmi malých koncentracích (nmol až pmol), proto při léčebném použití je snadné předávkování (např. růstovými krevními faktory), - mají pestré účinky, které jsou propojené (vytváří cytokinovou regulační síť), - obecné efekty: -- proliferace buněk, -- diferenciace buněk, -- smrt buněk, - informace je předávána cílovým buňkám přes receptory, - průkaz mnohých z nich není jednoduchý, neboť mají krátký poločas existence a v některých případech jsou prokázány inhibitory jejich působení; projevy stresu projevy stresu jsou výsledkem stimulace stresových mechanismů, liší se u akutního a chronického stresu, např. u chronického zvýšení příjem potravy nespotřebování energie zvýšená tvorba zásob obezita, inzulinorezistence, metabolický syndrom, můžou být na úrovni orgánů, může se jednat o projevy psychické, o poruchy chování nebo stresové nemoci,

186 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 186 stresové nemoci při vzniku a rozvoji stresové nemoci se uplatňuje stresor, vztah stresor nemoc nemusí být jednoznačně patrný, stresové nemoci se ne vždy snadno diagnostikují a mnohdy se také obtížně léčí, mezi stresové nemoci např. patří: - transportní stres, - malnutriční stres (z podvýživy), - infekční stres (viz výše), - stresové vředy žaludku, duodena, slezu: - stresem podmíněná snížená tvorba a snížené vylučování mléka (hypogalakcie), - přemístění (dislokace) slezu (u skotu), - stresový syndrom prasat, - akutní stresový syndrom (selhání srdce), - akutní nekróza hřbetních svalů, - syndrom zhoubné (maligní) hypertermie (viz také kap. I/9), - etc. V experimentech na myších bylo zjištěno, že stres ovlivňuje aktivaci transkripčního faktoru GATA1, který inhibuje expresi genů, na nichž závisí tvorba synapsí. Jeho aktivace má za následek snížení objemu některých částí mozku (prefrontální kůry). CZ.1.07/2.2.00/

187 187 BOLEST 11. BOLEST Bolest (-algia, -adynia) je nepříjemná senzorická (smyslová) a emocionální zkušenost, spojená se skutečným nebo možným poškozením tkáně (upraveno podle Mezinárodní společnosti pro studium bolesti, IASP, International Association for The Study of Pain), je to syndrom (soubor funkčně spjatých příznaků), významný z hlediska klinické praxe a pohody zvířat; primárně má ochranný význam; hranice, za kterou stimul vyvolá bolest, se označuje práh bolesti, některé opakované stimuly vedou ke zvýšení prahu, tzn. snížení odpovědi na jejich působení, naopak zánětová reakce, zvýšení svalového tonu aj. práh snižují, intenzivní bolest v určitém místě vede ke zvýšení prahu na jiném místě (např. intenzivní bolest kloubů zvyšuje práh bolesti v oblasti hřbetu, využití silného stisku horního pysku zvyšuje práh bolesti u koně na jiném místě možnost provedení vyšetření nebo drobného chirurgického zákroku); doba působení stimulu do vyvolání bolestivé reakce se označuje tolerance bolesti (doba latence), je ovlivněna: zdravotním stavem (např. obezita způsobuje snížení tolerance), tělesnou aktivitou (zvýšená tělesná aktivita zvyšuje toleranci), psychickým stavem (strach snižuje toleranci), věkem (u mláďat je snížená tolerance), trvalou stimulací (trvalé dráždění vede k přivyknutí bolesti); laboratorní průkaz bolesti v praxi je obtížný, laboratorní nález odráží patologický proces projevující se bolestí; (moderními zobrazovacími metodami lze v současnosti detekovat i funkční změny v mozku při bolesti), bolest představuje specifické čití s vlastními receptory a drahami; vnímání bolesti je ovlivněno vnějšími faktory (např. zkušeností) a vnitřními faktory (např. temperamentem, stavem vědomí, věkem, nemocí); bolest je vysvětlována řadou teorií, převratná byla teorie vrátkové regulace bolesti, podle ní funkci vrátek vykonávají zadní rohy míšní, resp. želatinózní substance (substantia gelatinosa), což je struktura v periferní oblasti zadního rohu míšního, (silná) stimulace vláken A stimulace substantia gelatinosa uzavření vrátek, stimulace vláken A a vláken C inhibice substantia gelatinosa otevření vrátek, stimulace vláken C inhibice substantia gelatinosa otevření vrátek: teorie vrátkové bolesti nebyla potvrzena, ale vycházejí z ní nové teorie bolesti, nyní se věnuje pozornost látkám, které se na přenosu a vyhodnocení bolesti podílejí neuromodulátorům bolesti, řadí se mezi ně: endogenní opioidy ( -endorfin, enkefaliny aj.), kanabinoidy (látky obsažené původně v konopí setém kanabidiol, kanabinol, tetrahydrokanabinoly), katecholaminy (adrenalin, noradrenalin, dopamin), nociceptin (strukturně odpovídá dynorfinu A),

188 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 188 hormony produkované difuzním neuroendokrinním systémem (galanin, neuropeptid Y, cholecystokinin), další (oxytocin, ghrelin, GABA, glutamát, serotonin aj.). Analgezie je odstraňování nebo tišení bolesti, běžně se provádí medikamentózním způsobem léky označovanými analgetika. Analgetika působí cestou opiátových receptorů a neurokininových receptorů (tyto se nacházejí v limbickém systému, který integruje emoční reakce viz kap. II/11.3.4) STIMULY VYVOLÁVAJÍCÍ BOLEST Stimuly vyvolávající bolest (tj. substance nebo manévry) se nazývají algogeny, u zvířat se bolestivé podněty (signály) nazývají také škodlivé podněty/signály, lze je členit na: fyzikální teplo (>43 C), chlad, tlak, tah; chemické kyseliny (ph kolem 6,0), hypertonické roztoky (např. NaCl), kapsaicin (rostlinný alkaloid obsažený v paprikách Capsicum); Kapsaicinové receptory jsou zjištěny pouze u savců, nikoliv u ptáků a obojživelníků. periferní mechanismy stimulující nociceptory ionty (např. K + ) vazodilatační a permeabilitní látky (histamin, bradykinin, substance P aj.), zvýšený tlak ve tkáních (otok, zánětový výpotek, buněčné infiltrace), některé ikosanoidy snižující práh bolesti (např. prostaglandin E 2 ); příčinami bolesti z klinického hlediska můžou být např.: záněty, traumata, poruchy krevního oběhu, nádory, nešetrné chovatelské a veterinární zákroky, bolest z neznámé příčiny (bolest neznámého původu). Čím je vzdálenost místo působení stimulu (algogenu) vs. mozek větší, tím je časový interval mezi oběma delší KATEGORIE BOLESTI Kategorie bolesti se určují podle několika hledisek: podle vztahu k poškození organismu bolest somatogenní (fyzická), příčina je v patrném vztahu k poškození organismu, Do této kategorie lze zařadit neuropatickou bolest, která vzniká jako následek poruch nervového systému. CZ.1.07/2.2.00/

189 189 BOLEST bolest psychogenní, absence příčinného vztahu, sociální bolest, je spojena s předtuchou ztráty někoho nebo něčeho, emoční, je to komplex pocitů, složený z hněvu, otupělosti, smutku, úzkosti; Sociální bolest se vyznačuje utrpením (strastí), emoční bolest je často součást konečného stadia nemoci. podle lokalizace somatická (tělesná) povrchová, hluboká; viscerální (útrobní), centrální; podle nástupu rychlá bolest, jasný, ostrý, lokalizovaný pocit, odpovídají vlákna Aδ, předchází pomalé bolesti, pomalá bolest, tupý, difuzní pocit, odpovídají vlákna C; podle průběhu akutní, chronická. Kritéria odlišující bolest akutní od chronické Kritérium Akutní bolest Chronická bolest trvání >1 týden <1 týden (obvykle několik měsíců, příp.se opakuje) nástup náhle náhle i plíživě ústup ihned po odstranění příčiny pozvolna intenzita značná slabší (postupně klesá) (postupně roste) příčina obvykle známá obvykle neznámá reakce na terapii obvykle nikoliv obvykle ano (léčba často dlouhodobá) zóny bolestivosti lze určit nelze určit diagnostický značný menší význam (informace o příčinách) (po příčině se pátrá) Sloni mají vyvinutý infrazvukový komunikační systém, který umožňuje vysílat na několik kilometrů signály o jejich úzkosti, navíc mají dlouhodobou paměť, takže si bolestivé situace nadlouho uchovávají VNÍMÁNÍ BOLESTI Vnímání bolesti, tj. nocicepce zahrnuje procesy:

190 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 190 záchyt, tj. percepci bolestivého/škodlivého podnětu pomocí receptoru; převod podnětu (stimulu) na nervový impulz, tj. transdukci (podstatou je přeměna energie určité modality na elektrickou energii akčních potenciálů); přenos a šíření impulzu, tj. transmisi. Modalita je forma energie stimulující receptor, receptory jsou specializovány na určitou modalitu, např. fotoreceptory na elektromagnetické vlnění v oblasti viditelného světla (viz také kap. II/11.3.1) Hlavní prvky nocicepce Receptory bolesti (nociceptory, algoceptory, nocisenzory) jsou to receptory schopné přijímat škodlivé/bolestivé podněty, vysokoprahové mechanoreceptory (záchyt mechanických stimulů), polymodální receptory (termoceptory), vlastní nociceptory (jsou na nervových zakončeních, aktivují se pouze bolestivými podněty, tzn. silnými mechanickými, tepelnými, chemickými podněty); jsou lokalizovány (distribuovány): v kůži: záchyt hlavně mechanických, ale také tepelných a chladových stimulů ve svalech, kloubech: záchyt mechanických a chemických stimulů, ve vnitřních orgánech: záchyt mechanických a chemických stimulů. Kůže tlustokožců (slonů) není vybavena nociceptory, ale výrůstek na konci chobotu má vysokou distribuci nociceptorů, stejně rypoš lysý (Heterocephalus glaber) nemá v kůži receptory bolesti. Aferentní (dostředivá) nervová vlákna jsou buď opatřená myelinovou pochvou (vlákna myelinizovaná), tzn. jsou elektricky izolována, proto vedou vzruch rychleji, vlákna A : vedou vzruch vzniklý škodlivou stimulací rychlostí 5-30 m/s a odpovídají za první, tzn. rychlou bolest, vlákna Aß: vedou vzruchy vzniklé po opakovaných škodlivých stimulech, vlákna Aα: vedou vzruchy vzniklé po škodlivých stimulech (prokázána u šelem); nebo jsou bez myelinové pochvy (vlákna nemyelinizovaná), vlákna C: vedou vzruchy indukované škodlivou stimulací rychlostí 0,5-2 m/s a odpovídají tak za druhou, tzn. pomalou bolest. Zadní rohy míšní zadní rohy (kořeny) míšní vedou vzruchy dostředivě (z periferie do mozku); obsahují smyslové neurony, neurony v zadních rozích míšních promítají (projikují) signály do mozkových struktur a nazývají se proto projekční neurony, vedle nich jsou zde inhibiční interneurony (spojovací neurony), které tlumí projekční neurony, dále je zde přítomna substantia gelatinosa, která je významná pro přenos a šíření (transmisi) impulzů při vnímání bolesti, má funkci vrátek kontrolujících transmisi impulzů do CNS (viz výše). Přední rohy míšní vedou impulzy odstředivě a obsahují motorické neurony, tzn. vedou impulz z centra např. ke kosterním svalům. Dráhy jsou to spojení mezi míchou a strukturami mozku regulujícícími bolest; podle struktur, do kterých je impulz přenášen, se také označují, např. CZ.1.07/2.2.00/

191 191 BOLEST tractus spinothalamicus (dráha mezi míchou a mezimozkovým hrbolem, tj. talamem). Centrální regulátory mezi centrální regulátory bolesti patří: mozkový kmen, talamus, limbický systém, retikulární formace, hypotalamus, kůra mozková (ovlivňuje vnímání bolesti, ale není nezbytná); na centrálně nervové úrovni se uplatňují systémy přenašečů (neurotransmiterové systémy viz kap. II/11.1.3), neurotransmitery se uplatňují na synapsích, tj. spojeních v tomto případě nervové (nebo smyslové) buňky s další nervovou buňkou, podle toho, zda dochází u postsynaptické buňky k podráždění (excitaci) nebo k tlumení (inhibici) se člení na: excitační synapse (zde se impulz převede, ale převod může být modulován, tj. tlumen nebo usnadněn), např. kyselina -aminomáselná (GABA) působí zde inhibičně, substance P přenos usnadňuje (působí tedy facilitačně), serotonin podle typu svých receptorů působí facilitačně i inhibičně, nebo inhibiční synapse (zde se impulz nepřevede, také inhibice může být modulována, tj. zesílena nebo usnadněna), např.: acetylcholin nebo serotonin působí zde facilitačně, adenozin působí zde inhibičně:

192 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 192 Neurotransmitery jsou chemické látky uvolňované z nervových zakončení na synapsích (viz také kap. II/11.1.3). Synapse mají presynaptickou a postsynaptickou oblast, mezi nimi se nachází synaptická štěrbina. Synapse slouží k přenosu a šíření impulzu z nervové (nebo smyslové) buňky na nervovou nebo svalovou buňku přes synaptickou štěrbinu. Neurotransmitery mají buď budivý účinek excitační neurotransmitery, nebo tlumivý účinek inhibiční neurotransmitery. Tentýž neurotransmiter může působit na synapsích rozdílně, což je dáno rozdílným typem jeho receptorů (např. serotonin). Jako recyklizace synaptické membrány se označuje mechanismus její obměny, tj. výdej mediátoru do synaptické štěrbiny a jeho (nebo jeho metabolitů) zpětné vychytávání presynaptickou oblastí. Schéma nocicepce: CZ.1.07/2.2.00/

193 193 BOLEST Circulus vitiosus v působení mediátorů bolesti: Vysvětlivky: LT = leukotrieny, PG = prostaglandiny, CGRP = peptid odvozený od genu kalcitoninu Odpověď organismu na bolest odpovědí organismu na působení bolesti můžou být: únikové, obranné reakce (např. kousnutí, škrábnutí), zvukové projevy (vokalizace), znehybnění (imobilizace), pocení (hidróza, sudace), změny srdeční frekvence, srdeční akce a srdečního rytmu, změny frekvence, rytmu, hloubky, typu a symetrie dýchání, slinění (salivace), zvracení (emesis, vomitus), nechutenství, močení (mikce, urinace), kálení (defekace), deprese, poruchy vědomí, nespavost (insomnie), strnulost, rozšíření zornic (mydriáza), negativní energetická bilance (zvýšená spotřeba energie, snížený příjem potravy); změny funkcí a poruchy metabolismu můžou napomoci k rozvoji poškození. Z pohledu eliminace bolesti podléhá práce se zvířaty legislativě, a sice zákonu č. 255/2017 Sb., kterým se mění zákon 246/1992 Sb, na ochranu zvířat proti týrání, ve znění pozdějších předpisů (viz také Fyziologie I Praktická cvičení) UTRPENÍ Utrpení souvisí s prožíváním bolesti nebo s fyzickým postižením, obvykle má spojitost s prožitými negativními situacemi, je vyjádřením kategorie sociální bolesti; v závislosti na stupni poškození má i rozdílnou intenzitu;

194 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 194 u zvířat je projevem utrpení: osamělé chování, nechutenství, apatie nebo naopak nervozita, vyčlenění ze skupiny (u zvířat žijících ve skupinách), přičemž u zvířat ve volné přírodě roste v důsledku vyčlenění riziko ztráty života (neschopnost zajistit si potravu, snadná kořist predátora). CZ.1.07/2.2.00/

195 195 VĚDOMÍ 12. VĚDOMÍ Vědomí (notio) je schopnost organismu správně odpovídat na podněty, u člověka potom ještě schopnost uvědomovat si sám sebe a své okolí, jistou míru sebeuvědomování mají snad i šimpanzi, orangutani, delfíni a havranovití ptáci (přechod mezi vědomými a nevědomými ději je velice proměnlivý), vědomí závisí na funkčním stavu CNS, zejména retikulární formace a kůry mozkové, retikulární formace je odpovědná za bdělost (viz dále) a mozková kůra za sebeuvědomování; podle některých autorů vznik vědomí závisí na interakci neuronů v kůře mozkové, propojených biochemicky a kvantově do složitého systému, v tomto smyslu je podstatná komunikace mezi elektrony a ionty (Na +, K +, Ca 2+, Cl -, HCO 3 - ), na jedné straně produkovanými neurony a na druhé straně činnost neuronů ovlivňujícími; rozlišují se dva typy dějů vigilita a lucidita VIGILITA Vigilita (bdělost) vyjadřuje schopnost reagovat na podněty z prostředí, přičemž se vyznačuje vysokou senzitivitou a efektivní reaktivitou na vnější podněty, dvěma extrémními fyziologickými stavy jsou bdění a spánek (viz kap. II/11); vigilita vyžaduje součinnost retikulární formace v mezencefalu, talamu a mozkových hemisfér, nucleus reticularis v talamu inhibuje kůru mozkovou a spolu s vzestupným (ascendentním) retikulárním mezencefalickým aktivačním systémem má funkci vrátek, která umožňují buď stimulaci, nebo inhibici hemisféry, jako mediátory zřejmě působí acetylcholin, noradrenalin a serotonin; rozpojením mezencefalu, talamu a kůry mozkové vznikají kvantitativní poruchy vědomí: somnolence: nejnižší stupeň poruchy vědomí, reakce je pozitivní na opakované silné nebolestivé podněty, sopor: střední stupeň poruchy vědomí, reakce je pozitivní až na bolestivé podněty, synkopa: rychlá krátkodobá přechodná ztráta vědomí v důsledku hypoxie mozku, vzniká při sníženém srdečním výdeji, při sníženém odporu periferních cév (při vazodilataci) aj., reakce na bolestivé podněty chybí, vznik synkopy u člověka na emoční podnět:

196 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 196 kóma: nejtěžší stupeň poruchy vědomí, vzhled mrtvého, vegetativní funkce (činnost srdce, dýchání) jsou zachované nebo narušené, kóma povrchní: některé reflexy (korneální aj.) zachované, reakce je pozitivní až na silné bolestivé podněty, kóma hluboké: nevybavení reflexů, reakce na silné bolestivé podněty chybí, poruchy vegetativních funkcí; příčiny poruch vědomí: endogenní: primární poruchy činnosti CNS, selhání srdce, selhání ledvin s uremií (hromadění toxických produktů metabolismu proteinů s negativním dopadem na činnost řady orgánů, včetně mozku, a vnitřního prostředí), funkční nedostatečnost jater, diabetes mellitus, těžké acidózy, stimulace nervu vagu, exogenní: otravy, traumata; mechanismus vzniku: noxa indukuje: snížení obsahu kyslíku a glukózy ve tkáních, poruchu mediátorů (neurotransmiterů), poruchu iontových kanálů, etc., následkem je: porucha ascendentní retikulární formace porucha vědomí: CZ.1.07/2.2.00/

197 197 VĚDOMÍ LUCIDITA Lucidita (jasnost) vyjadřuje hloubku a obsah vigility, tzn. bez vigility lucidita není možná; pro luciditu je nezbytná souhra činnosti kůry mozkové a retikulární formace; luciditu (tj. schopnost uvědomění si sama sebe a stavu k okolí) u zvířat nelze objektivizovat.

198 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO METABOLISMUS CHARAKTERISTIKA Metabolismus představuje chemické a energetické přeměny v organismu, má dvě složky: (1) katabolismus, tj. štěpení větších molekul na menší, podstatou je: oxidace sacharidů, proteinů a tuků, což vede k uvolnění energie v malých, využitelných kvantech; (2) anabolismus, tj. vznik větších molekul z menších, podstatou je: uskladňování energie v makroergních fosfátech a také v nově syntetizovaných proteinech, tucích, glykogenu; chemické a energetické přeměny jsou základem metabolických (katabolických a anabolických) reakcí, metabolické reakce mají tedy funkce: přeměna látek z vnějšího prostředí (vody, kyslíku, živin) na látky vlastní organismu vytváření tkání, orgánů, vytváření makroergních vazeb a dalších zásobních forem energie zdroj energie pro práci, přeměna chemické energie na jinou formu energie uskutečnění práce, regulace metabolických reakcí (jejich rychlosti a směru) závisí na: koncentraci reagujících látek (zejména poměru koncentrace substrátu a konečného produktu), koncentrace substrátu je řízena: - jeho nabídkou z extracelulárního kompartmentu, - vlivy na vstup (input) do buňky a výstup (output) z buňky, - produkčními reakcemi v buňce (tvorba substrátu), - konzumpčními reakcemi v buňce (spotřeba substrátu), růst koncentrace konečného produktu zvyšuje rychlost do dosažení její maximální hodnoty určované saturací enzymu a zajišťuje průběh reakce jedním směrem, katalyzátorech (množství a aktivitě enzymů), množství enzymu je ovlivňováno úrovní jeho syntézy a jeho odbourávání, přičemž větší množství enzymu umožňuje zpracovat více substrátu (je více aktivních míst pro určitou reakci), aktivita enzymu je ovlivňována - změnou jeho prostorové struktury (alosterickou regulací), tzn. změnou aktivního centra enzymu s tím, že se na určité místo naváže látka aktivující nebo inhibující daný enzym, - fosforylací, tzn. vnesením fosfátové skupiny do molekuly enzymu za katalýzy proteinkinázami, - nebo defosforylací, tzn. odstraněním fosfátové skupiny, kompetici s jiným (náhradním) substrátem, tzn. soutěžením o aktivní místo enzymu mezi původním substrátem a náhradním substrátem; metabolické reakce na sebe navazují a vytvářejí metabolické pochody/dráhy (viz dále), regulace metabolických pochodů závisí na: limitující reakci, tj. nejpomalejší reakcí v důsledku malého množství nebo nízké aktivity enzymu, inhibici aktivity limitujícího enzymu konečným produktem (obvykle jednoduchou zpětnou vazbou); CZ.1.07/2.2.00/

199 199 METABOLISMUS faktory ovlivňující úroveň metabolismu: bazální metabolismus (bazální metabolický výdej) je dán úrovní energie nutné (vydané) pro funkce životně důležitých orgánů a systémů (nervového, kardiovaskulárního, respiračního, uropoetického, reprodukčního a dále jater) v klidových podmínkách (klid fyzický i emoční), v prostředí termoneutrality a při lačnění (v postabsorpčním stavu h po nasycení pro monogastry, 32 a více hodin pro polygastry), Hodnoty bazálního metabolismu korelují spíše s velikostí povrchu těla (m 2 ) a výší metabolické aktivní hmotnosti (kg 75 ) než s živou hmotností (viz kap. I/9), např. 10kilogramový pes má povrch těla cca 0,5 m 2, metabolickou aktivní hmotnost cca 5,5 kg 75 a úroveň bazálního metabolismu cca kj/den, 10 těžší prase má povrch těla cca 2,5 m 2, metabolickou aktivní hmotnost cca 31,5 kg 75 a bazální metabolismus cca kj/den a 100 těžší býk má povrch těla 10 m 2, metabolicky aktivní hmotu cca 178 kg 75 a bazální metabolismus cca kj. faktory ovlivňující úroveň bazálního metabolismu:

200 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 200 hormonální regulace (viz také kap. II/10): CZ.1.07/2.2.00/

201 201 METABOLISMUS metabolismus je zvyšován také příjmem krmiva, což je dáno specifickým dynamickým účinkem krmiva, specifický dynamický účinek krmiva je výdej energie nutné pro přeměny živin v těle, metabolismus je také pod vlivem zevní teploty, je-li nižší než teplota těla, dojde k aktivaci mechanismů termogeneze (viz kap. I/9), úroveň metabolismu je vyšší u samců, dále u zvířat mladých (zejména v období růstu), během gravidity, úroveň je závislá na výši laktace, vyšší je v záchvatech agrese aj METABOLISMUS KONEČNÝCH PRODUKTŮ TRÁVENÍ SACHARIDŮ, PROTEINŮ A TUKŮ Metabolické dráhy pro konečné produkty trávení a absorpci hlavních živin (sacharidů, proteinů a tuků) zahrnuje intermediární metabolismus, mimořádné postavení v intermediárním metabolismu mají játra (metabolizují se v nich všechny živiny); Živiny (nutrienty) se člení na makronutrienty (sacharidy, proteiny a tuky) a mikronutrienty (minerální látky a vitaminy). Některými autory jsou z mikronutrientů vyčleňovány jako samostatná skupina stopové prvky (měď, zinek, železo, kobalt, selen aj.). metabolické dráhy jsou: katabolické (oxidace uvolnění energie ve formě vysokoenergetických fosfátů nebo redukčních ekvivalentů elektronů (např. oxidativní fosforylace, mitochondriální dýchací řetězec), anabolické (syntéza látek, např. proteinů), amfibolické (spojky mezi anabolickými a katabolickými drahami, např. citrátový cyklus), příklady hlavních metabolických drah v orgánech:

202 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 202 Orgán/tkáň/buňky mozek srdce erytrocyty játra ledviny svaly tuková tkáň Metabolická dráha (zjednodušeně) glykolýza citrátový cyklus metabolismus aminokyselin syntéza neurotransmiterů β-oxidace citrátový cyklus neoxidativní glykolýza pentózový cyklus glykolýza glukoneogeneze lipogeneze citrátový cyklus β-oxidace ketogeneze syntéza plazmatických proteinů syntéza žlučových kyselin syntéza močoviny syntéza kyseliny močové syntéza cholesterolu metabolismus lipoproteinů glukoneogeneze glykolýza β-oxidace citrátový cyklus lipogeneze syntéza triacylglycerolů lipolýza konečnými produkty trávení sacharidů, proteinů a tuků ve střevě jsou glukóza, aminokyseliny, event. malé peptidy, a mastné kyseliny, resp. triacylglyceroly: glukóza je konečný produkt trávení sacharidů (viz kap. II/3), je fyziologicky nejdůležitějším sacharidem, představuje hlavní zdroj energie pro savce, s výjimkou přežvýkavců, u plodů jde o jediný zdroj energie, představuje prekurzor pro syntézu dalších fyziologicky významných sacharidů glykogenu (zásobního polysacharidu u živočichů), ribózy a deoxyribózy (v nukleových kyselinách), galaktózy (v mléčném cukru laktóze), glykoproteinů (např. sérového albuminu), proteoglykanů (např. kyseliny hyaluronové v pojivové tkáni), glykolipidů (v buněčných membránách jako receptory či antigeny, např. krevní skupiny), metabolismus: CZ.1.07/2.2.00/

203 203 METABOLISMUS Vysvětlivky: TAG = triacylglyceroly, ATP = adenozintrifosfát glukóza v buňkách je fosforylována na glukóza-6-fosfát, fosforylace je katalyzována hexokinázou, fosforylace v játrech je katalyzována i glukokinázou, (ta je pro glukózu specifičtější, její aktivitu zvyšuje inzulin, ale hladovění její aktivitu snižuje), glukóza-6-fosfát je konvertován na glykogen, což se označuje glykogeneze, nebo je štěpen přes meziprodukty na pyruvát a/nebo laktát, což se označuje glykolýza (glykolýzu aktivuje inzulin, inhibuje glukagon), laktát je postupně v játrech přes oxalacetát konvertován až na glukózu, proces tvorby glukózy z nesacharidových zdrojů, kromě laktátu ještě např. z pyruvátu, glycerolu, alaninu, glutaminu a jiných glukogenních aminokyselin, u přežvýkavců z propionátu, se označuje glukoneogeneze (probíhá v játrech, při dlouhodobém deficitu živin i v ledvinách):

204 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 204 pyruvát prostřednictvím přenašeče pyruvátu vstupuje do mitochondrií, kde je oxidativně dekarboxylován komplexem enzymů (označovaným pyruvátdehydrogenáza) na acetyl- CoA, acetyl-coa je metabolizován v citrátovém cyklu (Krebsově cyklu, cyklu triakarboxylových kyselin) na CO 2, vodu a až 38 molů ATP (neoxidativně vznikají jen 2 moly ATP): Vysvětlivky: NADH/NAD + = nikotinamidadenindinukleotid red/ox, GTP = guanozintrifosfát, FADH 2 = flavinadenindinukleotid redukovaný meziprodukty citrátového cyklu jsou stavebními kameny pro další biosyntézy: oxalacetát glukoneogeneze, oxalacetát aminokyseliny, sukcinyl-coa porfyriny; cestou acetyl-coa může být glukóza ireverzibilně přeměněna na triacylglyceroly, metabolismus glukózy je regulován zejména hormonálně: inzulinem, adrenalinem, glukagonem (viz kap. II/10), aminokyseliny představují spolu s malými peptidy konečný produkt trávení proteinů (viz kap. II/3), CZ.1.07/2.2.00/

205 205 METABOLISMUS metabolismus: Vysvětlivky: AK = aminokyseliny většina NH 4 +, který vznikl deaminací aminokyselin v játrech, se přetváří na močovinu (ureosyntetický cyklus, močovinový, ornitinový cyklus), nejprve vzniká karbamoylfosfát (z NH 4 +, CO 2 za účasti ATP a H 2 O) ten předá v mitochondriích svoji karbamoylovou skupinu na NH 2 -skupinu ornitinu vzniká citrulin, který vystupuje z mitochondrií do cytosolu kondenzací citrulinu s aspartátem vzniká argininsukcinát ten se štěpí na arginin a fumarát arginin se štěpí na ureu a ornitin ornitin z cytosolu vstupuje opět do mitochondrií a zahajuje tak nový cyklus (viz také kap. II/4), v krevní plazmě zaujímá z celkové koncentrace aminokyselin největší podíl glutamin (je hlavní transportní formou amoniaku) a potom alanin,

206 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 206 triacylglyceroly jsou estery glycerolu a mastných kyselin, jsou resyntetizovány z mastných kyselin a monoacylglycerolů v enterocytu (viz kap. II/3), metabolismus: Vysvětlivky: TAG = triacylglyceroly, LPS = lipáza, MAG = monoacylglyceroly, MK = mastné kyseliny, ATP = adenozintrifosfát lipolýzu (štěpení zásobních lipidů) katalyzuje lipoproteinová lipáza (syn. hormon-senzitivní lipáza, neboť její aktivitu zvyšují hormony inzulin, tyroxin), procesy skladování a štěpení triacylglycerolů v tukové tkáni jsou pod vlivem proteinu perilipinu, ten umožňuje v adipocytech tvorbu lipidových kapének a inhibuje lipolýzu tím, že blokuje přístup lipáz k zásobám triacylglycerolů, triacylglyceroly jsou velkým zdrojem energie, oxidací 1 g TAG se získá asi 38 kj, z 1 g sacharidů nebo 1 g proteinů pouze 17 kj. Dříve než jsou zoxidovány v citrátovém cyklu, jsou takřka všechny produkty trávení hlavních živin metabolizovány na společný metabolit a tím je acetyl-coa ENERGETICKÝ METABOLISMUS Energie vzniká v živočišném organismu spolu s CO 2 a H 2 O oxidací sacharidů, proteinů a tuků, oxidace těchto látek se řadí mezi katabolické děje; CZ.1.07/2.2.00/

207 207 METABOLISMUS vzniklá energie se uskladňuje v řadě nových sloučenin makroergních fosfátech (ATP), polysacharidech, proteinech a tucích: Vysvětlivky: ATP = adenozintrifosfát, ADP = adenozindifosfát tvorba těchto nových látek patří do dějů anabolických, ATP vzniká: (1) fosforylací substrátů, syntéza ATP z ADP a anorganického fosfátu jedná se o: - přeměnu fosfoenolpyruvátu na pyruvát a přeměnu 1,3-bisfosfoglycerátu na 3- fosfoglycerát, (obě reakce jsou součástí glykolýzy), - přeměnu sukcinyl-coa na sukcinát (reakce je součástí citrátového cyklu), (2) oxidativní fosforylací v mitochondriích, oxidativní fosforylace: Vysvětlivky: MK = mastné kyseliny, AK = aminokyseliny, ATP = adenozintrifosfát, ADP = adenozindifosfát tvorba ATP závisí na přísunu O 2, ADP, glukózy, laktátu a mastných kyselin do mitochondrií, ATP se spotřebovává na proteosyntézu, glukoneogenezi, činnost ATPáz, syntézu močoviny

208 PŘEHLED FYZIOLOGIE I PRO VFU BRNO 208 aj.; Aerobní způsob života (oxybióza) je nezbytnou podmínkou existence vyšších organismů. Obecně je kyslík v buňkách zužitkován v mitochondriích, kde funguje jako konečný oxidant v dýchacím řetězci za vzniku vody (O 2 + 4e p+ 2 H 2 O) v těsné vazbě na oxidativní fosforylaci, která umožňuje získat z potravy více energie v podobě ATP. Kyslík v podobě reaktivních forem kyslíku (ROS, reactive oxygen species) může představovat pro organismus určité nebezpečí. Zesílený efekt ROS (v důsledku zvýšené produkce či snížené antioxidační obrany) na organismus se označuje oxidační stres (viz kap. I/7.2). je-li v rovnováze tvorba energie a její výdej, označuje se takový stav vyrovnaná energetická bilance: stav, kdy převažuje v organismu tvorba energie, se označuje pozitivní energetická bilance: pozitivní energetická bilance, tj. nadbytek přívodu a tvorby energie ve vztahu k výdeji energie je základní příčinou obezity (viz dále), syndromu ztučnění krav aj.; stav, kdy převažuje výdej energie nad její tvorbou, se označuje negativní energetická bilance: CZ.1.07/2.2.00/

209 209 METABOLISMUS negativní energetická bilance, tj. deficit přívodu a tvorby energie ve vztahu k výdeji energie (při vysoké produkci mléka) je základní příčinou vzniku a rozvoje ketózy dojnic (viz dále), která patří do komplexu produkčních nemocí potravinových zvířat, a jejím dominantním projevem je nadměrná tvorba ketolátek (acetonu, acetoacetátu a β-hydroxybutyrátu), nebo lipomobilizačního syndromu krav, který vzniká krátce po porodu, pokud je v důsledku nástupu vysoké produkce mléka deficit energie a ta se uhrazuje nadměrnou lýzou tukové tkáně; výdej energie se projevuje jako práce (výkonnost, užitkovost zvířete), tvorba tepla a zásobních forem energie: práce: vnitřní: svalový stah, srdeční stah, dechová práce, aktivní transport látek, vnější: pohyb, tvorba tepla (termogeneze), příjmem krmiva indukovaná termogeneze (postprandiální) vzniká v důsledku aktivace sympato-adrenomedulárního systému a cestou účinku inzulinu; energie uvolněná při katabolismu látek slouží k: udržení základních funkcí organismu, tj. úrovně bazálního energetického metabolismu (cca 50 % výdeje energie), trávení a vstřebávání živin (cca 10 % výdeje energie), termoregulaci, tvorbě zásob energie, udržení výkonnosti a užitkovosti (cca 30 % výdeje energie), zvyšování výkonnosti a užitkovosti stupňuje nároky na energii;