Název projektu Rozvoj vzdělávání na Slezské univerzitě v Opavě Registrační číslo projektu CZ.02.2.69/0.0./0.0/16_015/0002400 Zvýšení kvality vzdělávání na Slezské univerzitě v Opavě ve vazbě na potřeby Moravskoslezského kraj Fyziologie I Distanční studijní text Iveta Bryjová Opava 2022 Obor: 05 – Přírodní vědy, matematika a statistika 051 Biologické a příbuzné vědy 0511 Biologie 0512 Biochemie 09 – Zdravotní a sociální péče, péče o příznivé životní podmínky 0912 Humánní medicína 0914 Lékařská diagnostika a léčebné techniky Library of Congress Classification Outline 1. Class Q – Science Subclass QP – Physiology – QP1-(981) Physiology – QP1-345 General 2. Class R – Medicine Subclass R – Medicine (General) – R5-920 Medicine (General); R5-130.5 General works Subclass RC Internal Medicine – RC31-1245 Internal medicine Subclass RJ Pediatrics – RJ125-145 Physiology of children and adolescents Subclass RT Nursing RT1-120 Nursing; RT89-120 Specialties in nursing Klíčová slova: Fyziologie, buňka, buněčné organely, buněčné membrány, tělní tekutiny, extracelulární a intracelulární tekutiny, krev, hematopoéza, respirace, ventilace plic, mechanika dýchání, statické objemy plic, statické kapacity, dynamické plicní objemy, trávení, trávicí trakt, vylučování, neurofyziologie, neuron, neuroglie, senzorické funkce, motorické funkce, hybnost člověka, endokrinní systém, hormon, endokrinologie, homeostáza, štítná žláza, pankreas, GIT, funkce GIT, hormony GIT, gastrin, žaludeční sekrece, žaludek žlučník, tračník, vyprazdňování. Anotace: Distanční studijní text Fyziologie I je určen jako podpůrný studijní materiál pro obory všeobecná sestra, porodní asistence, pediatrické ošetřovatelství a dentální hygiena. Studijní text je určen studentům jak prezenční, tak kombinované formy studia. Hlavním cílem je podat základní úvod do problematiky fyziologie buňky, tělních tekutin, respirace, trávení a vylučování, neurofyziologie, fyziologie svalstva a hybnosti člověka a endokrinologie. S ohledem na rozsáhlost a značnou hloubku probírané látky, kterou nelze pojmout na přednáškách a cvičeních, se doporučuje především samostudium s pomocí jak této studijní opory, tak doporučené literatury v ní uvedené. Text zahrnuje pouze prvních sedm kapitol, které kopírují sylabus předmětu. Autor: Ing. Iveta Bryjová Iveta Bryjová – Fyziologie I 3 Obsah ÚVODEM............................................................................................................................6 RYCHLÝ NÁHLED STUDIJNÍ OPORY...........................................................................7 1 FÁZE ONTOGENETICKÉHO VÝVOJE ČLOVĚKA. FUNKCE BUŇKY. TĚLNÍ TEKUTINY. HOMEOSTÁZA............................................................................................8 1.1 Ontogenetický vývoj člověka – ontogeneze a fylogeneze ....................................9 1.2 Fáze ontogeneze ....................................................................................................9 1.3 Vývojové zákony.................................................................................................12 1.4 Buňka – základní projevy živé hmoty.................................................................13 1.5 Fyziologie buňky.................................................................................................14 1.5.1 Funkční morfologie buňky...........................................................................15 1.6 Transport přes buněčnou membránu – obecné principy .....................................34 1.6.1 Propustnost membrány (permeabilita) a membránové transportní proteiny35 1.7 Tělní tekutiny ......................................................................................................40 1.7.1 Měření objemu tělních tekutin.....................................................................41 1.8 Homeostáza.........................................................................................................43 2 INTEGRAČNÍ FUNKCE CNS, SMYSLOVÉ FUNKCE.........................................49 2.1 Úvod do centrální nervové soustavy...................................................................50 2.2 Nervové buňky – nervová tkáň ...........................................................................52 2.2.1 Neuroglie......................................................................................................52 2.2.2 Nervové buňky – morfologie.......................................................................53 2.3 Metabolizmus nervové tkáně ..............................................................................58 2.4 Excitace a vedení – membrána neuronu..............................................................59 2.4.1 Klidový membránový potenciál...................................................................59 2.4.2 Akční potenciál ............................................................................................60 2.4.3 Vedení vzruchu ............................................................................................63 2.5 Neuroglie.............................................................................................................67 2.5.1 Neuroglie v CNS..........................................................................................67 2.5.2 Neuroglie v PNS ..........................................................................................67 2.6 Smyslové funkce .................................................................................................67 2.6.1 Vnímání vlastního těla.................................................................................69 3 HYBNOST ČLOVĚKA A JEJÍ ŘÍZENÍ...................................................................79 Iveta Bryjová – Fyziologie I 4 3.1 Úvod....................................................................................................................80 3.1.1 Obecné principy...........................................................................................80 3.1.2 Řízení hybného systému ..............................................................................82 4 FUNKCE ŽLÁZ S VNITŘNÍ SEKRECÍ, ZÁKLADNÍ ÚČINKY HORMONŮ.....89 4.1 Základní pojmy ...................................................................................................89 4.2 Duhy hormonů a jejich účinky............................................................................90 4.2.1 Dělení hormonů ...........................................................................................91 4.2.2 Endokrinní systém .......................................................................................93 4.2.3 Hypotalamo-hypofyzární systém.................................................................94 4.2.4 Metabolismus sacharidů, hormony pankreatu .............................................95 4.2.5 Hormony štítné žlázy...................................................................................96 4.3 Biosyntéza steroidních hormonů.......................................................................101 4.4 Hormony kůry nadledvin – glukokortikoidy.....................................................101 5 KREV, LYMFA. KARDIOVASKULÁRNÍ FUNKCE, KREVNÍ KAPILÁRY, FUNKCE A ŘÍZENÍ........................................................................................................107 5.1 Tělní tekutiny – extracelulární a intracelulární tekutina ...................................108 5.2 Krev...................................................................................................................109 5.2.1 Hematopoéza – tvorba krve .......................................................................110 5.2.2 Erytrocyty ..................................................................................................113 5.2.3 Hemoglobin................................................................................................114 5.2.4 Leukocyty ..................................................................................................115 5.2.5 Trombocyty................................................................................................119 5.2.6 Krevní plazma............................................................................................119 5.2.7 Hemostáza..................................................................................................120 5.2.8 Vyšetření hemostázy..................................................................................122 5.2.9 Lymfa.........................................................................................................123 6 VENTILAČNÍ A RESPIRAČNÍ FUNKCE............................................................127 6.1 Anatomie plic – dýchací cesty ..........................................................................128 6.1.1 Plicní oběh .................................................................................................129 6.1.2 Mechanika dýchání ....................................................................................130 6.1.3 Funkční vyšetření plic................................................................................130 7 FUNKCE GASTROINTESTINÁLNÍHO TRAKTU (GIT)....................................136 7.1 Trávení a vstřebávání, imunitní systém trávicího traktu...................................140 7.2 Gastrointestinální hormony...............................................................................143 Iveta Bryjová – Fyziologie I 5 7.2.1 Gastrin........................................................................................................144 7.2.2 Cholecystokinin-pankreozymin .................................................................144 7.2.3 Sekretin ......................................................................................................145 7.2.4 GIP – žaludeční inhibiční polypeptid ........................................................145 7.2.5 VIP – vazoaktivní intestinální peptid.........................................................145 7.2.6 Motilin........................................................................................................146 7.2.7 Další gastrointestinální hormony...............................................................146 7.3 Ústní dutina a jícen............................................................................................146 7.3.1 Žvýkání, slinné žlázy, sliny a iontové složení slin.....................................147 7.3.2 Řízení sekrece slin .....................................................................................148 7.3.3 Polykání .....................................................................................................148 7.3.4 Dolní jícnový svěrač, motorické poruchy jícnu.........................................149 7.3.5 Aerofagie a střevní plyny...........................................................................150 7.4 Žaludek, žaludeční sekrece ...............................................................................150 7.4.1 Žaludeční a střevní fáze .............................................................................151 7.5 Exokrinní část pankreatu...................................................................................152 7.6 Játra a žlučová systém.......................................................................................154 7.6.1 Anatomie a funkce jater.............................................................................154 7.7 Žlučník ..............................................................................................................156 7.7.1 Žluč, řízení sekrece žluči ...........................................................................156 7.7.2 Metabolismus bilirubinu a žloutenka.........................................................157 7.7.3 Jiné látky vylučované žlučí........................................................................158 7.8 Tenké střevo ......................................................................................................158 7.9 Tračník ..............................................................................................................159 7.9.1 Motilita a sekreční činnost tračníku...........................................................160 7.9.2 Resorpce tračníku.......................................................................................160 7.9.3 Stolice a střevní bakterie............................................................................161 7.9.4 Defekace ....................................................................................................162 LITERATURA ................................................................................................................177 SHRNUTÍ STUDIJNÍ OPORY.......................................................................................181 Iveta Bryjová – Fyziologie I 6 ÚVODEM Tato studijní opora je určena (nejen)studentům Ústavu nelékařských zdravotnických studií. Především je určena studentům oboru Všeobecná sestra, Pediatrické ošetřovatelství, Porodní asistence a Dentální hygiena. Stejně tak z něj mohou čerpat i studenti ostatních prezenčních a kombinovaných forem studia různých (nejen)lékařských oborů. Studijní opora je koncipována jako podpůrný studijní materiál, který slouží k prohloubení znalostí funkční vědy zkoumající a vysvětlující činnost organizmu – fyziologie. Fyziologie je obor lékařské vědy, který je neobyčejně rozsáhlý a obsáhlý. Proto nebylo mnohdy možné redukovat text pouze na nezbytné minimum. Etymologie slova fyziologie pochází z řeckého slova physis (= příroda) a logia (= nauka). Tento termín poprvé použil francouzský lékař Jean François Fernel v polovině 16. století pro studium funkce těla. Fernel také jako první pospal páteřní kanál, navrhl, že chuťové pohárky jsou citlivé na tuk, což je myšlenka, jejíž správnost prokázal výzkum na počátku 21. století. Dnes je fyziologie definována v nejobecnějším smyslu jako přírodovědný obor, který se zabývá studiem funkcí živých organizmů. Úkolem fyziologie je poznat a pochopit podstatu těchto dějů, objasnit jejich příčiny a vzájemné souvislosti mezi nimi. Fyziologie se v průběhu svého vývoje specializovala na celou řadu dílčích odvětví, nicméně pro potřeby studia na Ústavu nelékařských zdravotnických studií Slezské univerzity v Opavě se podržíme pouze fyziologií člověka, tedy lékařské fyziologii, která je zaměřená k potřebám medicíny. Fyziologie nám umožňuje pochopit biochemické, fyzikální a biologické principy jednotlivých dějů v živém organizmu. Fyziologii lze zařadit mezi interdisciplinární obory, jelikož stanovit hranici například mezi biochemii, molekulární biologií, genetikou, imunologií či biofyzikou je téměř nemožné. Vzhledem k omezenému časovému prostoru vyučovacího bloku a obsáhlosti předmětu se studenti seznámí s vybranou problematikou pouze okrajově. Zevrubný výklad naleznou v doporučené literatuře na konci každé kapitoly. Ve studijní opoře jsou používány tyto piktogramy distančních prvků: Čas potřebný ke studiu Cíle kapitoly Klíčová slova Shrnutí Průvodce studiem Rychlý náhled Iveta Bryjová – Fyziologie I 7 RYCHLÝ NÁHLED STUDIJNÍ OPORY První díl studijní opory Fyziologie I přináší pohled do problematiky prvních sedmi témat sylabu: 1. Fáze ontogenetického vývoje člověka. Funkce buňky. Tělní tekutiny. Ho- meostáza. 2. Integrační funkce CNS, smyslové funkce. 3. Hybnost člověka a její řízení. 4. Funkce žláz s vnitřní sekrecí, základní účinky hormonů. 5. Krev, lymfa. Kardiovaskulární funkce, krevní kapiláry, funkce a řízení. 6. Ventilační a respirační funkce. 7. Funkce gastrointestinálního traktu (GIT). V první kapitole Fáze ontogenetického vývoje člověka. Funkce buňky. Tělní tekutiny. Homeostáza jsou probrány základní aspekty ontogenetického a fylogenetického vývoje člověka, rozsáhlejší část potom zahrnuje obecný a buněčný základ lékařské fyziologie od funkční morfologie buňky přes intracelulární komunikaci a transportní mechanismy buněčnými membránami, až po detailní popis jednotlivých buněčných organel. Druhá kapitola Integrační funkce CNS, smyslové funkce popisuje funkci centrálního nervového systému (soustavy), periferní nervové soustavy a autonomní (vegetativní) nervové soustavy. Je zde popsána skladba nervové tkáně a nervové buňky, včetně morfologie a jejich klasifikace dle počtu výběžků, metabolismus nervové tkáně, přenos vzruchu na membránách buněk – klidová akční membránový potenciál, akční potenciál a jeho fáze, synapse a typy synapsí; smyslové funkce a druhy receptorů (termoreceptory, fotoreceptory …). Třetí kapitola Hybnost člověka a její řízení popisuje motoriku a schopnost řídit příčně pruhované svaly, což je jednou ze základních funkcí centrální nervové soustavy spočívající ve vykonávání pohybů, udržování postoje a koordinaci. Dále jsou zde popsány reflexy (napínací, šlachový, flexorový, zkřížený extenzorový) a řízení axiálních a distálních svalů, řízení hybného systému, motorický systém, motoneuron, bazální ganglia a jejich neurotransmitery, funkce mozečku, volní a mimovolní motorika. Čtvrtá kapitola je pouhým stručným přehledem rozsáhlé problematiky. Následující kapitola vysvětluje funkci žláz s vnitřní sekrecí a popisuje základní účinky hormonů. V páté kapitole jsou popsány tělní tekutiny, jejich složení, tvorba krve a jednotlivé krevní elementy. Předposlední kapitola je věnována respiraci člověka, popisuje ventilační a respirační funkce. V poslední, obsáhlé kapitole je blíže vysvětlena funkce gastrointestinálního traktu (trávicího) od procesu trávení až po hormonální řízení. Fáze ontogenetického vývoje člověka. Funkce buňky. Tělní tekutiny. Homeostáza. 8 1 FÁZE ONTOGENETICKÉHO VÝVOJE ČLOVĚKA. FUNKCE BUŇKY. TĚLNÍ TEKUTINY. HOMEOSTÁZA. RYCHLÝ NÁHLED KAPITOLY V kapitole jsou vysvětleny základní pojmy týkající se ontogenetického vývoje člověka, jsou probrány vývojové zákony (Von Baerův zákon a Haeckelův biogenetický zákon. Další rozsáhlejší část je věnována obecnému a buněčnému základu lékařské fyziologie (funkční morfologii buňky, transportním mechanizmům přes membrány buněk, intracelulární komunikaci), je vysvětlen pojem homeostáza a tělní tekutiny. CÍLE KAPITOLY  Nastudovat obecné a buněčné základy lékařské fyziologie  Vysvětlit pojmy ontogeneze a fylogeneze  Vyjmenovat fáze ontogenetického vývoje člověka  Definovat vývojové zákony  Popsat eukaryotickou buňku  Porozumět jednotlivým buněčným organelám  Vysvětlit funkce buněčných organel  Popsat transportní mechanizmy přes buněčné membrány  Popsat složení tělních tekutin  Definovat pojem homeostáza KLÍČOVÁ SLOVA KAPITOLY Ontogenetický vývoj, ontogeneze, fylogeneze, prenatální vývoj, zárodečné období, plodové období; vývojové zákony, Von Baerův zákon, Haeckelův biogenetický zákon; buňka, fyziologie buňky, morfologie buňky, aktivní transport, pasivní transport, iontové kanály, exocytóza, endocytóza, dufúze; tělní tekutiny, intersticiální, krevní plazma, intracelulární; homeostáza. Iveta Bryjová – Fyziologie I 9 1.1 Ontogenetický vývoj člověka – ontogeneze a fylogeneze Tato sekce byla zpracována převážně z elektronických zdrojů [1–4]. Pojem ontogeneze zahrnuje individuální původ a vývoj jedince/organizmu od vzniku zárodku (spojení pohlavních buněk) až do jeho zániku (smrt jedince/organizmu). Pojem fylogeneze (fylogenetický vývoj) zahrnuje vývoj druhů organizmů v historickém sledu. Tento proces většinou nelze pozorovat přímo, ale rekonstrukcí na základě evoluční teorie (evoluční biologie1 ). Fylogeneze v obecném kontextu znamená vývoj od jednodušších organizmů ke složitějším – např. u člověka2 vývoj od primitivních primátů po Homo sapiens sapiens. K ZAPAMATOVÁNÍ ONTOGENEZE (INDIVIDUÁLNÍ VÝVOJ) JE GENETICKY PROGRAMOVANÝ A CYKLICKÝ. FYLOGENEZE (HISTORICKÝ VÝVOJ, EVOLUCE) JE PROCES NAHODILÝ. ONTOGENEZE A FYLOGENEZE SE NAVZÁJEM PODMIŇUJÍ. 1.2 Fáze ontogeneze Proces ontogenetického vývoje zahrnuje vývojové etapy od oplození vajíčka spermií, porod, přes vývoj jedince až k jeho smrti. Ontogenetický vývoj rozdělujeme na vývoj prenatální, perinatální a postnatální. VÝVOJ PRENATÁLNÍ Vývoj prenatální (nitroděložní) začíná oplozením vajíčka spermií a končí porodem. Délka prenatálního vývoje trvá u člověka přibližně 266 dnů = 38 týdnů (tj. koncepční/gestační stáří). V klinické praxi se délka gravidity počítá od prvního dne poslední menstruace; v tomto případě je délka gravidity (a prenatálního vývoje rovněž) 280 dnů = 40 týdnů3 (tj. menstruační stáří) = 10 lunárních měsíců. Všechny vývojové fáze ontogeneze jsou přehledně uvedeny – viz (SmartArt 1). 1 Biologická evoluce je proces, v jehož průběhu se rozvíjí a diverzifikuje pozemský život. 2 V rámci rodu Homo, čeledi Hominidae a řádu Primates. 3 Pokud se dítě narodí po zahájení třicátého osmého týdne, případně do ukončení čtyřicátého druhého týdne gravidity, je těhotenství stále považováno za fyziologické. Fáze ontogenetického vývoje člověka. Funkce buňky. Tělní tekutiny. Homeostáza. 10 Prenatální vývoj zahrnuje fázi germinální, embryonální a fetální. Germinální (germinační) je prvním obdobím ontogenetického vývoje v průběhu kterého vzniká ze zygoty4 embryo5 (blastogeneze, preembryo). Zárodečný vývoj zahrnuje dvě části: rýhování vajíčka (blastogeneze) a diferenciaci buněk embrya (organogeneze6 ). Způsob rýhování vajíčka závisí na množství žloutku a rýhování od zygoty se realizuje v tomto pořadí: morula (mnohobuněčný útvar, za cca 60 hodin, Obrázek 2) → blastula (blastocysta – viz Obrázek 3, vzniká rozestupováním buněk uvnitř moruly, 96–120 hodin) → gastrula (vzniká vrůstáním povrchových buněk blastuly; vznikají tři vrstvy buněk – zárodečné listy: vnější ektoderm, vnitřní entoderm, střední mezoderm) → neurula (vznik nervové soustavy). SmartArt 1 Vývojové fáze ontogeneze Obrázek 1 K zárodečnému vývoji: Během cesty vejcovodem se zygota rýhuje (dělí), prochází stadiem moruly a nakonec se z ní stává blastocysta. Blastocysta po opuštění vejcovodu putuje do dělohy, kde se zahnízdí (nidace) do děložní sliznice [6]. 4 Zygota je buňka, vznikající splynutím dvou gamet (pohlavní buňka s haploidní sadou chromozomů). Zygota stojí na začátku ontogenetického vývoje nového jedince. 5 Časná vývojová fáze jedince. Obecně začíná období embrya oplozením a končí (u člověka) na konci 8. týdne těhotenství. V další části těhotenství se vývojové stádium označuje jako plod. 6 Vznik základů jednotlivých orgánů u lidského zárodku a plodu; organogeneze končí přibližně ve 12. týdnu, spolu s ní končí embryogeneze a začíná fetální vývoj. Dělení ontogeneze Prenatální Germinální fáze Embryonální fáze Fetální fáze Perinatální Předporodní fáze Porodní fáze Novorozenecká fáze Postnatální Růstová a vývojová fáze Fáze dospělosti– stárnutí Iveta Bryjová – Fyziologie I 11 Embryonální období je klíčovou fázi ontogeneze. V tomto vývojovém stadiu (2–8 týdnů po oplození) dochází k množení a diferenciaci buněk a formování orgánů a orgánových soustav. Fetální období (mezi 9. a 26. týdnem gravidity) je charakterizováno růstem a vyzráváním orgánů a jejich zapojením do funkce. Dokončuje se morfologický i funkční vývoj plodu a jeho orgánů až do stadia relativní životaschopnosti. Anatomicky a funkčně dozrávají jednotlivé orgány: játra, žlázy trávicího ústrojí, mazové žlázy kůže a žlázky sliznic zahájí sekreční činnost. Plod je již méně citlivý k působení rušivých vlivů. Obrázek 2 Morula obsahující osm buněk. Zdroj [Autor: ekem, Courtesy: RWJMS IVF Program, Volné dílo, https://commons.wikimedia.org/w/in- dex.php?curid=487773]. Obrázek 3 Blastocysta před uhnízděním. Zdroj [CC BY-SA 3.0, https://com- mons.wikimedia.org/w/index.php?curid=1841189]. VÝVOJ PERINATÁLNÍ Perinatální vývoj zahrnuje fázi předporodní, porodní a novorozeneckou. Definice perinatálního období dle Světové zdravotnické organizace (WHO): „The perinatal period commences at 22 completed weeks (154 days) of gestation and ends seven completed days after birth. Perinatal and maternal health are closely linked”. Perinatální období tedy začíná dokončeným 22. týdnem těhotenství (tj. 154. dnem od prvního dne poslední menstruace) a končí 7. dnem po porodu. Fáze ontogenetického vývoje člověka. Funkce buňky. Tělní tekutiny. Homeostáza. 12 VÝVOJ POSTNATÁLNÍ Etapy vývoje člověka po narození, tj. postnatální období lze rozdělit na růst a vývoj, dospělost a stárnutí. Celé toto období lze rozdělit do několika období, jejichž vzájemné hranice nejsou zcela přesně vymezeny. Jde o produktivní a nejdelší část vývoje jedince a obvykle se dělí do třinácti stádií (viz Tabulka 1). Tabulka 1 Fáze postnatálního vývoje člověka [5]. Novorozenecké období 0–28 dnů Kojenecké období 29 dnů – 1 rok Batolecí období 1–3 roky Předškolní věk 3–6 let Mladší školní věk 6–12 let Starší školní věk 12–15 let Dorostové období 15–18 let Dospělost 18–30 let Zralost 30–45 let Střední věk 45–60 let Stáří 60–75 let Vysoké stáří nad 75 let Kmetský věk 90 let – smrt 1.3 Vývojové zákony V první polovině 19. století došlo k mohutnému vývoji jednotlivých biologických věd. Zásadní vliv na další vývoj biologie měly buněčná a evoluční teorie. Ve druhé polovině 19. století biologické vědy doznaly největšího rozmachu. Za klíčovou událost tohoto období lze bezesporu považovat evoluční teorii Charlese Darwina. V obou těchto – pro biologii – významných obdobích bylo formulováno několik zákonů. Bez nároku na úplnost zde uvádíme, s ohledem na kontext probírané látky, zákony dva: Von Baerův a Haeckelův biogenetický zákon. Iveta Bryjová – Fyziologie I 13 VON BAERŮV ZÁKON Roku 1848 formuloval Karl Ernst von Baer7 1792–1876 zákon vývoje od homogenního k heterogennímu: „Znaky vyskytující se u vyšší systematické skupiny se obvykle objeví ve vývinu dříve než znaky nižší skupiny.” Baerovy zákony fylotypového stádia obratlovců:  Obecné znaky velké skupiny živočichů se v embryu v průběhu ontogeneze objevují dříve než ty specializované.  Méně obecné znaky se vyvíjejí ze znaků obecnějších (znaky obecné ze znaků ještě obecnějších v dřívějším vývoji), přičemž znaky velmi speciální se tvoří až ke konci embryogeneze.  Embrya odlišných druhů se v průběhu individuálního vývoje postupně od sebe stále více odlišují.  Časná embrya evolučně vyšších živočišných druhů procházejí stadii, kdy jsou podobná embryím, ne však dospělcům nižších organismů (zárodečná podobnost embryí). HAECKELŮV BIOGENETICKÝ ZÁKON Ernst Haeckel (1834–1919), formuloval roku 1866 základní biogenetický zákon o podobnosti živočišných zárodků: „Ontogeneze rekapituluje fylogenezu“. Podle tohoto biologického zákona každý organizmus v průběhu svého individuálního vývoje (ontogeneze) opakuje určité projevy a vlastnosti těch forem, které prošli jeho předkové v průběhu evoluce (fylogeneze). Omezení biogenetického zákona se vztahuje zejména na dospělé znaky předků, které jsou jen výjimečně časnými vývojovými stádii evolučních následovníků; dále na adaptaci ve vývoji, která se odráží ve výsledných fenotypech; a ne všechny nové znaky vznikají prostřednictvím terminální adice [2]. 1.4 Buňka – základní projevy živé hmoty Buňka je základní morfologickou a funkční jednotkou většiny živých organizmů (jednobuněčných a mnohobuněčných). Na buněčné úrovni je realizována většina životních funkcí, tj. buňka je schopná vykonávat všechny základní životní funkce (má všechny projevy živé hmoty). 7 Karl Ernst von Baer – jeden ze zakladatelů embryologie, objevil v Graafově folikulu savčí vajíčko a popsal jeho vývoj, i strunu hřbetní. Popsal formování orgánových soustav ze tří zárodečných listů (v roce 1845 je Robert Remark pojmenoval jako entoderm, mezoderm a ektoderm). Fáze ontogenetického vývoje člověka. Funkce buňky. Tělní tekutiny. Homeostáza. 14 Mezi základní projevy živé hmoty (života) patří charakteristické znaky společné pro všechny organismy:  Chemické složení: bílkoviny, nukleové kyseliny, sacharidy.  Chemické procesy: základní metabolismus má stejný průběh (skládání a rozkládání látek).  Dynamika, neustálé proměny a výměna látek, energie a informací s prostředím.  Reakce na podněty z vnějšího prostředí a přizpůsobení se.  Rozmnožování (reprodukce), vede k zachování rodu a druhu na základě dědič- nosti.  Dědičnost.  Růst (neplatí obecně).  Evoluce (vývoj), živé soustavy se neustále dlouhodobě přizpůsobují měnícím se podmínkám.  Buňka je základní stavební a funkční jednotkou (výjimku tvoří nebuněčné orga- nismy). Velikost buněk lidského těla je velmi rozmanitá – největší buňkou je vajíčko (~0,15 mm = 150 μm), nejmenší např. erytrocyt (~0,007 mm = 7 μm) či spermie (~0,005 mm = 5 μm). Buňky mají rozmanité tvary, nejpřirozenější je tvar kulovitý, jiné mohou být ploché, krychlové, válcovité, hvězdicovité, diskovité, měňavkovité a další. K ZAPAMATOVÁNÍ LIDSKÝ ORGANIZMUS OBSAHUJE ~30x1012 BUNĚK8. BUŇKA JE NEJMENŠÍ USPOŘÁDANÁ OTEVŘENÁ DYNAMICKÁ SOUSTAVA SCHOPNÁ SAMOSTATNÉHO ŽIVOTA. MYŠLENKU ZÁKLADNÍ A FUNKČNÍ JEDNOTKY ORGANIZMU VYSLOVIL JAKO PRVNÍ J. E. PURKYNĚ V ROCE 1837. 1.5 Fyziologie buňky Sekce 1.5, 1.5.1 a 1.7 byly zpracovány převážně z literárního zdroje [7]. Buňka je základní stavební a funkční jednotka všech organismů. Hovoříme o tzv. buněčném principu organizace živých systémů. To znamená, že všechna těla jsou vždy sestavena z buněk a všechny děje organismu se odehrávají díky buňkám. Buňka je membránou ohraničená jednotka naplněná koncentrovaným vodným roztokem chemických sloučenin 8 V kontinentální Evropě bychom číslo 30x1012 nazvali 30 bilionů, avšak v anglicky mluvicích oblastech světa je užíváno pojmenování 30 trilionů. Bližší poučení o pojmenování velkých čísel lze najít pod heslem „long and short scale“ na internetu. Iveta Bryjová – Fyziologie I 15 schopná vytvářet kopie sama sebe. Podle složitosti rozlišujeme dva typy buněk – prokary- otické9 (bakterie) a eukaryotické10 . Somatické buňky mnohobuněčných živočichů jsou obklopeny extracelulární tekutinou (ECT11 ) a jsou ohraničené tělesným povrchem. Z extracelulární tekutiny si buňky odebírají O2 a výživu a zpět do ní vylučují odpadní produkty metabolismu. 1.5.1 FUNKČNÍ MORFOLOGIE BUŇKY Na povrchu je každá buňka obalena buněčnou membránou, uvnitř se nachází cytoplazma. V cytoplazmě jsou uloženy speciální struktury, tzv. buněčné organely (tj. endoplazmatické retikulum, Golgiho aparát, mitochondrie, centrozomy, lyzosom), z nichž nejdůležitější roli má buněčné jádro. Vnitřní organizace buňky je zajišťována a udržována cytoskeletem – tzv. vnitřní buněčná kostra. V různých orgánech jsou buňky vysoce specializovány a o žádné buňce nelze říci, že je univerzální pro všechny buňky těla. Ve většině buněk se však vyskytují tytéž buněčné struktury/organely viz Obrázek 4 (a), (b). Obrázek 4 (a) Schéma hypotetické buňky a jednotlivých organel. Upraveno podle [9]. 9 Z řeckého „pro-karyon“ = prvotní (tj. velmi nedokonalé) jádro. 10 Z řeckého „eu-karyon“ = „pravé jádro“ (dobře ohraničené od svého okolí). 11 ECT je mnohem zředěnější, než současné mořské prostředí, ale její složení je velmi podobné původním oceánům, ve kterých život pravděpodobně vznikl. A Drsné endoplazmatické retikulum B Ribozomy C Glykogenová granula D Vezikul (transportní/membránový váček) E Chromatin F Jadérko G Jaderný obal H Centrozomy I Golgiho aparát J Vakuoly (lyzozomy, fagocytární a autofágní vakuoly K Hladké endoplazmatické retikulum L Jaderný komplex pórů M Nukleoplazma/Jádro N Cytosol (cytoplasma) P Buněčná membrána Proc. A Endocytóza Proc. B Exocytóza Fáze ontogenetického vývoje člověka. Funkce buňky. Tělní tekutiny. Homeostáza. 16 Obrázek 5 (b) Schéma hypotetické buňky a jednotlivých organel. K ZAPAMATOVÁNÍ PODSTATU TZV. PRAVÉ BUŇKY TVOŘÍ BUNĚČNÁ HMOTA (PROTOPLAZMA), KTERÁ JE VŽDY ROZLIŠENA NA DVĚ ČÁSTI – JADERNOU HMOTU (KARYOPLAZMA) A VLASTNÍ BUNĚČNOU HMOTU (CYTOPLAZMA). KARYOPLAZMA TVOŘÍ BUNĚČNÉ JÁDRO. V CYTOPLAZMĚ JSOU ULOŽENY ORGANELY (ENDOPLAZMATICKÉ RETIKULUM, GOLGIHO KOMPLEX, MITOCHONDRIE, CENTROZOMY, LYZOSOMY). BUNĚČNÁ MEMBRÁNA Na povrchu většiny buněk je plazmatická membrána. Z hlediska funkce je buněčná membrána (plazmatická membrána) významnou částí buňky a má zásadní význam pro život buňky. Plazmatická membrána obklopuje buňku, je tvořena lipidy (tuky), proteiny (bílkoviny) a v menší míře i molekulami sacharidů ve formě glykoproteinů a glykolipidů. Je polopropustná (propouští pouze některé molekuly nebo ionty) a její propustnost se může měnit díky zabudovaným iontovým kanálům a různým transportním proteinům. Membránou podobného typu je obklopeno i buněčné jádro a buněčné organely (některé organely jsou membránou přímo tvořeny). Průměrná tloušťka buněčných membrán je ~7 nm a všechny mají mnoho společných rysů, byť se jejich chemická struktura i vlastnosti liší v závislosti na jejím umístění v buňce. Hlavními složkami membrán, jak už bylo výše zmíněno, jsou proteiny a lipidy. Z lipidů Iveta Bryjová – Fyziologie I 17 jsou v membránách nejvíce zastoupeny fosfolipidy (fosfatidylcholin a fosfatidylethanolamin). Molekula fosfolipidu svým tvarem připomíná kolíček na prádlo (viz Obrázek 6). Hydrofobní, vodu odpuzující části tukových molekul jsou k sobě přivráceny a tvoří dvojvrstvu, zatímco hydrofilní, vodu přitahující části jsou přivráceny k vodnímu mezibuněčnému prostředí. V lipidové vrstvě jsou uloženy bílkoviny, z nichž některé prostupují celou membránou, takže slouží jako póry (kanály). Membrány eukaryotických buněk jsou poměrně složité struktury (na rozdíl od jednodušších prokaryotických buněk) a obsahují různé glykosfingolipidy, sfingomyelin a cholesterol. Součástí membrán jsou také různé proteiny, které jsou do membrány buď zanořené jako samostatné globulární jednotky – integrální proteiny, nebo jsou do membrány začleněny z vnitřní či z vnější strany – periferní proteiny. Množství proteinů v membráně je závislé na její funkci. Průměrně membrána obsahuje 50 % proteinů. Na jednu molekulu bílkoviny připadá asi 50 molekul fosfolipidů, které jsou mnohem menší. Obrázek 6 Molekula fosfolipidu. Přední část molekuly „hydrofilní hlavička“ obsahuje převážně ve vodě relativně rozpustné fosfáty (polární, nesou náboj, hydrofilní). Zadní část je relativně nerozpustná (nepolární, nemají náboj, hydrofobní). Hydrofilní skupiny směřují v membráně do vodního prostředí (ven z buňky nebo dovnitř cytoplazmy), hydrofobní směřují dovnitř membrány. Membránové proteiny mají mnoho různých funkcí. Buněčné adhezívní molekuly připoutávají buňky k buňkám sousedním nebo bazálním membránám. Proteiny, které mají funkce pumpy, aktivně transportují ionty přes buněčnou membránu. Jiné proteiny fungují jako nosiče a transportují látky po jejich elektrochemickém gradientu pomocí difúze. Další proteiny membrány tvoří iontové kanály, které po aktivaci umožňují přechod iontů do nebo z buňky. Proteiny dalších skupin tvoří receptory pro vazbu neurotransmiterů a hormonů a spouštějí takto fyziologické změny v buňce. Proteiny jiných skupin mají také funkci enzymů a katalyzují reakce na povrchu membrány. Většinu buněk obklopuje tenká chmýřitá vrstva a společně s fibrilami tvoří bazální membránu (membrána basalis), respektive bazální vrstvu (basal lamina). Basální mem- Fáze ontogenetického vývoje člověka. Funkce buňky. Tělní tekutiny. Homeostáza. 18 brána je souhrnné označení pro lamina basalis a lamina fibroreticularis (Obrázek 8). Bazální membrána (extracelulární matrix) je složena z mnoha typů proteinů, které udržují buňky pohromadě, regulují jejich vývoj a určují jejich růst. K ZAPAMATOVÁNÍ POJEM BAZÁLNÍ LAMINA JE ČASTO MYLNĚ ZAMĚŇOVÁNA S POJMEM BAZÁLNÍ MEMBRÁNA. BASÁLNÍ MEMBRÁNA JE SOUHRNNÉ OZNAČENÍ PRO LAMINA BASALIS A LAMINA FIBRORETICULARIS (BAZÁLNÍ MEMBRÁNA = LAMINA BASALIS + LAMINA RETICULARIS). Bazální lamina (lamina basalis) je vrstvička extracelulárního materiálu tvořící selektivní bariéru, tj. odděluje epitelovou tkáň od pojivové. Lze ji pozorovat pouze elektrono- vým12 mikroskopem (Obrázek 7). Tloušťka bazální laminy je 30–100 nm. Pokud dojde k narušení této selektivní bariéry, dochází k invazi epitelových buněk do tkáně vazivové (u karcinomů) nebo naopak (při rozrůstání cév). Obrázek 7 Bazální lamina (lamina basalis13) v elektronovém mikroskopu. Skládá se ze střední, elektronově husté, lamina densa o tloušťce 20–100 nm a dvou povrchových elektronově světlých vrstev, označovaných laminae rarae externa et interna. Zdroj [Robert M. Hunt, Public domain, via Wikimedia Commons]. Obrázek 8 Bazální lamina je produkt epitelových buněk, lamina fibroreticularis je produkt fibroblastů ve vazivu pod epitelem [11]. 12 Ve světelném mikroskopu nevidíme bazální laminu, ale bazální membránu. 13 Lamina basalis se kromě epitelové tkáně vyskytuje i u jiných buněk, které mají úzké vztahy k vazivu; jsou to např. endotelové buňky v krevních vlásečnicích, buňky hladké svalové tkáně, svalová vlákna kosterní tkáně svalové, adipocyty nebo Schwannovy buňky [10]. Iveta Bryjová – Fyziologie I 19 MITOCHONDRIE Nejznámější funkcí buněčných organel – mitochondrií – je produkce energie v procesu mitochondriálního dýchání (oxidativní fosforylace). Struktura mitochondrií se mezi jednotlivými buňkami liší, ale každá má v podstatě protáhlý válcovitý tvar (Obrázek 9). Mitochondrie je složena z dvojité membrány (obaluje mitochondrii) a vnitřní hmoty (podobná cytoplazmě, obsahuje i svou vlastní DNA a ribozomy). Mitochondrie se ve velkém počtu nachází téměř ve všech buňkách mnohobuněčných organismů (u lidí vyjma červených krvinek). Hlavní funkce mitochondrií je produkce energie ve formě vysokoenergetických molekul ATP (adenosintrifosfát) a slouží jako „palivo“ pro všechny buňky. Proto jsou také nejpočetnější a nejlépe vyvinuté v těch částech buňky, kde se odehrávají děje vyžadující energii. Mitochondrie mají bakteriální původ a také vlastní „bakteriální” DNA14 , kterou dědíme výhradně po matce (mitochondriální DNA se do zygoty dostává z vajíčka, spermie se nepodílejí). Každá buňka v lidském těle obsahuje několik set až několik tisíc mitochondrií [12]. Obrázek 9 Mitochondrie v elektronovém mikroskopu. K ZAPAMATOVÁNÍ MITOCHONDRIE MAJÍ FUNKCI „CHEMICKÉ TOVÁRNY“ A „ELEKTRÁRNY“ BUŇKY – SPALOVÁNÍM ŽIVIN KYSLÍKEM (TZV. BUNĚČNÉ DÝCHÁNÍ) V NICH DOCHÁZÍ K TVORBĚ ENERGIE, JEŽ JE NUTNÝM PŘEDPOKLADEM ŽIVOTA A PŘEŽITÍ JAKÉHOKOLIV ŽIVÉHO ORGANIZMU. 14 Je téměř jisté, že mitochondrie byly kdysi nezávislé mikroorganismy, které se dostaly do předchůdců eukaryotických buněk (pravděpodobně někdy před 2 miliardami let) a vyvinuly s nimi symbiotický vztah. Svědčí pro to skutečnost, že mitochondrie mají svůj vlastní genom. Fáze ontogenetického vývoje člověka. Funkce buňky. Tělní tekutiny. Homeostáza. 20 Obrázek 10 Idealizované schematické znázornění stavby typické mitochondrie živočichů [13]. Mitochondrie je tvořena dvěma typy membrán – vnější a vnitřní (schematické znázornění stavby typické mitochondrie živočichů viz Obrázek 10). Vnitřní membrána je zřasena do záhybů (kristy). Prostor mezi vnější a vnitřní membránou se nazývá jako intrakristální prostor. Prostor mezi vnitřními membránami se nazývá matrix. V mitochondriálním matrix vznikají v rámci složitého biochemického procesu (citrátový cyklus) vstupní produkty pro výrobu ATP v dýchacím řetězci (ETC – elektronový transportní řetězec15 ), který se nachází na vnitřní membráně mitochondrie. Vnější mitochondriální membrána je hustě pokrytá enzymy, které se zapojují do biologických oxidací. Sloučeniny, které jejich činností vzniknou, jsou dále zpracovávány uvnitř mitochondrie. Vnitřní prostor vyplňují enzymy vázané na vnitřní mitochondriální membránu, které přeměňují produkty metabolismu sacharidů, proteinů a tuků na CO2 a H20. Na vnitřní membráně mitochondrie jsou zapojeny čtyři komplexní enzymy (NADH dehydrogenáza, sukcinátdehydrogenáza, cytochrom bc1 a cytochromoxidáza viz 15 ) které se účastní oxidativní fosforylace. Během těchto reakcí jsou vodíkové protony H+ pumpovány z matrix do intrakristálního prostoru, čímž se vytváří protonový gradient. Protony zpět difundují podél gradientu a tím řídí syntézu ATP za účasti enzymu ATP syntázy. ATP (adenozintrifosfát) je trifosfát bohatý na energii a je hlavním zdrojem energie pro klíčové metabolické procesy. Spojení oxidace s tvorbou ATP se v živočišných mitochondriích nazývá oxidativní fosforylace [7, 12]. LYZOSOMY Lyzosomy se nacházejí v cytoplasmě buněk. Jsou to velké a poněkud nepravidelné útvary obklopené membránou. Prostředí uvnitř těchto organel je kyselejší než v okolní cy- 15 Princip fungování elektronového transportního řetězce můžeme představit tak, že součástí vnitřní membrány mitochondrií jsou z proteinů vytvořené čtyři druhy komplexů (enzymy) fungující jako protonové „pumpy”. Tyto pumpy, které jsou „poháněny” proudem elektronů, „pumpují” protony z matrixu do prostoru mezi vnější a vnitřní membránou mitochondrie. Vzniká tak elektrochemické napětí, které pohání ATP syntázy, jakési proteinové turbíny, které rotují a tím spojují adenosindifosfát s další molekulou fosfátu a vytváří tím ATP. V každé mitochondrii jsou tisíce ETC [12]. Iveta Bryjová – Fyziologie I 21 toplazmě a mohou obsahovat fragmenty jiných buněčných struktur. Některá granula leukocytů, granulocytů jsou lyzosomy. Každý lyzosom obsahuje řadu různých enzymů (kyselá fosfatáza, proteáza, lipáza, … viz Tabulka 2) a kdyby nebyly odděleny od okolního buněčného prostředí lyzosomální membránou, zničily by většinu ostatních buněčných struktur. Lyzosomy jsou jakýsi buněčný trávicí systém (odbourává odpadní látky). Pohlcené cizorodé částice (např. bakterie) buňka uzavře do vakuoly (fagocytární vakuola) vytvořené buněčnou membránou. Fagocytární vakuola může splynout a obsah obou útvarů se smísí a obalí společnou membránou. Do lyzosomů se dostávají také opotřebované buněčné části – autofágní vakuoly. Při apoptóze (buněčné smrti) lyzosomální enzymy autolyticky rozloží zbytek buněčných složek16 . Kromě katabolických mechanismů mají další důležité funkce (transportní, např. mukolipin, NPC1 protein, sekretorní funkce atd.). Rozlišujeme primární lyzosomy s enzymy, které vznikají z Golgiho aparátu tak, že jejich enzymy jsou syntetizovány v endoplazmatickém retikulu, poté jsou dopraveny do Golgiho aparátu, kde se modifikují a konečně z nich vznikají samotné primární lyzosomy (Obrázek 11). Sekundární lyzosomy, vznikající spojením primárního lyzosomu a fagozomu, jsou větší než primární a můžeme je rozdělit na autolyzosomy a heterolyzosomy. Autolyzossomy likvidují části organel v buňce. Heterolyzosomy (heterofagozomy) likvidují fagocytující části. Terciální lyzosomy obsahují nestravitelné zbytky [14]. Obrázek 11 Obrázek znázorňující princip vzniku lysozomů [15]. Mezi poruchy lyzosomálního systému patří geneticky podmíněné defekty v důsledku poruchy funkce enzymového nebo nekatalytického proteinu zajišťujícího funkčnost lyzosomálního systému. Důsledkem je stagnace hydrolytických pochodů a vznik substrátových deposit v lyzosomech a porucha jejich funkcí. Je známo více než 40 různých lyzosomálních 16 Je známo, že např. při dně fagocyty pohlcují krystalky kyseliny močové a jejich pohlcení spustí proces uvolnění lyzosomálních enzymů, které pak přispívají ke kloubní zánětlivé reakci. Fáze ontogenetického vývoje člověka. Funkce buňky. Tělní tekutiny. Homeostáza. 22 nemocí, které mají závažné (většinou fatální) zdravotní následky. Přenos je autosomálně recesivní, ve dvou případech gonosomálně recesivní (Fabryho choroba a MPS II – Hunter) s incidencí v ČR 1:8 500, ve světě všeobecně 1:7–8000. Tabulka 2 Některé enzymy vyskytující se v lyzosomech a buněčné složky, které slouží jako jejich substráty [7]. Enzym Substrát Ribonukleáza RNA Deoxyribonukleáza DNA Fosfatáza Fosfátové estery Glykosidázy Složené sacharidy: glykosidy a polysacharidy Arylsulfatázy Sulfátové estery Kolagenáza Proteiny Kathepsidy Proteiny K ZAPAMATOVÁNÍ LYZOSOMY ZAJIŠŤUJÍ LIKVIDACI BUNĚČNÝCH SOUČÁSTÍ. ROZKLÁDAJÍ BUNĚČNÉ ORGANELY, KTERÉ ZESTÁRLY NEBO JSOU URČENY K „LIKVIDACI“ – ROZKLÁDAJÍ CIZORODÉ ORGANICKÉ LÁTKY, NAPŘ. BAKTERIE A TÍM CHRÁNÍ BUŇKU PŘED NAPADENÍM (ENZYMY Z LYZOSOMŮ MOHOU V PŘÍPADĚ PORUŠENÍ STĚNY LYZOSOMU, NAPŘ. PŘI OTRAVĚ JEDY, ZÁŘENÍ, SMRTI BUŇKY ROZLOŽIT VLASTNÍ BUNĚČNÉ ORGANICKÉ LÁTKY A ZPŮSOBIT POŠKOZENÍ BUŇKY – REGULACE PROGRAMOVANÉ BUNĚČNÉ SMRTI). LYZOSOMY OBSAHUJÍ HYDROLYTICKÉ ENZYMY, KTERÉ ŠTĚPÍ ORGANICKÉ LÁTKY, ZEJMÉNA PŘIJATÉ ENDOCYTÓZOU. PEROXISOMY Peroxisomy jsou součástí mikrosomální frakce buněk. Jsou to malé (jejich průměr je 0,5 μm), membránou obalené organely tvořené v endoplazmatickém retikulu (Obrázek 12). Tato membrána obsahuje řadu specifických peroxisomálních proteinů a jejich úlohou je oboustranný transport látek do matrix peroxisomů. V matrix peroxisomů se nachází více Iveta Bryjová – Fyziologie I 23 než 40 enzymů, které spolupracují s enzymy mimo peroxisom a katalyzují celou řadu anabolických a katabolických reakcí. Mají za úkol chránit buňky proti kyslíkovým radikálům a tvořit žlučové kyseliny. Hrají roli i v metabolismu lipidů (katabolismus mastných kyselin s velmi dlouhým řetězcem). Na rozdíl do lyzozomů se mohou množit dělením. Peroxisomy jsou stran lékařského hlediska středem zájmu, dojde-li totiž k mutaci jednoho z genů kódujících peroxisomový membránový transportér, vzniká v dětském věku smrtelná choroba adenodystrofie vázaná na chromozom X (je porušena β-oxidace mastných kyselin s velmi dlouhým řetězcem). Z dalších autosomálních mutací je to Zellwegerův syndrom (také letální v raném dětství). Obrázek 12 Peroxisom je váček ohraničený membránou. Obsahuje enzymy v jemně granulární matrix. V některých peroxisomech se nachází nukleoid (kristaloid). Peroxisom se podílí na detoxikačních pochodech v buňce. Upraveno podle [18]. K ZAPAMATOVÁNÍ PEROXISOMY JSOU EUKARYORYOTICKÉ BUNĚČNÉ ORGANELY OVÁLNÉHO TVARU OBALENÉ JEDNODUCHOU MEMBRÁNOU. PEROXISOMY NEOBSAHUJÍ DNA ANI RIBOSOMY A VŠECHNY PEROXISOMÁLNÍ PROTEINY JSOU KÓDOVÁNY V JÁDŘE. MEZI NEJČASTĚJŠÍ PEROXISOMÁLNÍ FUNKCE PATŘÍ BETAOXIDACE MASTNÝCH KYSELIN, DETOXIFIKACE REAKTIVNÍCH FOREM KYSLÍKU, METABOLISMUS PURINŮ A SYNTÉZA ÉTEROVÝCH LIPIDŮ. CYTOSKELET BUŇKY Všechny buňky mají cytoskelet, což je systém vláken, který udržuje strukturu buňky a umožňuje jí také měnit tvar a pohybovat se (Obrázek 14). Primárně cytoskelet tvoří mi- Fáze ontogenetického vývoje člověka. Funkce buňky. Tělní tekutiny. Homeostáza. 24 krotubuly, intermediární filamenta a mikrofilamenta spolu s proteiny, které je k sobě ukotvují a vážou (Obrázek 13). Tyto proteinové struktury plní v buňkách mnoho funkcí – např. jsou oporou buňky a účastní se buněčného dělení či transportu látek. Proteiny a organely se navíc pohybují podél mikrotubulů a mikrofilament z jedné části buňky do jiné a jsou poháněny molekulárními motory. Obrázek 13 Umělecké ztvárnění cytoskeletu (vlevo); cytoskelet se skládá z vláknitých mikrofilament, které jsou vyrobené z proteinů (uprostřed) a z mikrotubulů – malých tenkých dutých trubiček (vpravo). Upraveno podle [16]. Obrázek 14 Cytoskeletální síť Leydigovy17 buňky zobrazená pomocí několikanásobné imunofluorescence – mikrotubuly (modře), mikrofilamenta (červeně) a střední filamenta (zeleně) [17]. K ZAPAMATOVÁNÍ CYTOSKELET JE SYSTÉM RŮZNÝCH TYPŮ BÍLKOVINNÝCH VLÁKEN A TRUBIC, KTERÉ PROSTUPUJÍ CELOU BUŇKOU, VE KTERÉ VYTVÁŘEJÍ PROSTOROVOU SÍŤ, VE KTERÉ JSOU UKOTVENY JEDNOTLIVÉ ORGANELY. CYTOSKELET SE UPLATŇUJE PŘI BUNĚČNÉM DĚLENÍ, SLOUŽÍ 17 Leydigova buňka (intersticiální buňka) je typ vmezeřených buněk nacházejících se ve vazivových výplních mezi semenotvornými kanálky varlat. Iveta Bryjová – Fyziologie I 25 K TRANSPORTU RŮZNÝCH LÁTEK UVNITŘ BUŇKY. V NĚKTERÝCH BUŇKÁCH MÁ DALŠÍ SPECIFICKÉ FUNKCE, NAPŘ. VE SVALOVÝCH BUŇKÁCH ZAJIŠŤUJE KONTRAKCE. CENTROZOMY Centrozomy jsou umístěné poblíž jádra eukaryotických živočišných buněk. Je tvořen dvěma centriolami a obklopen amorfní pericentriolární substancí. Centrioly jsou párové organely válcovitého tvaru nacházející se poblíž jádra a jsou uspořádány tak, že spolu svírají pravý úhel (Obrázek 15). Mikrotubuly leží ve stěně centrioly ve skupinách podélně po třech vláknech a tvoří celkem devět tripletů pravidelně rozmístěných po celém obvodu (Obrázek 16). Centrozomy jsou centra organizující mikrotubuly (MTOC – Microtubule-Organizing Centres), jde o shluky γ-tubulinu a dalších bílkovin. Mikrotubuly jsou schopné se při buněčném dělení rozdělovat a tím, že se každá dvojice centrozomů pohybuje, umožňuje vytvořit dva póly mitotických vřetének tvořených mikrotubuly. V mnohojaderných buňkách je centrozom v blízkosti každého z jader. Obrázek 15 Centrozomy obsahují obvykle dvě centrioly. Pár centriol se nazývá diplosom. Centrioly jsou vůči sobě umístěny v pravém úhlu. Upraveno podle [18]. Fáze ontogenetického vývoje člověka. Funkce buňky. Tělní tekutiny. Homeostáza. 26 Obrázek 16 Každý centriol je tvořen devíti svazky mikrotubulů (po třech vláknech) a tvoří tak devět tripletů pravidelně rozmístěných po celém obvodu. Replikace probíhá tak, že k existující dvojici centriolů se vytvoří nejprve jeden procentriol, který je kolmý na oba centrioly, posléze další procentriol kolmý na první. Procentrioly namísto tripletů obsahují devět jednotlivých tubulů, které se teprve v dalším přemění v triplety a nakonec se dceřiná dvojice centriolů oddělí od mateřské. Upraveno podle [18]. K ZAPAMATOVÁNÍ BEZ PŘÍTOMNOSTI CENTROZOMU NENÍ MOŽNÉ JADERNÉ DĚLENÍ. FUNKCÍ CENTROZOMU JE ORGANIZOVÁNÍ MIKROTUBULŮ DO PROSTOROVÉ SÍTĚ. BĚHEM BUNĚČNÉHO DĚLENÍ ZAJIŠŤUJE NAVÁZÁNÍ CHROMOZOMŮ NA MIKROTUBULY. PO ROZDĚLENÍ JÁDRA ZAJIŠŤUJE POMOCÍ MIKROTUBULÁRNÍ SÍTĚ CYTOSKELETU ROVNOMĚRNOU DISTRIBUCI BUNĚČNÉHO MATERIÁLU DO DCEŘINÝCH BUNĚK. VÝZNAM CENTROZOMU JE ZÁSADNÍ TAKÉ V PROLIFERACI LIDSKÝCH BUNĚK. CILIE (ŘASINKY) Buňky mají různé typy výběžků. Pravé řasinky jsou pohyblivé výběžky poháněné dyneinem (skupinu proteinů pracujících jako molekulární motory18 ). Jsou používány jednobuněčnými organismy k pohybu ve vodě a u mnohobuněčných organismů slouží k pohybu hlenu a jiných látek na povrchu epitelu. Podobají se centriolám, neboť mají ve stěně také devět tubulárních struktur. Navíc ale mají ještě jeden tubulární pár uložený ve středu. V každé z devíti postranních tubulárních struktur jsou jen dva mikrotubuly. Každá řasinka je ukotvena ve struktuře, která se nazývá bazální granulum. Bazální granulum má také 18 Molekulární motory slouží k pohybu proteinů, organel a dalších buněčných částí po mikrotubulech a mikrofilamentech do všech buněčných oddílů. Molekulární motory jsou: mikrotubulární, kineziny, dyneiny, aktinové a myozinové. Iveta Bryjová – Fyziologie I 27 devět obvodových tripletů, podobně jako centriola. Bazální granula a centrioly jsou zamě- nitelná. Obrázek 17 Snímek respiračního epitelu z TEM (transmisní elektronový mikroskop). Buňky s čirou cytoplazmou19 mají na svém povrchu mnoho řasinek [19]. K ZAPAMATOVÁNÍ CILIE (ŘASINKY) JSOU POHYBLIVÉ VÝBĚŽKY NA POVRCHU NĚKTERÝCH EPITELOVÝCH BUNĚK, KTERÉ SE POD MIKROSKOPEM PODOBAJÍ ŘASÁM. NACHÁZEJÍ SE NAPŘÍKLAD V DÝCHYCÍCH CESTÁCH (POSOUVAJÍ HLEN PRYČ Z DÝCHYCÍCH CEST), NEBO VE VEJCOVODECH (POSOUVAJÍ VAJÍČKO SMĚREM DO DĚLOHY). CILIE SLOUŽÍ JAKO KOMINIKAČNÍ PROSTŘEDEK BUŇKY (PRIMÁRNÍ ŘASINKA JE KLÍČOVÁ PRO ODHALENÍ ZPŮSOBU BUNĚČNÉ KOMUNIKACE A BUNĚČNÉ SENZORIKY. ÚKOL K ZAMYŠLENÍ MŮŽE BÝT PRIMÁRNÍ ŘASINKA FAKTOREM, DÍKY NĚMUŽ BUDEME SCHOPNÍ PŘEDPOVÍDAT STAV POŠKOZENÍ BUŇKY (NAPŘ. POŠKOZENÍM IONIZUJÍCÍM ZÁŘENÍM)? ENDOPLAZMATICKÉ RETIKULUM Endoplazmatické retikulum je komplexní soubor tubulů a dutých lamel prostupujících hustě buněčnou cytoplasmu eukaryotických buněk. Stěny tubulů tvoří membrána. Pokud 19 Základní tekutá složka buňky, je tvořena směsí koloidních a krystaloidních roztoků anorganických a organických látek. Fáze ontogenetického vývoje člověka. Funkce buňky. Tělní tekutiny. Homeostáza. 28 jsou na cytoplazmatické straně této membrány navázány ribozomy, jde o tzv. drsné neboli granulární endoplazmatické retikulum. Pokud na membráně ribozomy chybí, jde o hladké neboli agranulární endoplazmatické retikulum. Ribozomy však můžeme v cytoplazmě najít také jako volné. Drsné (hrubé/granulární) endoplazamatické retikulum (Obrázek 19, Obrázek 20 – objekt 3) se podílí na syntéze proteinů (Obrázek 18) a na iniciálním skládání do polypeptidových řetězců disulfidovými můstky. Hladké (agranulární) endoplazamatické retikulum (Obrázek 20 – objekt 4) je v buňkách, které produkují steroidy místem syntézy steroidních hormonů. U jiných typů buněk slouží k detoxikačním procesům. Hladké endoplazmatické retikulum má jakožto sarkoplazmatické retikulum důležitou úlohu v buňkách kosterního a srdečního svalu. Obrázek 18 Endoplazmatické retikulum – schéma syntézy proteinů. RNA polymeráza je enzym, který katalyzuje syntézu RNA podle příslušné části řetězce DNA (vzácně podle jiné RNA). RNA polymeráza hraje klíčovou roli v procesu transkripce. Chaperony jsou proteiny, které udržují intracelulární homeostázu skládáním a stabilizací konformace jiných proteinů. Díky schopnosti chránit proteom před špatně složenými a agregovanými proteiny jsou chaperony nezbytné pro přežití buněk vystavených stresu. Kromě základní funkce v udržování buněčné homeostázy a ochraně před vnějšími stresovými faktory hrají některé molekulární chaperony důležitou roli i při transformaci nádorové buňky20. Upraveno podle [20, 21]. 20 Zvýšená hladina chaperonů byla detekována u mnoha solidních nádorů a hematopoetických malignit [21]. Iveta Bryjová – Fyziologie I 29 Obrázek 19 Vlevo: Hrubé endoplazmatické retikulum se nachází v blízkosti jádra. Vpravo: Podrobné schéma. Převzato z [22]. Obrázek 20 Hepatocyt v TEM (transmisní elektronový mikroskop): jádro (1), v cytoplazmě mitochondrie (2), drsné (3) i hladké (4) endoplazmatické retikulum. Žlučová kapilára (5) ohraničená spojovacím komplexem sousedních hepatocytů (šipka). Převzato z [23]. K ZAPAMATOVÁNÍ ENDOPLASMATICKÉ RETIKULUM JE KLÍČOVOU ORGANELOU V PROCESECH SPOJENÝCH S PROTEOSYNTÉZOU. ENDOPLAZMATICKÉ RETIKULUM JE SOUSTAVA VZÁJEMNĚ PROPOJENÝCH MINIATURNÍCH MEMBRÁNOVÝCH CISTEREN A KANÁLKŮ VĚTŠINY Fáze ontogenetického vývoje člověka. Funkce buňky. Tělní tekutiny. Homeostáza. 30 EUKARYOTNÍCH BUNĚK. NAPOJUJE SE NA BUNĚČNÉ JÁDRO A OBVYKLE I NA GOLGIHO APARÁT. ENDOPLAZMATICKÉ RETIKULUM ZVĚTŠUJE VNITŘNÍ POVRCH BUŇKY, COŽ MÁ VELKÝ VÝZNAM PRO METABOLICKÉ PROCESY. ROZLIŠUJEME ENDOPLAZMATICKÉ RETIKULUM DRSNÉ (NA VNĚJŠÍM POVRCHU JSOU PŘISEDLÉ RIBOZOMY) A HLADKÉ (BEZ RIBOZOMŮ). RIBOZOMY Ribozomy jsou komplexní struktury, obsahují mnoho různých proteinů a navíc tři typy ribosomální RNA, na kterých probíhá proteosyntéza. Ribozomy vázané na endoplazmatické retikulum syntetizují veškeré transmembránové proteiny. Je to majoritní část proteinů, které buňka vylučuje a také většina proteinů, které se ukládají do Golgiho systému, do lyzosomů a endozomů. Volné ribozomy syntetizují cytoplazmatické proteiny (hemoglobin a proteiny, které jsou uloženy v peroxisomech a mitochondriích). Obrázek 21 Velká ribozomální jednotka. Ribozom je ribonukleoprotein nacházející se ve vysokých počtech v cytoplazmě všech známých buněk, u eukaryot také na povrchu hrubého endoplazmatického retikula. Jejich funkcí je tvorba proteinů – bílkovin. Probíhá na nich tzv. translace, při níž je z řetězce RNA syntetizován polypeptid. Ribozom se ze dvou třetin skládá z ribonukleové kyseliny (konkrétně tzv. rRNA, tedy ribozomální RNA), jen z jedné třetiny pak z různých proteinů. Zdroj: [Autor: David S. Goodsell, CC BY 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?cu- rid=2837739]. K ZAPAMATOVÁNÍ FUNKCÍ RIBOZOMŮ JE PRODUKCE BÍLKOVIN – TOVÁRNA NA BÍLKOVINY (NEJDŮLEŽITĚJŠÍ STAVEBNÍ A FUNKČNÍ ORGANICKÉ LÁTKY ŽIVÉHO ORGANIZMU). RIBOZÓMY JSOU TVOŘENY PROTEINY A RIBOZOMÁLNÍMI Iveta Bryjová – Fyziologie I 31 RNA. V CYTOPLAZMĚ JSOU RIBOZÓMY VÁZANÉ BUĎ NA MEMBRÁNU DRSNÉHO ENDOPLAZMATICKÉHO RETIKULA, NEBO JSOU V NÍ VOLNĚ ROZ- PTÝLENY. GOLGIHO APARÁT (KOMPLEX) Golgiho aparát21 je soubor membránou uzavřených váčků (cisteren), které jsou na sobě přiloženy jako talíře (Obrázek 22). V každém aparátu je obvykle 4–8 váčků (může být i více, např. u některých prvoků až několik desítek). U všech eukaryotních buněk je jeden nebo více Golgiho aparátů a ty jsou obvykle umístěny poblíž jádra. Golgi funguje jako továrna na zpracování a rozesílání složitých molekul, jako jsou proteiny nebo lipidy. Je součástí takzvaného endomembránového systému buňky, ve kterém jsou do sebe zapojeny jednotlivé organely buňky jako továrny ve velkém továrním komplexu. Endomembránový systém kromě Golgiho zahrnuje ještě buněčné jádro, kde všechno začíná transkripcí DNA, endoplazmatické retikulum, kde se vyrábějí proteiny a také buněčnou membránu, přes kterou se některé produkty endomembránového systému dostávají do okolního světa [24]. Obrázek 22 Vlevo: Golgiho aparát je polarizovaná struktura, která má cis-stranu a trans-stranu. Vpravo: Golgiho aparát v elektronovém mikroskopu. Autor [Electron Microscope Lab, UC Berkeley]. Golgiho aparát je polarizovaná struktura, která má cis a trans strany/části (Obrázek 22 vlevo). Vezikuly, tvořené membránou, obsahují nově syntetizované proteiny, které se uvolňují z granulárního endoplazmatického retikula a sfúzovaly s cisternou v cis části aparátu. Poté putují proteiny dalšími vezikulami do středních cisteren a nakonec do cisterny v trans-části. Od trans-části se vezikuly oddělují do cytoplazmy. Z trans-části Golgiho komplexu jsou vezikuly přeneseny do lyzosomů a do prostoru mimo buňku. 21 Golgiho aparát vlastní většina eukaryotních buněk. Objeven v roce 1858 a pojmenovaný po svém objeviteli, italským lékaři Camillem Golgim. Camillo Golgi je mimo jiné také nositelem Nobelovy ceny za fyziologii a medicínu z roku 1906, kterou ale dostal za výzkum struktury nervového systému. Fáze ontogenetického vývoje člověka. Funkce buňky. Tělní tekutiny. Homeostáza. 32 K ZAPAMATOVÁNÍ HLAVNÍ FUNKCÍ GOLGIHO APARÁTU JE TRANSPORT LÁTEK, PŘEDEVŠÍM PROTEINŮ (I LIPIDŮ). GOLGIHO APARÁT SE DĚLÍ NA GOLGIHO OBLAST A NA TRANS GOLGIHO SÍŤ. V GOLGIHO OBLASTI SE JEŠTĚ ROZLIŠUJÍ 3 ROZDÍLNÉ ČÁSTI, OZNAČOVANÉ JAKO CIS (KONVEXNÍ), STŘEDNÍ A TRANS (KONKÁVNÍ). VŠECHNY TŘI ČÁSTI NA SEBE FUNKČNĚ NAVAZUJÍ. JÁDRO A na závěr se budeme věnovat popisu nejdůležitější a obvykle i největší buněčné organele – buněčnému jádru. Jádro (latinsky nukleus, řecky karyon) je základní stavebni složkou buňky, řídí a kontroluje činnost celé buňky. U člověka chybí jádro pouze v erytrocytech. Jádro obsahuje genetickou informaci (DNA uložené v chromozomech), jeho funkcí tedy řízení činnosti a rozmnožování buňky a předávání genetické informace. Tvar jádra, jeho velikost a také jeho pozice v buňce jsou závislé na druhu buňky. Kubické buňky mají obvykle jádro kulovité, cylindrické buňky mají jádro ovoidní, jádro svalových buněk může mít tvar vřetenovitý až tyčinkovitý apod. Jádro však není rigidním (neměnným) útvarem, ale prodělává dynamické změny. Ty souvisí s aktivitou buňky ve vztahu k buněčnému dělení [29]. Obrázek 23 Schématické znázornění buněčného jádra [30]. Iveta Bryjová – Fyziologie I 33 Buněčné jádro je tvořeno (Obrázek 23) jadérkem retikulárního typu (místo syntézy rRNAa tvorby ribozomových podjednotek), heterochromatinem22 , vnitřním a vnějším listem jaderného obalu, perinukleárním prostorem, jadernými póry, euchromatinem23 , cisternou endoplazmatického retikula a ribozomy. O detailní struktuře buněčného jádra pojednává následující odstavec. Struktura buněčného jádra Buněčné jádro se skládá z jaderné membrány a chromatinu. Jaderná membrána obaluje jádro a je dvojitá (vnější a vnitřní list), je perforovaná po celém povrchu (skrz póry dochází k toku látek mezi jádrem a cytoplazmou). Mezi dvěma vrstvami (listy) se nachází perinukleární prostor (spatium perinucleare). Perinukleární prostor je spojen s vnitřním prostorem endoplazmatického retikula. Toto uspořádání totiž umožňuje zajistit produkci potřebných sloučenin a makromolekul nutných pro výstavbu a činnost buňky. Chromatin je hmota vyplňující vnitřek jádra, je složen ze dvou typů organických látek (DNA a bílkoviny), které jsou vzájemně složitě uspořádány. Deoxyribonukleová kyselina (DNA) je organická látka tvořená velmi dlouhým a současně velmi tenkým vláknem, jehož jednotlivé dílčí úseky se nazývají geny. Bílkoviny se vážou na DNA a tvoří tak opornou strukturu. V klidovém stavu buňky je chromatin volně rozptýlen uvnitř jádra (geny na DNA jsou „otevřené“ a informace v nich ukrytá se může využít). Pokud se buňka dělí, chromatin se v jádře shlukuje, zahušťuje a geny v DNA se „uzavírají“ (nejsou schopné se projevovat navenek). Zahuštěný (kondenzovaný) chromatin tvoří útvary zvané chromozómy – vřetenovitá tělíska se dvěma raménky, kterých je v jádře vždy určitý počet. Soubor všech vzájemně odlišných chromozómů buněčného jádra se označuje jako chromozomální sada. Podle počtu těchto sad se buňky rozlišují na haploidní (v jádře mají pouze jednu sadu chromozómů, pohlavní buňky) a diploidní (párové, tzn., obsahují dvě sady chromozómů, všechny ostatní buňky lidského těla kromě pohlavních). Oba chromozómy jednoho páru jsou vždy stavebně a funkčně identické (obsahují stejnou dědičnou informaci), z toho jeden z každého páru pochází od otce a druhý od matky. Běžná lidská buňka obsahuje celkem 23 párů chromozómů (22 párů jsou somatické – autozómy; a jeden pár jsou pohlavní – gonozómy), celkem tedy se v každém buněčném jádře nachází 46. V buněčném jádru se nachází jadérko (nukleolus). Jadérko není na svém povrchu ohraničeno membránou. Jedná se tedy o zhuštěnou hmotu jádra, přičemž k zahuštění dochází z důvodů zvýšené interakce určitých látek. Lze rozlišit zrnitou (granulózní) část (pars granulosa) tvořenou kontrastními ribonukleoproteinovými granulami o průměru přibližně 15 nm, vláknitou (fibrózní) část (pars fibrosa) tvořenou ribonukleovými fibrilami o tloušťce asi 3–5 nm a vláknitým chromatinem (pars chromosoma). Kolem každého jadérka se nachází různě široká zóna tzv. perinukleárního chromatinu. Jadérko spolu s tímto perinukleárním chromatinem se někdy označuje jako nukleolární aparát. Jadérko obsahuje velké množství ribozomální RNA (rRNA; cca 2–5 %), která v něm přímo vzniká. V buňce 22 Heterochromatin – tmavé shluky chromatinu jsou metabolicky neaktivní a odpovídají dehydratovaným a do spirály stočeným úsekům chromozómů. 23 Euchromatin – rozpletené a hydratované úseky chromozómů se nebarví a nejsou v jádře viditelné. Na těchto rozpletených částech chromozómů dochází k přepisu genetické informace a probíhá zde intenzívní syntéza RNA. Fáze ontogenetického vývoje člověka. Funkce buňky. Tělní tekutiny. Homeostáza. 34 se může nacházet různý počet jadérek. Jejich počet, velikost a struktura je závislá na aktuální metabolické aktivitě buňky. Nejsou trvalými útvary, protože při mitóze mizí a objevují se znovu u dceřiných buněk v telofázi (poslední fáze dělení buňky). Jedná se o světlolomná tělíska, která lze pozorovat i ve světelném mikroskopu. [29]. Chromozómy jsou patrné pouze ve fázi mitózy (přesný proces jaderného dělení, který zajistí, že každá ze dvou dceřiných buněk získá kompletní sadu chromozomů identickou s rodičovskou buňkou). V mitóze se chromozómy jeví se jako ostře ohraničené vláknité struktury. V ostatních fázích dělení je spirálová struktura chromozomů rozpletena s výjimkou některých úseků. K ZAPAMATOVÁNÍ BUNĚČNÉ JÁDRO JE NEJVĚTŠÍ BUNĚČNÁ ORGANELA UMÍSTĚNÁ VE STŘEDU BUŇKY. JE OBALENO JADERNOU MEMBRÁNOU S PÓRY PRO TRANSPORT LÁTEK, UVNITŘ JÁDRA JE TEKUTÁ HMOTA (KARYOPLAZMA, NUKLEOPLAZMA). KARYOPLAZMA JE HMOTA PODOBNÁ CYTOPLAZMĚ, ALE VYSKYTUJE SE POUZE V BUNĚČNÉM JÁDŘE. JE TO VYSOCE VISKÓZNÍ KAPALINA OBSAHUJÍCÍ CHROMOZOMY A JADÉRKO. OBSAHUJE NUKLEOTIDY NUTNÉ PRO STAVBU DNA A ENZYMY ŘÍDÍCÍ BIOCHEMICKÉ POCHODY V JÁDŘE. V JADÉRKU PŘÍMO VZNIKÁ VELKÉ MNOŽSTVÍ rRNA A NÁSLEDNĚ RIBOZOMY, TY JSOU PO SPOJENÍ S rRNA JADERNÝMI PÓRY TRANSPORTOVÁNY DO CYTOPLAZMY. JADÉRKO NENÍ STÁLOU BUNĚČNOU STRUKTUROU, PŘI MITOTICKÉM DĚLENÍ JÁDRA MIZÍ A OBJEVUJE SE ZNOVU NA KONCI JADERNÉHO DĚLENÍ. ZÁKLADNÍ FUNKCÍ JÁDRA JE ŘÍZENÍ PŘEPISU DĚDIČNÝCH INFORMACÍ V BUŇCE A JEJICH PŘENOS NA RIBOZÓMY, PODÍLÍ SE NA PŘESNÉM ROZDĚLENÍ GENETICKÉHO MATERIÁLU DO NOVÝCH BUNĚK PŘI BUNĚČNÉM DĚLENÍ (MITÓZE). 1.6 Transport přes buněčnou membránu – obecné principy Rozlišujeme celkem pět různých způsobů transportu látek přes biologickou membránu: prostup iontovými kanály: 1. Spřažený transport (sekundární aktivní transport) 2. Aktivní transport 3. Endocytóza a exocytóza 4. Prostá difúze Podle energetických nároků na přechod látek přes buněčnou membránu dělíme transport na pasivní (není závislý na přísun energie) a aktivní (vyžaduje energii) – viz Obrázek Iveta Bryjová – Fyziologie I 35 27. Z hlediska zapojení membrány resp. membránových proteinů, rozlišujeme (SmartArt 2):  Přímý transport přes membránu  Transport za účasti membránových proteinů (kanály, přenašeče)  Transport prostřednictvím membránových váčků (exocytóza a endocytóza) 1.6.1 PROPUSTNOST MEMBRÁNY (PERMEABILITA) A MEMBRÁNOVÉ TRANSPORTNÍ PROTEINY Buněčná membrána je prakticky nepropustná pro intracelulární proteiny a jiné organické ionty. Ty tvoří většinu intracelulárních aniontů a jsou obvykle označovány symbolem A− . Lipidová dvojvrstva (Obrázek 24) je propustná pro vodu. Její propustnost pro jiné látky závisí na jejich velikosti (Tabulka 3), rozpustnosti v tucích a na jejich náboji. Obrázek 24 Fosfolipidová dvojvrstva. SmartArt 2 Klasifikace transportu z hlediska energetického a z hlediska zapojení membrány. Prostá difúze = transport přímo přes membránu; Endocytóza, exocytóza a fagocytóza = transport přes membránové váčky; Usnadněná difúze, primární aktivní transport a sekundární aktivní transport = transport vázaný na transportní membránové proteiny. Zpracováno podle [26]. Fáze ontogenetického vývoje člověka. Funkce buňky. Tělní tekutiny. Homeostáza. 36 Molekuly O2 a N2 jsou nepolární (hydrofobní) se v lipidové vrstvě rozpouštějí a procházejí přes ni snadno. Malé polární molekuly – např. CO2 bez náboje (hydrofilní), difundují přes lipidovou dvojvrstvu také rychle, kdežto difúze velkých polárních molekul bez náboje (např. glukózy) a nabitých částic (iontů) je velmi pomalá. In vivo jsou však ionty, glukóza a urea transportovány přes buněčnou membránu do buněk pomocí transportních proteinů. Na mnoha místech je difúze usnadněna vodními kanály. Tabulka 3 Velikosti vybraných hydratovaných iontů a jiných biologicky významných látek [7]. Látka Atomová nebo molekulová hmotnost Poloměr (nm) Cl− 35 0,12 K+ 39 0,12 H20 18 0,12 Ca2+ 40 0,15 Na+ 23 0,18 Glukóza 180 0,38 SPŘAŽENÝ TRANSPORT (SEKUNDÁRNÍ AKTIVNÍ TRANSPORT) Spřažený transport umožnuje transport i větších molekul. Je realizován pomocí transportního systému buňky, který je sice pasivní, ale zároveň je realizován s jiným systémem, který spotřebovává energii. V řadě případů je aktivní transport Na+ spřažen s transportem jiných látek (sekundární aktivní transport). Například transport glukózy přes luminální membránu buněk sliznice tenkého střeva se děje symportem24 s Na+ a je přítomen pouze tehdy, když se Na+ naváže na protein a je současně transportován podél svého elektrochemického gradientu. Glukóza pak z buněk vstupuje do krve. AKTIVNÍ TRANSPORT Jiné nosiče transportují částice proti jejich elektrickému a chemickému gradientu (srovnejte s usnadněnou difúzi). Tento druh transportu vyžaduje přísun energie a je označován za aktivní transport. Aktivní transport je tedy přenos, který je realizován, proti směru koncentračního gradientu soustavy. Takovému transportu je třeba dodat energii. 24 Symport je typ membránového transportu, při němž jsou pomocí jedné přenašečové bílkoviny přenášeny dvě částice (molekuly nebo ionty) stejným směrem. Některé proteinové nosiče se nazývají uniportní (přenášejí pouze jednu látku), jiné jsou označovány jako symportní (pro přenos potřebují mít na transportním proteinu navázány více než jednu sloučeninu, aby byl přenos přes buněčnou membránu uskutečněn, takže jsou tyto látky přenášeny současně. Jiné jsou označovány jako antiporty (vyměňují jednu látku za jinou, typickým příkladem je Na+ -K+ ATPáza. Iveta Bryjová – Fyziologie I 37 Aktivní transport Na+ a K+ je jedním z hlavních pochodů v těle vyžadujících energii. V průměru tento transport spotřebuje asi 24 % veškeré energie vytvořené v buňkách a v neuronech to je až 70 % energie. Aktivní transport iontů je zodpovědný za velkou část bazálního metabolismu. A JAK TEDY FUNGUJE NA+-K+ATPÁZA? Na+ -K+ ATPáza (a.k.a. sodno-draselná pumpa) katalyzuje hydrolýzu ATP (adenosintrifosfát, nejdůležitější energetický metabolit buněk) na ADP (adenosindifosfát, jeden ze základních buněčných energetických metabolitů). Vzniklá energie z každého hydrolyzovaného molu ATP je využita pro přenos tří Na+ z buňky ven a dvou K+ do buňky (Obrázek 25). Je to tedy elektrogenní pumpa, která přenáší tři kladné náboje z buňky ven na každé dva náboje, které se do buňky dostávají → vazebný poměr pumpy je tedy 3:2. Tato pumpa se nachází ve všech částech těla. Její aktivitu inhibují srdeční glykosidy, které se používají při léčbě srdečního selhání (je-li Na+ -K+ ATPáza inhibována srdečním glykosidem, např. ouabanin, zvýší se intracelulární koncentrace Na+ . Koncentrační gradient pro Na+ , který směřuje přes membránu do buňky, poklesne, a tím se také sníží přechod iontů Ca2+ ven z buňky. Výsledný vzrůst intracelulární koncentrace Ca2+ usnadní kontrakci srdečního svalu. Obrázek 25 Primární aktivní transport zajišťovaný enzymy ze skupiny ATPáz (viz Na+-K+ ATPáza) [27]. PŘESTUP IONTOVÝMI KANÁLY Přestup iontovými kanály je realizován pomocí kanálu v proteinu naplněného vodným roztokem. Pro K+ , Na+ , Ca2+ a Cl− existuje řada forem iontových kanálů s různými vlastnostmi. Draslíkové kanály usnadňují tok K+ do buňky a jen nepatrně ovlivňují pohyb iontů ven z buňky. U savců bylo zatím popsáno více než 40 různých typů draslíkových kanálů. Ca2+ (vápníkový kanál) umožňuje řízený průchod iontů vápníku přes membránu. Jsou především řízené napětím na membráně. Napěťové řízené Na+ kanály umožňují průchod kationtů sodíku skrz membránu. Nejčastěji je schopný se uzavírat a otevírat, příp. inaktivovat například na základě elektrického napětí na buňce nebo přítomnosti neurotransmiterů. Sodíkové kanály na neuronech se při určitém napětí otevírají a způsobují tok sodíkových iontů Fáze ontogenetického vývoje člověka. Funkce buňky. Tělní tekutiny. Homeostáza. 38 dovnitř buňky; tím dochází k depolarizaci, což je zásadní pro vznik akčního potenciálu. Cl− kanály jsou součástí různých mechanizmů regulujících objem buněk a jsou také součástí transepitelového transportu iontů a zřejmě také regulují funkci svalů a ledvin. EXOCYTÓZA Proteiny, které buňka vylučuje, jsou přemístěny z endoplazmatického retikula do Golgiho aparátu a z jeho trans části do sekrečních granul nebo do vezikul. Granula a vezikuly putují k buněčné membráně, kde jejich membrány splynou s buněčnou membránou, a oblast fúze se odbourá. Tím se uvolní obsah granul nebo vezikul z buňky ven a buněčná membrána zůstává nedotčena = exocytóza. Tento vylučovací proces vyžaduje přítomnost Ca2+ , přísun energie a proteiny, které provádějí transport. ENDOCYTÓZA Je proces opačný k exocytóze a má několik forem. Jedna z forem endocytózy je fagocytóza (buněčné pojídání). Při fagocytóze jsou bakterie, odumřela tkáň nebo malé kousky materiálu viditelné v mikroskopu pohlceny buňkami (neutrofilní granulocyty25 ). Obrázek 26 Formy endocytózy: fagocytóza (pevné látky) a pinocytóza (kapalné látky). Zdroj [25]. Pohlcovaný materiál se nejprve dostane do kontaktu s buněčnou membránou a ta se vchlípí (invaginuje) dovnitř. Vchlípená část membrány se „odškrtí“ a pohlcený materiál se uzavře do vakuoly obalené membránou a buněčná membrána je potom opět intaktní. Další forma je pinocytóza (buněčné pití). Pinocytóza je de facto stejným proces jako fagocytóza, jen s tím rozdílem, že buňka pohlcuje roztok. Proto tento proces nemůžeme mikroskopicky pozorovat. Fagocytóza a endocytóza je graficky znázorněna na Obrázek 26. Procesy endocytóza a exocytóza se navzájem liší pouze směrem, kterým transport probíhá. Oba dva procesy jsou realizovány pomocí transportních váčků. Endocytóza a exocytóza jsou transportními mechanismy pro velké molekuly. 25 Alternativní název tohoto typu buněk jsou polymorfonukleární neutrofily. Neutrofilní granulocyty společně s eosinofily a basofily tvoří rodinu polymorfonukleárních leukocytů. Iveta Bryjová – Fyziologie I 39 PROSTÁ DIFÚZE Difúze biologickou membránou je proces pronikání látek membránou do buňky, přičemž tento proces silně souvisí se semipermeabilitou membrány. Z toho také vyplývá, jaké látky budou difuzí do intracelulárního prostoru transportovány. Obecně lze říci, že se jedná o transportní mechanismus, jakým se přes membránu dostávají malé molekuly. Difúzi lze dále dělit na pasivní a usnadněnou difúzi. Difúze probíhá ve směru elektrochemického spádu. To znamená, že na rozdíl od aktivního transportu je to proces probíhající spontánně (nevyžaduje energii) a směrem ke stavu rovnováhy. Prostá difúze přímo přes buněčnou membránu je nejjednodušší transportní proces. Látka přechází náhodným tepelným pohybem molekul z výchozí oblasti, kde je koncentrovanější prostředí, do oblasti s nižší koncentrací. Takto pronikají lipidovou dvojvrstvou membrány např. látky lipofilní povahy (mastné kyseliny, steroidy), dále některé malé, neutrální molekuly (např. CO2 a O2), a v omezené míře i molekuly vody v nedisociovaném stavu. Na rychlost difúze má vliv řada faktorů: teplota, povaha látky, vlastnosti prostředí, transportní vzdálenost, plocha pro difúzi aj. [26]. Typickým příkladem usnadněné difúze je transport glukózy glukózovým přenašečem po jejím koncentračním gradientu z extracelulární tekutiny do cytoplasmy buněk. Obrázek 27 Pasivní a aktivní transport. Pasivní transport (molekul nebo iontů) přes biologickou membránu ve směru, kdy potenciál částice klesá; nevyžaduje tedy dodávání energie. Pasivní transport může být realizován: a) volnou difúzí; b) dočasnými nebo trvalými póry větších rozměrů, tvořenými určitými bílkovinami (např. póry v jaderné membráně, štěrbinová spojení buněk); c) usnadněnou difúzí. Aktivní transport je proces, při němž je částice (molekula nebo iont) přenášena přes biologickou membránu proti gradientu svého elektrochemického potenciálu, tedy tak, že její energie roste. Energie vzrůstá proto, že v kompartmentu, kam se částice transportuje, má vyšší koncentraci, a/nebo proto, že transportovaný ion tam má v důsledku membránového potenciálu vyšší elektrostatickou energii. Aktivní transport je vždy zajišťován integrálními membránovými bílkovinami. Patří k základním projevům života, neboť zajišťuje stabilitu složení vnitřního prostředí buněk, přičemž toto složení je trvale odlišné od složení extracelulárního prostoru. Energie, potřebná pro tento transport, se získává a) štěpením ATP na ADP a Pi (tzv. primární aktivní Fáze ontogenetického vývoje člověka. Funkce buňky. Tělní tekutiny. Homeostáza. 40 transport zajišťovaný enzymy ze skupiny ATPas, např. viz Na+-K+-ATPáza, transport iontovými pumpami); b) umožněním pasivního transportu jedné částice, přičemž část takto získané energie se využije pro aktivní transport druhé částice (tzv. sekundární aktivní transport → symport a antiport); takto je např. glukóa aktivně transportována z moče spolu se sodnými ionty (symport); c) energeticky výhodnými oxidačně-redukčními reakcemi; aktivním transportem iontů H+ na úkor energie těchto reakcí vzniká proton-motivní síla; d) přímou konverzí světelné energie, kdy světelné kvantum je absorbováno integrální bílkovinou a tato energie je využita k transportu [27]. 1.7 Tělní tekutiny Somatické buňky mnohobuněčných živočichů, s výjimkou těch nejjednodušších, ať žijí ve vodním prostředí, nebo na souši, jsou obklopeny extracelulární tekutinou a jsou ohraničené tělesným povrchem. Z této tekutiny si buňky odebírají O2 a výživu a zpět do ní vylučují odpadní produkty metabolismu. Extracelulární tekutina je mnohem zředěnější, než je dnešní mořské prostředí, ale její složení je velmi podobné původním oceánům, ve kterých život pravděpodobně vznikl. U živočichů, kteří mají uzavřený cévní systém, je extracelulární tekutina rozložena na dvě části – intersticiální tekutinu a cirkulující krevní plazmu. Plazma a krevní buněčné elementy, především erytrocyty (červené krvinky), vyplňují cévní systém a tvoří celkový objem krve. Intersticiální tekutina je ta součást extracelulární tekutiny, která se nachází mimo cévní systém a omývá buňky. Asi třetina celkového množství vody obsaženého v těle (celková tělesná voda) se nachází v extracelulárním prostoru; zbývající dvě třetiny jsou uvnitř buněk (intracelulární tekutina). Distribuci vody znázorňuje Obrázek 28. Intracelulární část tělesné vody zaujímá 40 % z celkové hmotnosti těla a extracelulární část asi 20 %. Přibližně 25 % extracelulární vody cirkuluje v cévním systému (plazma = 5 % tělesné hmotnosti) a 75 % je mimo krevní řečiště (intersticiální tekutina = 15 % tělesné hmotnosti). Celkový objem krve tvoří asi 8 % tělesné hmotnosti. Obrázek 28 Oddíly tělesných tekutin. Iveta Bryjová – Fyziologie I 41 1.7.1 MĚŘENÍ OBJEMU TĚLNÍCH TEKUTIN Teoreticky je možné měřit velikost objemu tělesných tekutin v jednotlivých oddílech tak, že se použije látka, která se distribuuje pouze v měřeném oddílu. Potom se vypočítá objem tekutiny, ve kterém se látka rozptýlila (objem distribuce podané látky). Objem distribuce se rovná množství injikované látky (zmenšené o tu část, která byla z těla odstraněna metabolickými pochody nebo vyloučena v době, které bylo třeba k promíchání) dělenému koncentraci látek v odebraném vzorku. ŘEŠENÁ ÚLOHA Muži, jehož tělesná hmotnost je 70 kg, se injekčně podá 150 mg sacharózy. Koncentrace sacharózy v plazmě po smísení je 0,01 mg/ml. 10 mg sacharózy se během doby, kdy k promíchání docházelo, vyloučilo nebo bylo metabolickými pochody vyloučeno. Objem distribuce sacharózy je (1). 14 000 ml je tedy prostor, ve kterém se sacharóza rozptýlila (sacharózový prostor). 150 mg − 10 mg 0,01 mg/ml = 14 000 ml (1) PLAZMATICKÝ OBJEM Plazmatický objem se měří pomocí barviva, které se váže na plazmatické proteiny (např. Evansova modř, nebo sérový albumin značený radioaktivním jódem. Průměrná hodnota je 3 500 ml (tj. 5 % hmotnosti osoby o váze 70 kg při jednotkové hustotě). Jestliže je znám objem plazmy a hematokrit (procento krevního objemu zaujímaného krevními buňkami), lze vypočítat celkový objem krve tak, že se plazmatický objem vynásobí výrazem (2) 100 100 − hematokrit (2) Příklad: Hematokrit je 38 a objem krevní plazmy 3 500 ml. Celkový objem krve je tedy (3) 3 500 ∙ 100 100 − 38 = 5 645 ml (3) OBJEM ČERVENÝCH KRVINEK Objem všech cirkulujících červených krvinek v těle lze stanovit odečtením plazmatického objemu od celkového objemu krve. Nebo pomocí injekce značených erytrocytů do krevního objemu (značení např. radionuklidem chromu 51 Cr, železa 59 Fe a fosforu 32 P), nebo se povrch erytrocytů označí vhodnými antigeny. Fáze ontogenetického vývoje člověka. Funkce buňky. Tělní tekutiny. Homeostáza. 42 OBJEM EXTRACELULÁRNÍ TEKUTINY Měřit objem extracelulární tekutiny (ECT) je obtížné, neboť hranice tohoto prostoru není přesně vymezena. Mnoho látek se rozptýlí do všech částí celého prostoru, aniž by se dostaly – byť částečně – do buněčného objemu. Lymfu nelze oddělit od ECT, proto se měří společně s ní. Do cerebrospinální tekutiny pronikají mnohé látky také velmi pomalu, protože jim v tom brání hematoencefalická bariéra. Látky rozptýlené v ECT se dostávají do sekretů žláz a do obsahu trávicího ústrojí. Jsou oddělené od ostatní ECT, proto jsou tyto tekutiny – stejně jako tekutiny v očích, cerebrospinální tekutina a některé jiné speciální tekutiny – nazývány transcelulární tekutiny. Jejich objem je relativně malý. Jednou z nejpřesnějších metod měření objemu ECT je pravděpodobně radioaktivním uhlíkem (14 C) značený inulin (nebo manitol nebo sacharóza) a jeho detekce ve vzorku. Průměrně má 70kg muž 14 litrů ECT (3,5 litrů plazmy a 10,5 litrů intersticiální tekutiny), což je 20 % jeho tělesné hmotnosti. OBJEM INTERSTICIÁLNÍ TEKUTINY Prostor, který intersticiální tekutina zaujímá nelze měřit přímo, neboť je obtížné získat její vzorek. Objem intersticiální tekutiny lze vypočítat odečtením objemu plazmy od objemu ECT. Poměr ECT a intracelulární tekutiny je vyšší u kojenců a dětí než u dospělých jedinců. Absolutní objem ECT u dětí je menší než u dospělých, proto u dětí dochází rychleji k dehydrataci, která má mnohem vážnější průběh než u dospělých. OBJEM INTRACELULÁRNÍ TEKUTINY Objem intracelulární tekutiny nemůžeme rovněž měřit přímo. Vypočítat jej lze odečtením celkového objemu ECT od celkového objemu tělesné vody. Celková tělesná voda se stanovuje obdobně, jako se měří objem jiných tělních prostorů. Nejčastěji se pro stanovení objemu používá D2O (deuterium, tzv. těžká voda) nebo 3 H (tritium). Obsah vody ve tkáních mimo tuk je konstantní ~71–72 ml/100 g tkáně. Tuk je relativně bez vody, a tak se poměr celkové tělesné vody k tělesné hmotnosti mění podle množství tuku přítomného v tkáních. Voda zaujímá u mladého muže cca 60 % jeho tělesné hmotnosti, u ženy o něco méně. U obou pohlaví klesá obsah vody s věkem (Tabulka 4). Iveta Bryjová – Fyziologie I 43 Tabulka 4 Celková tělesná voda v procentech tělesné hmotnosti ve vztahu k věku a pohlaví. Věk Muž Žena 10–18 18–40 40–60 nad 60 59 % 61 % 55 % 52 % 57 % 51 % 47 % 46 % 1.8 Homeostáza Prostředím, ve kterém žijí somatické buňky, je mezibuněčná komponenta ECT (extracelulární tekutina – mimobuněčná tekutina). Fyziologická funkce buněk je závislá na stálém složení ECT, proto se u mnohobuněčných živočichů vyvinulo velké množství mechanismů, které zachovávají stálost prostředí, ve kterém buňky žijí. W. B. Cannon navrhl pro tento soubor fyziologických mechanismů, které slouží k obnovení normálního stavu po jeho narušení termín „homeostáza“ [7]. Oxfordský slovník definuje od roku 1921 pojem homeostáza – homeostasis jako: „The tendency towards a relatively stable equilibrium between interdependent elements, especially as maintained by physiological processes“, tedy úsilí vyvíjené fyziologickými procesy k relativně stálé rovnováze vzájemně závislých prvků. Homeostázou tedy rozumíme kromě významu „stálost vnitřního prostředí“ i její udržení v situacích, kdy je tato fylogeneticky založená rovnováha porušena s následným zhoršením funkce orgánů. Homeostáza je tedy další ze základních životních funkcí stejného významu jako dýchání, krevní oběh a vědomí. Homeostázu definoval počátkem 70. let 19. století Claude Bernard jako stálost vnitřního prostředí. Vnitřní prostředí představují tělesné tekutiny – voda a látky v nich rozpuštěné v podobě ionizované nebo neionizované. V prostředí tělesných tekutin probíhají všechny metabolické a fyziologické pochody v organismu. Ve vzájemné rovnováze je udržován objem tělesných tekutin, jejich osmolalita, elektroneutralita a acidobazická rovnováha [8]. SHRNUTÍ KAPITOLY Ontogeneze je proces kvalitativního (obvykle označován jako individuální vývoj) i kvantitativního (obvykle označován jako růst) vývoje organizmu v čase, který zahrnuje jak změny biologické, tak změny psychické. Ontogeneze je geneticky programovaná a cyklická. Fylogeneze (fylogenetický vývoj) znamená vývoj druhů organismů. Fylogeneze je historický vývoj (evoluce), je to proces nahodilý. Ontogeneze a fylogeneze se navzájem podmiňují. Ontogenetický vývoj člověka zahrnuje vývojové etapy od oplození vajíčka Fáze ontogenetického vývoje člověka. Funkce buňky. Tělní tekutiny. Homeostáza. 44 spermií, porod, přes vývoj jedince až k jeho smrti. Ontogenetický vývoj rozdělujeme na vývoj prenatální (začíná oplozením vajíčka spermií a končí porodem), perinatální (zahrnuje fázi předporodní, porodní a novorozeneckou) a postnatální (růst – vývoj – dospělost – stárnutí). Prenatální vývoj (délka ~38 týdnů): fáze germinální – fáze embryonální – fáze fetální. Germinální fáze je prvním obdobím ontogenetického vývoje (zygota → embryo) tzv. blastogeneze (rýhování vajíčka) – zygota → morula →blastula → gastrula → neurula = zárodek. Embryonální fáze klíčovou fázi ontogeneze (2–8 týdnů po oplození), množení a diferenciace buněk a formování orgánů a orgánových soustav. Fetální fáze (mezi 9. a 26. týdnem gravidity) je charakterizováno růstem a vyzráváním orgánů a jejich zapojením do funkce. Dokončuje se morfologický i funkční vývoj plodu a jeho orgánů až do stadia relativní životaschopnosti. Vývojové zákony – Von Baerův a Haeckelův biogenetický zákon. Von Baerův zákon: „Znaky vyskytující se u vyšší systematické skupiny se obvykle objeví ve vývinu dříve než znaky nižší skupiny.” Haeckelův biogenetický zákon: „Ontogeneze rekapituluje fylogenezu“. Ontogeneze opakuje určité projevy a vlastnosti fylogeneze (těch forem, kterými prošli jeho předkové v průběhu evoluce). Buňka – je základní prvek živého organismu, nejmenší entita, která může být označena jako živá. Buňka je membránou ohraničená jednotka naplněná koncentrovaným vodným roztokem chemických sloučenin schopná vytvářet kopie sama sebe. Podle složitosti rozlišujeme dva typy buněk – prokaryotické a eukaryotické. Buněčná teorie – všechny životní děje, v jakémkoliv organizmu, probíhají jen v buňkách nebo jsou realizovány vzájemnými vztahy mezi buňkami. Cytologie – nauka o buňce. Základní projevy živé hmoty: Chemické složení (bílkoviny, nukleové kyseliny, sacharidy) → Chemické procesy (základní metabolismus – skládání a rozkládání látek) → Dynamika (neustálá výměna látek, energie a informací s prostředím) → Reakce na podněty z vnějšího prostředí a přizpůsobení se → Rozmnožování/reprodukce (zachování rodu a druhu) → Dědičnost → Růst → Evoluce/vývoj (živé soustavy se neustále dlouhodobě přizpůsobují měnícím se podmínkám). Buňka je základní stavební a funkční jednotkou (výjimku tvoří nebuněčné orga- nismy). Funkční morfologie buňky (buněčné organely): Jádro (jaderný pór, jaderná membrána, chromatin, jadérko); Golgiho aparát; Lyzozom; Centriola; Cytoplazma; Cytoplazmatická membrána, Mitochondrie, Peroxizom, Cytoskelet, Ribozómy; Hladké endoplazmatické retikulum; Drsné endoplazmatické retikulum; Vylučovací váček. Iveta Bryjová – Fyziologie I 45 Obrázek 29 Morfologie buňky. Převzato z [28].  Buněčná membrána (biomembrána) – obklopuje buňku, je tvořena lipidy, proteiny a v menší míře i molekulami sacharidů ve formě glykoproteinů a glykolipidů. Je polopropustná a její propustnost se může měnit díky zabudovaným iontovým kanálům a různým transportním proteinům. Všechny buněčné struktury (organely) jsou tvořeny membránami (biomembránami). Tyto membrány jsou základní morfologickou a funkční strukturou živých organizmů. Biomembrány na povrchu buňky nazýváme cytoplazmatickou membránou, biomembrány uvnitř buněk tvoří buněčné organely.  Cytoplazmatická membrána – je tvořena dvěma vrstvami tuků, které uvnitř uzavírají vrstvu bílkovin. Ohraničuje buňku proti okolí, určuje tvar buňky. Umožňuje kontakt s jinými buňkami, umožňuje vzájemné rozpoznávání buněk, vazbu enzymů (důležité pro vzájemnou spolupráci buněk ve složitém organizmu, tvorbu tkání, orgánů atd.). Umožňuje transport látek z buňky a do buňky – membránový přenos. Umožňuje pohyb (buňky) nebo pohyb látek po buňce.  Buněčné jádro (nukleus) – největší buněčná organela. Řídí přepis dědičných informací v buňce a jejich přenos na ribozomy, podílí se na přesném rozdělení genetického materiálu do nových buněk při buněčném dělení.  Endoplazmatické retikulum – soustava vzájemně propojených kanálků a cisteren, napojených současně na plazmatickou a jadernou membránu. Systém je podobný kanalizační síti, slouží k rozvodu látek po buňce, v jeho kanálcích probíhá syntéza organických látek (lipidů, cukrů, tuků) z molekul které tvoří ostatní organely. V drsném endoplazmatickém retikulu (s ribozomy) probíhá syntéza bílkovin. V hladkém endoplazmatickém retikulu (bez ribozomů) probíhá syntéza glykolipidů.  Golgiho aparát – ohraničená soustava cisteren a dutinek umístěná volně v cytoplazmě. Probíhá zde úprava látek vyloučených z endoplazmatického retikula (bílkovin, lipidů, steroidů, sacharidů), a přeměna organických látek a jejich transport. Fáze ontogenetického vývoje člověka. Funkce buňky. Tělní tekutiny. Homeostáza. 46  Ribozomy – drobné kulovité útvary tvořené vláknem RNA stočeným do klubíčka, jsou navázány na drsné endoplazmatické retikulum. Ribozomy tvoří buněčné bílkoviny podle informace získané z DNA (chromozomů).  Lyzosomy – drobné kulovité organely uložené volně v cytoplazmě, štěpí organické látky (hlavně látky přijaté endocytózou) a rozkládají cizorodé organické látky (např. bakterie) a tím chrání buňku před napadením (lyzosomální enzymy mohou v případě porušení stěny lyzosomu rozložit vlastní buněčné organické látky a způsobit tak poškození buňky, její zánik).  Mitochondrie – oválná organela uložená volně v cytoplazmě, je tvořena dvěma vrstvami biomembrán. Vnější vrstva tvoří obal organely, vnitřní je uspořádána do řas – mitochondriálních krist (zvětšení povrchu mitochondrie). Mitochondrie obsahují vlastní DNA (buňka ji používá částečně na syntézu vlastních bílkovin). V mitochondriích probíhá tvorba energie pomocí oxidačních reakcí (buněčné dýchání). Při oxidačních reakcích se spotřebovává kyslík a organické látky (glukóza, tuky), vytváří se energie, která se ukládá do ATP.  Cytoplazma – tvoří prostředí pro organely, umožňuje průběh buněčných reakcí, transportuje látky po buňce, umožňuje dělení buněk.  Centriol (dělící tělísko) – je organela řídící průběh nepřímého buněčného dělení (mitóza).  Mikrotubuly, mikrofilamenta – jedná se o vláknité struktury umístěné v cytoplazmě, jsou tvořeny bílkovinami. Tvoří mechanickou kostru buňky a některých dalších buněčných struktur, zpevňují, vyztužují buňku. Transport přes buněčnou membránu  Spřažený transport (sekundární aktivní transport).  Aktivní transport „pumpy“ (využívá energii ATP, může transportovat proti koncentračnímu spádu, jednosměrný s vysokou specifitou): – Sodno-draselná pumpa = Na+ -K+ ATPása (čerpá sodík z cytosolu a draslík do buňky, proti koncentračnímu spádu, cyklus trvá 10 ms, asymetrický přenos 3 Na+ za 2 K+ , trvale udržuje gradient hlavních iontů vnitřního prostředí, vzniklý gradient je hnací silou mnoha transportních mechanismů). – Sodno-draselná pumpa – blokátory (digoxin, strofantin, ouabain; použití při terapii srdečních chorob, částečnou inhibicí pumpy zpomalí dosažení gradientu nutného pro zahájení kontrakce, prodloužení z několika ms až na sekundu, srdce nemůže reagovat na patologické impulsy ke kontrakci a dochází k vyloučení extrasystol). – Vápníková pumpa = Ca2+ ATPása (nízká koncentrace Ca2+ v cytoplazmě – vápník je soustředěn v kompartmentech: sarkoplazmatické retikulum ve svalových buňkách; pumpa čerpá vápník jednak z buňky do ECT a rovněž z cytosolu do kompartmentů sarkoplazmatického retikula). – Protonová pumpa = H+ -K+ ATPása (v parietálních buňkách žaludeční sliznice, přenáší vodíkový iont výměnou za iont draslíku, inhibitory – omeprazol).  Pasivní transport (nevyžaduje energii, difúze ve směru koncentračního spádu): – Prostá difuze – malé molekuly, bez náboje, rozpustné v lipidech (O2, N2, CO2). Iveta Bryjová – Fyziologie I 47 – Usnadněná difúze proteinovým kanálem. – Usnadněná difúze proteinovým transportérem.  Endocytóza a exocytóza – vezikulární transport – Endocytóza – proces absorpce materiálu buňkou z vnějšího prostředí prostřednictvím membránového váčku. – Exocytóza – proces uvolňování (sekrece) materiálu buňkou do svého okolí; slouží k vylučování nepotřebných látek nebo látek užitečných v okolí buňky (hormony).  Prostá difúze  Aquaporiny26 – transport vody membránou, mnohem rychlejší průchod vody membránou než prostou difuzí, zvyšují permeabilitu membrány pro vodu.  Nexus – gap junction – spojení sousedních buněk stejného typu umožňuje přechod metabolitů, iontů, živin a signálních molekul mezi buňkami bez kontaktu s ECT. KONTROLNÍ OTÁZKY U otázek 1–10 vyberte jen jednu z možných odpovědí. Otázky 11 a 12 jsou otevřené. 1. Embryonální vývoj živočichů se realizuje v pořadí: a) zygota – blastula - morula - gastrula – zárodek b) zygota – morula – blastula – gastrula - zárodek c) zygota – morula – gastrula - blastula – zárodek d) zygota – gastrula – morula - blastula – zárodek 2. Vyjmenujte druhy endoplazmatického retikula. a) drsné a hladké b) drsné a ploché c) prizmovité a tubulární. 3. Cytosol je: a) tekutá část jádra b) tekutá část ribozomů c) tekutá část cytoplazmy 4. Mitochondrie jsou: a) konstantní organelou eukaryotických buněk b) nekonstantní organelou eukaryotických buněk c) u eukaryotických buněk se nevyskytují 5. Erytrocyty a) jedno jádro b) nemají žádné jádro 26 Aquaporiny byly objeveny v roce 1992 (Peter Agre, 2003 Nobelova cena za chemii). Fáze ontogenetického vývoje člověka. Funkce buňky. Tělní tekutiny. Homeostáza. 48 c) mají vždy 2 jádra 6. Apoptóza je: a) patologická smrt buňky b) programovaná smrt buňky c) typ buněčného dělení 7. Lyzosomy: a) slouží k tvorbě proteinů – proteosyntéze b) se zapojují v procesu endocytózy c) slouží k vytvoření dělícího vřeténka 8. Jadérko se nachází: a) v jádře pouze během mitózy b) v jádře pouze během meiózy c) v interfázi 9. Vyberte správný mechanizmus (vazebný poměr) Na+-K+ ATPása (sodno-draselné pumpy): a) 3:2 (3 Na+ z buňky ven na každé 2 K+ , které se do buňky dostávají) b) 2:3 (2 Na+ z buňky ven na každé 3 K+ , které se do buňky dostávají) c) 3:3 (3 Na+ z buňky ven výměnou za 3 K+ , které se do buňky dostávají) 10. Co způsobuje buněčný a vnitrobuněčný pohyb? a) Cytoskelet (cytoskeletální vlákna) b) Mitochondrie c) Sodno-draselná pumpa 11. Kontinuální výměna informací, energie a hmoty s okolím a udržování stálosti vnitřního prostředí se nazývá (pouze jedno slovo):____________________________________ 12. Charakterizujte pasivní transport přes membrány. Uveďte jeho druhy. Správné odpovědi: 1b, 2b, 3c, 4a, 5b, 6b, 7b, 8c, 9a, 10a, 11 – homeostáza, 12 – probíhá samovolně prostřednictvím kanálů a přenašečových proteinů, nepotřebuje chemickou energii (ATP); základní typy pasivního transportu: prostá difuze, usnadněná difuze a osmóza. Iveta Bryjová – Fyziologie I 49 2 INTEGRAČNÍ FUNKCE CNS, SMYSLOVÉ FUNKCE RYCHLÝ NÁHLED KAPITOLY Centrální nervový systém (soustava) je základním řídicím systémem organizmu. Obsahuje přibližně 1011 neuronů a 10–50krát tolik gliových buněk. V kapitole je popsána stavba centrální nervové soustavy, periferní nervové soustavy a vegetativní (autonomní) nervové soustava. Je zde uvedena morfologie, funkce a typy nervových buněk (neuronů), Dále jsou probrány metabolické pochody nervové tkáně s významem glukózy, jakožto hlavního energetického zdroje ATP v centrálním nervovém systému. Buňky CNS spotřebují přibližně až 120 g glukózy/den. Velmi důležitou částí pro pochopení fungování nervového systému je schopnost neuronů komunikovat mezi sebou. Proto je zde zařazena kapitola popisující šíření signálu, excitace a vedení na membránách živých buněk. Akční potenciál jako důležitý jev, který se šíří po axonu a vyvolává kontrakci svalu; tak elektrický potenciál na membráně živých buněk, který se u nepodrážděných svalových a nervových buněk nazývá klidový membránový potenciál. Jsou vysvětleny s tímto spojený termín synapse (místo styku axonu jedné nervové buňky s efektory nebo jiným neuronem, přičemž přenosy mohou být dle typů synapsí chemické, elektrické či probíhající prostřednictví nervosvalové ploténky. V další části jsou popsány specializované buňky – glie/neuroglie – nacházející se v okolí neuronů v centrální i periferní nervové soustavě, které kromě podpůrné funkce nervové tkáně zajišťují také výživu nervových buněk, chrání je a vytváří myelin. Kromě toho také neuroglie fagocytují poškozené neurony. V závěru této kapitole se věnujeme smyslovým funkcím a jejím receptorům (fotoreceptory, mechanoreceptory, chemoreceptory, termoreceptory), kožní smyslové orgány a vnímání polohy a pohybu vlastního těla (propriorecepce). CÍLE KAPITOLY  Nadefinovat a popsat centrální nervovou soustavu, periferní nervovou soustavu a autonomní nervovou soustavu.  Popsat nervovou tkáň a její částí.  Popsat a vysvětlit funkci neuronu, morfologii neuronu, vyjmenovat typy neuronů, objasnit pojem neuroglie.  Specifikovat a rozlišit šedou a bílou hmotu mozkovou.  Popsat klidový membránový potenciál, akční potenciál.  Vysvětlit vedení vzruchů a typy synapsí.  Popsat příjem a zpracování informací pomocí smyslů. Integrační funkce CNS, smyslové funkce 50 ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU 8 hodin KLÍČOVÁ SLOVA KAPITOLY CNS (mozek, mícha); neuron, mozkový kmen, mozeček, mezimozek, bazální ganglia, mozková kůra; PNS (míšní nervy, hlavové nervy), ANS (sympatikus, parasympatikus); neuron, motoneuron, neuroglie, mozkový kmen, mozeček, mezimozek, bazální ganglia, mozková kůra, bílá hmota mozková, šedá hmota mozková, vedení vzruchů, akční potenciál, klidový membránový potenciál, smysly, hmat, čití ÚVOD Centrální nervová soustava je základním řídicím systémem organizmu. V této kapitole budou probrány základní funkce a stavba centrální, periferní a autonomní nervové soustavy, smysly, kožní čití, receptory, reflexy, význam akčního potenciálu a další. Tato kapitola a její dílčí části byly zpracovány převážně z literárních a elektronických zdrojů [7, 31, 32]. 2.1 Úvod do centrální nervové soustavy Centrální nervová soustava (CNS) je základním řídicím systémem organizmu. Obsahuje přibližně 1011 neuronů a 10–50krát tolik gliových buněk. Neurony27 (nervové buňky) jsou základní stavební kameny nervového systému. CNS velmi zjednodušeně funguje v těchto třech krocích: vnímání (příjem informací z těla a okolí prostřednictvím smyslů) → zpracování informací (míšní reflexy, myšlení, paměť, rozpoznávání, apod.) → reakce (ovládání svalů, motorika, řeč, autonomní systém). CNS se skládá z mozku a míchy. CNS je s okolními orgány a okolním prostředím propojena prostřednictvím periferní nervové soustavy (PNS). PNS je tvořena míšními nervy, které vystupují z míchy a dále se větví do celého těla a hlavovými nervy, které vystupují především z mozkového kmene. Trojici nervové soustavy dotváří vegetativní (autonomní) nervová soustava (ANS). Vegetativní nervový systém (ANS) zajišťuje řízení funkcí vnitřních orgánů a krevního oběhu, přizpůsobuje je aktuálním potřebám (např. ortostatická reakce aj.) a kontroluje také vnitřní prostředí organismu. Tyto aktivity probíhají zcela bez 27 Neurony se vyvinuly z primitivních neuroefektorových buněk odpovídajících na podněty kontrakcí. U složitějších živočichů se kontrakce stala specializovanou funkcí myocytů (svalových buněk), ale na integraci a přenos podnětů se specializovaly neurony (mozkové buňky). Iveta Bryjová – Fyziologie I 51 volní kontroly, je vegetativní nervový systém nazýván autonomní nervový systém. Na periferii těla je vegetativní nervový systém anatomicky i funkčně zcela oddělen od somatického, zatímco v CNS jsou mezi oběma těsná propojení. Periferní vegetativní nervový systém je eferentní28 , ale obsahuje také nervová vlákna aferentní (centripetální), přicházející od receptorů vnitřních orgánů (žaludek, jícen, střevo, játra, plíce, srdce, tepny, močový měchýř ad.), proto jsou označována jako viscerální aferentace. Běžné je označovat podle nervu, v němž daná vlákna probíhají (např. vagová afe- rentace). Vegetativní nervový systém většinou funguje na principu reflexního oblouku s jednou částí eferentní29 (vegetativní a/nebo somatickou) a jednou aferentní30 (viscerální a/nebo so- matickou). Jednoduché reflexy mohou probíhat uvnitř příslušného orgánu, ale komplexnější děje jsou řízeny nadřazenými vegetativními centry v CNS (v míše). Jejich nadřazeným integračním centrem je hypotalamus, který zapojuje vegetativní nervový systém do svých programů. Ještě vyšší úroveň integrace mezi vegetativním nervovým systémem a ostatními systémy představuje mozková kůra. Periferní vegetativní nervový systém je tvořen dvěma vzájemně oddělenými částmi sypatikem (zrychluje) a parasympatikem (zpomaluje). Vegetativní centra sympatiku jsou v hrudní a bederní míše, centra parasympatiku jsou v mozkovém kmeni (pro oko, žlázy a orgány inervované n. vagus) a v křížové míše (pro močový měchýř, části tlustého střeva a pohlavní orgány). Z těchto center vedou do periferie pregangliová vlákna, která jsou v gangliích synapticky přepojována na vlákna postgangliová. Sympatická pregangliová vlákna z páteřní míchy končí v paravertebrálních gangliích, v krčních a břišních gangliích nebo v tzv. terminálních gangliích. Zde se impulzy převádějí cholinergně (transmiter acetylcholin31 ) na postgangliová vlákna, která s výjimkou potních žláz působí na cílové orgány adrenergní (transmiter: noradrenalin). Parasympatická ganglia leží v blízkosti nebo přímo uvnitř cílového orgánů. Parasympatický synaptický přenos je jak v gangliích, tak ve výkonných orgánech cholinergní. 28 Tj. vedoucí informace do periferie. 29 Eferentní vlákna řídí reflexní odpověď hladké svaloviny různých orgánů (oka, plic, trávicího ústrojí, močového měchýře, činnost srdce a žláz). Příkladem propojení se somatickým nervovým systémem je aferentace z kůže nebo ze smyslových orgánů a eferentní impulzy vedoucí ke kašli nebo zvracení. 30 Aferentní vlákna signalizují také dráždění kůže (např. nocicepční podněty) nebo signály z mechanoreceptorů nebo chemoreceptorů plic, gastrointestinálního traktu, močového měchýře, cév, pohlavních orgánů atd. 31 Acetylcholin je jak transmiterem na nervosvalové ploténce, v CNS tak ve vegetativním nervovém systému na všech pregangliových, všech parasympatických postgangliových a některých sympatických postgangliových nervových zakončeních. Integrační funkce CNS, smyslové funkce 52 Většina orgánů je inervována jak sympatikem, tak i parasympatikem, přičemž odpověď orgánů na oba systémy může být protichůdná (antagonistická např. v srdci), nebo se doplňuje (např. pohlavní orgány). Dřeň nadledvin je kombinací ganglia a endokrinní žlázy: pregangliová vlákna sympatiku (cholinergní) zde uvolňují do krevního oběhu adrenalin a noradrenalin. 2.2 Nervové buňky – nervová tkáň Nervová tkáň32 vytváří, přijímá a třídí signály (dráždivost) a zabezpečuje jejich přesné a rychlé šíření (vodivost). V organismu je soustředěna v podobě mozku a míchy. Nervovou tkáň si můžeme představit jako různě hustou síť, která prostupuje téměř všemi tkáněmi a orgány (výjimkou je jen chrupavka, rosolovité vazivo, aj.). Nervovou tkáň tvoří nervové buňky – neurony a podpůrné gliové buňky – neuroglie. Neurony přenášejí a zpracovávají signály; neuroglie jim zajišťují podporu a mají velkou škálu funkcí, například: výživu neuronů, schopnost fagocytózy, tvorbu myelinu (napomáhají tím izolaci). Neuroglie představují asi 90 % všech buněk v nervovém systému. Kromě toho obsahuje nervová tkáň cévy a malé množství extracelulární matrix (nikoliv lymfatický systém). K ZAPAMATOVÁNÍ ČINNOST NERVOVÉ SOUSTAVY JE PODMÍNĚNA STAVBOU A FUNKCÍ JEDNOTLIVÝCH NERVOVÝCH BUNĚK A ROVNĚŽ JEJCIH VZÁJEMNÝMI VZTAHY. V CNS VYTVÁŘEJÍ NERVOVÉ BUŇKY KOMPLIKOVANOU A VZÁJEMNĚ MNOHOČETNĚ PROPOJENOU PROSTOROVOU SÍŤ, SE KTEROU JSOU JAK Z FUNKČNÍHO, TAK Z MORFOLOGICKÉHO HLEDISKA V ÚZKÉM KONTAKTU GLIOVÉ ELEMENTY. 2.2.1 NEUROGLIE Gliové buňky jsou velmi početné (je jich více 10−15x více, než neuronů). Za glie jsou považovány i Schwannovy buňky kryjící axony v periferních nervech. V centrálním nervovém systému rozlišujeme tři hlavní typy gliových buněk: Mikroglie jsou úklidové buňky, které můžeme připodobnit k tkáňovým makrofágům. Do nervového systému vstupují z krevních cév. Oligodendroglie (viz Kapitola 2.2) tvoří myelin. Astrocyty se nacházejí v celém mozku a dělí se na dva podtypy – fibrózní astrocyty (převážně v bílé hmotě) a – protoplazamtické astrocyty (převážně v šedé hmotě). Oba podtypy vysílají výběžky ke krevním cévám, kde na kapilárách indukují tvorbu těsných spojení (tight junction), tvoří- 32 Nervová tkáň se vyvíjí ze zevního zárodečného listu pod indukčním působením chorda dorsalis. Iveta Bryjová – Fyziologie I 53 cích hematoencefalickou bariéru. Také vysílají výběžky kryjící synapse a povrch nervových buněk. Jejich membránový potenciál kolísá podle zevní koncentrace K+ , ale nevznikají zde akční potenciály. 2.2.2 NERVOVÉ BUŇKY – MORFOLOGIE Pojem neuron (nervová buňka) zahrnuje tělo nervové včetně jejich výběžků. Tato buňka je natolik specializovaná, že je schopna přijmout určité formy signálů, odpovědět speciálními signály, vést je a vytvářet specifické funkční kontakty (synapse) s ostatními neurony, efektory nebo receptory. Výběžky nervové buňky jsou dvojí; ty, které přijímají vstupní informace (receptivní segment neuronu) označujeme jako dendrity↓ a ty, které, vedou vzruch směrem od těla neuronu, označujeme jako neurit (axon). Neurony CNS savců se vyskytují v mnoha různých tvarech a velikostech, nejmenší neurony mají zhruba 4 μm v průměru, největší dosahují až 100 μm. Neurony můžeme dělit z hlediska morfologického (Obrázek 30), podle délky axonu (Golgiho I. typ – neurony s dlouhým neuritem; Golgiho II. typ – neurony s krátkým neuritem) a z hlediska funkčního (projekční – propojují vzdálené oblasti nervového systému; interneurony – propojují blízké oblasti). Tato a další klasifikace je přehledně zobrazena na (SmartArt 3). Většina z nich má shodné části s typickým míšním motoneuronem (Obrázek 31). Tato buňka má 5–7 výběžků (dendrity), které vystupují z těla buňky a rozsáhle se větví. Zejména v mozkové a mozečkové kůře se na dendritech nacházejí malé výběžky, dendritické trny (Obrázek 32). Trny přijímají signály ze synapse axonu, čímž umožňují přenos elektrických signálů do těla neuronu. Typický neuron má dlouhý vláknitý axon vycházející z poněkud zesílené oblasti buněčného těla – axonového hrbolku (na Obrázek 31 označen jako „axon“). První oddíl axonu se nazývá iniciální segment. Axon se dělí do terminálních větvení a každé z nich končí jako početná synaptická zakončení (terminal buttons nebo telodendria axonu). Obsahují granula nebo váčky, ve kterých jsou uloženy synaptické přenašeče secernované nervy. K ZAPAMATOVÁNÍ U NEURONU POPISUJEME: TĚLO NEURONU A VÝBĚŽKY AXON A DENDRITY. V TĚLE NEURONU SE NALÉZÁ JÁDRO (ČASTO S VIDITELNÝM JADÉRKEM) A VĚTŠINU ORGANEL (NÁPADNÉ BÝVÁ NAPŘ. GRANULÁRNÍ ENDOPLAZMATICKÉ RETIKULUM33). 33 V neuronech také známá jako Nisslova substance. Nisslova substance chybí v tzv. odstupovém kónusu axonu. Integrační funkce CNS, smyslové funkce 54 AXON34 (NEURIT) JE DLOUHÝ VÝBĚŽEK, KTERÝ VEDE VZRUCHOVOU AKTIVITU SMĚREM OD TĚLA NEURONU DO PERIFERIE (EFERENTNÍ). NA KONCI AXONU JE NĚKOLIK AXONÁLNÍCH ZAKONČENÍ (PRESYNAPTICKÝ TERMINÁL). DENDRITY JSOU VELKÁ MNOŽSTVÍ ROZVĚTVENÝCH VÝBĚŽKŮ PRO PŘÍJEM SIGNÁLŮ (VEDOU VZRUCHOVOU AKTIVITU K TĚLU35 NEURONU – AFERENTNÍ). KAŽDÝ DENDRIT SE MŮŽE DÁLE VĚTVIT, TOTO VĚTVENÍ SBÍRÁ RŮZNÉ PODNĚTY A MÍSTECH, KDE SE JIM DOSTÁVÁ SYNAPSÍ, NACHÁZÍME TZV. DENDRITICKÉ TRNY Axony mnoha neuronů jsou myelinizované, tj. mají vrstvu myelinu36 (protein-lipidová sloučenina obalující axon). Mimo CNS je myelin tvořen Schwannovými buňkami (buňky podobné gliím nacházející se podél axonu). Myelin vzniká tím, že buňky obtáčejí svou membránu až stokrát kolem axonu. Myelin je zpevněn poté, co se extracelulární části membránového proteinu (proteinu 0;P0) spojí s extracelulárními částmi P0 sousední mem- brány37 . Myelinová pochva obklopuje axony s výjimkou jejich zakončení a oblasti Ranvierových zářezů, což jsou periodicky se opakující asi 1μm široká zaškrcení ve vzdálenosti 1 mm. Myelin plní funkci izolační. Ne však všechny savčí neurony jsou myelinizovány; některé jsou nemyelinizované – jsou Schwanovými buňkami pouze doprovázeny, bez toho, aby jejich membrány obalovaly axon a tvořily myelin. Většina neuronů bezobratlých je nemyelinizovaná. V CNS savců je však většina neuronů myelinizovaná. Buňky, které tento myelin tvoří, jsou oligodendrie. Na rozdíl od Schwannových buněk, které tvoří myelin38 mezi dvěma Ranvierovými zářezy na jednom neuronu, oligodendrocyty vysílají mnoho výběžků, které tvoří myelin na mnoha sousedních axonech. Myelinová pochva se významně podílí na přenosu vzruchu. Zejména axonový hrbolek spolu s iniciálním segmentem neuritu mají rozhodující význam pro vznik vzruchu v neuronu. Čím je nervové vlákno a myelinová pochva silnější, tím rychleji vede vzruchy. K ZAPAMATOVÁNÍ 34 Axon (neurit) může být různě dlouhý, stejně tak jeho zakončení (např. motorický neuron je zakončen nervosvalovou ploténkou, je zakončen motorickou ploténkou na povrchu kosterního svalového vlákna, ale může končit také na povrchu hladké, srdeční svaloviny nebo epitelových buněk; může být přítomno také konečné větvení neuronu – terminální arborizace (telodendron); knoflíkovitým zapojením se říká terminální buton. Axon bývá s výjimkou odstupového kónusu a iniciálního segmentu obalen pochvami – myelinová pochva. 35 Tělo neuronu = soma = perikaryon 36 Myelin je směs lipidů, které jsou derivátem gliových buněk, tvoří tzv. gliovou pochvu okolo axonu; myelinizované mohou být i dendrity. V CNS se gliovým buňkám říká oligodendroglie. V PNS jsou to tzv. Schwannovy buňky. 37 Různé mutace P0 jsou příčinami rozličných neuropatií, bylo popsáno 29 mutací, které mohou způsobit postižení s lehkými až velmi závažnými symptomy. 38 Při roztroušené skleróze vznikají v CNS roztroušené oblasti se zničeným myelinem. Ztráta myelinu je spojena se zpomalením nebo blokádou vedení demyelinizovanými axony. Iveta Bryjová – Fyziologie I 55 PODLE PŘESNÉHO USPOŘÁDÁNÍ VÝBĚŽKŮ MŮŽEME ROZLIŠIT NEURONY: (1) APOLÁRNÍ – NEURON BEZ VÝBĚŽKU/Ů (EMBRYONÁLNÍ NEUROB- LASTY). (2) UNIPOLÁRNÍ – JEDEN AXON, ŽÁDNÉ DENDRITY (SMYSLOVÉ ORGÁNY, NAPŘ. FOTORECEPTORY SÍTNICE). (3) BIPOLÁRNÍ – JEDEN AXON A JEDEN DENDRIT, VYSKYTUJE SE OJEDINĚLĚ (NAPŘ. VE ZRAKOVÉ DRÁZE – 2. NEURON SÍTNICE). (4) MULTIPOLÁRNÍ – JEDEN DLOUHÝ AXON A STROMOVITĚ ROZVĚTVENÉ DENDRITY, NEJPOČETNĚJI ZASTOUPENÝ TYP NEURONŮ – NAPŘ. MÍŠNÍ MOTONEURONY PŘEDNÍCH ROHŮ MÍŠNÍCH ČI PURKYŇOVY BUŇKY. (5) PSEUDOUNIPOLÁRNÍ – Z TĚLA VYSTUPUJE JEDEN VÝBĚŽEK, KTERÝ SE VĚTVÍ NA PERIFERNÍ VÝBĚŽEK (ODPOVÍDÁ DENDRITU) SMĚŘUJÍCÍ DO PNS A CENTRÁLNÍ VÝBĚŽEK (ODPOVÍDÁ AXONU) SMĚŘUJÍCÍ DO CNS – BUŇKY SPINÁLNÍCH GANGLIÍ (GANGLIOM SPINALE). Obrázek 30 Podle morfologického hlediska dělíme neurony např. na.: anaxonický neuron (chybí axon); bipolární (jeden relativně dlouhý dendrit a axon; senzorické neurony – kožní, sluchové, čichové a nociceptivní vlákna); pseudounipolární (dlouhý dendrit splývající s axonem); multipolární (obsahují mnoho drobných bohatě se větvících dendritů). Upraveno podle [33]. Integrační funkce CNS, smyslové funkce 56 Obrázek 31 Motoneuron s myelinizovaným axonem. Převzato z [35]. Obrázek 32 Dendritické trny (dendritic spines) jsou malé výčnělky podél dendritů. Přijímá signály ze synapse axonu, čímž umožňuje přenos elektrických signálů do těla neuronu. Morfologicky se skládají z okrouhlé hlavy a úzkého krčku spojující hlavu s masou dendritu. Dendrit obsahuje stovky až tisíce trnů. Převzato z [34]. Iveta Bryjová – Fyziologie I 57 Obrázek 33 Neuron s vyznačeným signálovým tokem (vlevo) a synaptické zakončení (vpravo). Převzato z [36]. Těla neuronů se nacházejí na povrchu kůry mozku a mozečku, nebo jsou seskupené v jádrech (tzv. šedá hmota). Mezi jednotlivými skupinami neuronů pak procházející v drahách jejich axony (tzv. bílá hmota). Označení šedá a bílá hmota vychází ze zabarvení tkání, kůra a jádra mají na preparátu tmavě růžovou až šedavou barvu, myelinem obalené axony jsou bílé. SmartArt 3 Klasifikace neuronů podle počtu výběžků. Integrační funkce CNS, smyslové funkce 58 NEURONŮ V CNS JE PODLE RŮZNÝCH ZDROJŮ ZHRUBA 100 MILIARD. PŘIBLIŽNĚ POLOVINA SE NACHÁZÍ V MOZEČKU, V SAMOTNÉ MOZKOVÉ KŮŘE SE UVÁDÍ CCA 17 MILIARD NEURONŮ. KAŽDÝ NEURON VYTVÁŘÍ SPOJENÍ S 200−1000 DALŠÍMI NEURONY. TO TVOŘÍ OBROVSKOU SÍŤ, JEJÍŽ PŘESNÉ FUNGOVÁNÍ SE STÁLE NEPODAŘILO DOSTATEČNĚ OBJAS- NIT. SYNTÉZA PROTEINŮ A AXOPLAZMATICKÝ TRANSPORT Neurony jsou sekreční buňky, od jiných sekrečních buněk se liší tím, že jejich sekreční zóna je na konci axonu, distálně od těla buňky. V axonech a nervových zakončeních prakticky nejsou ribozomy a všechny nezbytné proteiny jsou syntetizovány v endoplazmatickém retikulu (Obrázek 18) a Golgiho aparátu (Obrázek 22) těla neuronu a proteiny jsou transportovány exoplazmatickým tokem axonem do synaptických zakončení. Tímto tělo buňky udržuje funkční a anatomickou integritu axonu; dojde-li k přerušení axonu, jeho část distálně od přerušení degeneruje. 2.3 Metabolizmus nervové tkáně Mozek je orgán s velmi vysokými energetickými nároky (z 20 % se podílí na celkové spotřebě kyslíku a z 25 % na celkové spotřebě glukózy). Většina ATP (Obrázek 34) se využívá v procesech přesunu iontů přes membránu neuronů. 70 % veškeré spotřeby energie využívá sodno-draselná pumpa – Na+-K+ATPáza (viz Kapitola 1.6.1 a Obrázek 27), která udržuje stále iontové složení intracelulární a extracelulární tekutiny a umožňuje tudíž hladké fungování vzrušivých tkání. Obrázek 34 Jak získává buňka energii? Velmi zjednodušenou odpovědí může být tato: ATP (adenosintrifosfát); enzymy ATP štěpíme na ADP + 1 samostatný fosfát (adenosindifosfát) a tím dojde k uvolnění obrovského množství energie. Iveta Bryjová – Fyziologie I 59 V centrálním nervovém systému je hlavním energetickým zdrojem ATP glukóza. Buňky CNS39 spotřebují ~120 g glukózy/den. CNS jako celek odebírá z protékající krve molekuly glukózy. V astrocytech je tato glukóza částečně degradována na laktát a pyruvát, které jsou pak nabízeny neuronům. Tvorba ATP v neuronech tedy závisí na dodávce laktátu a pyruvátu z astrocytů – transportním mediem je extracelulární tekutina. 2.4 Excitace a vedení – membrána neuronu Podstatou fungování nervového systému je schopnost neuronů komunikovat mezi sebou. To se děje prostřednictvím šíření signálu mezi neurony. Neurony jsou tedy přizpůsobeny k tomu, aby přenášely vzruch. Nervové buňky mají relativně nízký práh pro podráždění. Pokud na neuronální membráně převažují chemicky řízené iontové kanály, je membrána drážditelná převážně chemicky, tj. reaguje na příslušný mediátor. A pokud na neuronální membráně převažují napěťově řízené iontové kanály, je membrána drážditelná elektricky, tj. reaguje na změnu potenciálu. 2.4.1 KLIDOVÝ MEMBRÁNOVÝ POTENCIÁL Kapitoly 2.4.1 a 2.4.2 byly zpracovány podle [39]. Potenciálový rozdíl mezi vnější a vnitřní částí nervového vlákna je ~ −70 až −90 mV. Místo potenciálu je na semipermeabilní buněčné membráně. V klidu nese vnitřní povrch membrány záporný náboj a vnější povrch kladný náboj. Zdrojem potenciálu jsou ionty (resp. jiný nesený náboj), tj. rozdíly koncentrací iontů na vnějším a vnitřním povrchu membrány a specifická propustnost membrány pro jednotlivé ionty (K+ , Na+ , Cl− ). Propustnost iontových kanálů pro jednotlivé ionty (permeabilita membrány) je významně ovlivňována intracelulární koncentrací iontů Ca2+ . Tyto ionty ovlivňují velikost potenciálu zprostředkovaně regulací permeability iontových kanálů pro K+ , Na+ , Cl− . Na membráně tak vzniká membránový potenciál (membrána je polarizována). K ZAPAMATOVÁNÍ PRO KLIDOVÝ MEMBRÁNOVÝ POTENCIÁL JSOU ROZHODUJÍCÍ TYTO VLASTNOSTI: NEPROPUSTNOST MEMBRÁNY PRO VODU, K+ A Cl−, ELEKTRICKÝ NÁBOJ JEDNOTLIVÝCH ČÁSTIC A OSMOTICKÝ, ELEKTRICKÝ A 39 Buňky CNS se umí adaptovat i na utilizaci ketolátek, což je významné zejména při déletrvajícím hladovění (týdny), kdy degradace ketolátek dodává až 50 % ATP. Na tvorbě energie se podílejí obě hlavní populace buněk v CNS, neurony i neuroglie (zejm. astrocyty). Integrační funkce CNS, smyslové funkce 60 KONCENTRAČNÍ GRADIENT. ZÁPORNĚ NABITÉ BÍLKOVINY JSOU KONCENTROVÁNY UVNITŘ BUŇKY, ELEKTRONEUTRALITA VNITŘKU BUŇKY JE DOSAŽENA VYSOKOU KONCENTRACÍ DIFUZIBILNÍHO KATIONTU (K+) ZATÍMCO ONKOTICKÝ TLAK INTRACELULÁRNÍCH BÍLKOVIN JE EXTRACELULÁRNĚ VYROVNÁN VYSOKOU KONCENTRACÍ Na+ A Cl−. Z TOHO VYPLÝVÁ NEROVNOMĚRNÉ ROZLOŽENÍ IONTŮ NA MEMBRÁNĚ (VYSOKÁ KONCENTRACE K+ UVNITŘ BUŇKY A VYSOKÁ KONCENTRACE IONTŮ Na+ VNĚ BUŇKY) A VYSOKÝ KONCENTRAČNÍ GRADIENT PRO OBA IONTY. VZHLEDEM K TOMU, ŽE JE MEMBRÁNA V KLIDU PROPUSTNÁ ZEJMÉNA PRO DRASELNÉ IONTY, PROUDÍ TYTO VEN Z BUŇKY PO SVÉM KONCENTRAČNÍM GRADIENTU. PROTOŽE VŠAK NESOU POZITIVNÍ NÁBOJ, KTERÝ NENÍ NEUTRALIZOVÁN SOUČASNÝM POHYBEM KLADNÉHO NÁBOJE OPAČNÝM SMĚREM NEBO ZÁPORNÉHO NÁBOJE TOTOŽNÝM SMĚREM, VZRŮSTÁ ELEKTROSTATICKÁ SÍLA DRŽÍCÍ DRASELNÉ IONTY UVNITŘ BUŇKY. ROVNOVÁŽNÝ STAV TĚCHTO DVOU PROTICHŮDNÝCH SIL (KONCENTRAČNÍ GRADIENT VS. ELEKTROSTATICKÁ SÍLA) JE PODSTATOU KLIDOVÉHO MEMBRÁNOVÉHO POTENCIÁLU (NAPĚTÍ). 2.4.2 AKČNÍ POTENCIÁL V okamžiku, kdy neuronální membránou projde vzruch, změní se na membráně nervové buňky klidová rovnováha – změní se její polarizace. Depolarizace40 (prudká ztráta napětí na buněčné membráně) se rychle šíří a povrch se stává elektronegativním – dochází ke změně polarity membrány (transpolarizaci). Vrchol akčního potenciálu se v průběhu transpolarizace blíží k rovnovážnému potenciálu pro Na+ (tj. ~ +30 až +50 mV). Poté se membránový potenciál rychle navrací ke klidové úrovni (repolarizace). Rychlou depolarizaci a repolarizaci označujeme jako hrotový potenciál (spike). Po dosažení ~ 70% repolarizace se rychlost změny membránového potenciálu zmenšuje. Po dosažení klidové hodnoty membránového potenciálu dochází k mírné hyperpolarizaci – vzniká následný pozitivní potenciál. V této fázi se membránový potenciál blíží hodnotě rovnovážného potenciálu pro K+ . Celý děj označujeme jako akční potenciál (Obrázek 35). 40 Depolarizace je velmi důležitý děj, který je podstatou šíření nervových vzruchů v organizmu, a má význam pro funkci nervových a svalových buněk. Dochází k ní na buněčné membráně vlivem přestupu iontů a její podstatou je pokles elektrického napětí mezi zevním a vnitřním prostředím buňky (tzv. membránový poten- ciál). Iveta Bryjová – Fyziologie I 61 IONTOVÉ ZMĚNY BĚHEM AKČNÍHO POTENCIÁLU Na počátku směřuje elektrický i chemický gradient Na+ dovnitř buňky. Až do dosažení depolarizace asi o 15 mV permeabilita membrány pro Na+ mírně stoupá, ale vytékání K+ je ještě schopno udržet klidový membránový potenciál. Po dosažení této spouštěcí úrovně dojde k náhlému vzestupu permeability pro Na+ . Napěťově řízené sodíkové kanály se otevírají, vtékání Na+ snižuje membránový potenciál, což vede k otevírání dalších sodíkových kanálů a dále stoupá permeabilita pro Na+ . Vtékání Na+ znemožňuje repolarizaci a výsledkem je rychlá depolarizace, která vede ke vzniku hrotového potenciálu (viz Obrázek 35). Vzestup permeability pro Na+ trvá krátce a končí už v průběhu vzestupné fáze akčního potenciálu. Sodíkové kanály se postupně aktivně uzavírají a kromě toho je během transpolarizace obrácen elektrický gradient pro Na+ . Oba tyto faktory omezují tok Na+ dovnitř buňky a napomáhají tak zahájit repolarizaci. Otevřením napěťově řízených draslíkových kanálů dojde k vzestupu permeability membrány pro K+ ionty. To však nastupuje pomaleji a vrcholu dosahuje během sestupné fáze akčního potenciálu. K úplné repolarizaci dojde, jakmile K+ ionty buňku opustí. Repolarizace je však způsobena aktivací jiného typu draslíkových kanálů než jsou ty, které se podílejí na udržování klidového membránového potenciálu. Během akčního potenciálu dochází k výměně určitého množství K+ uvnitř buňky za Na+ . Celkový počet těchto vyměněných iontů je vzhledem k jejich celkové koncentraci velmi malý. Toto množství by se při velkém funkčním zatížení neuronu stále zvyšovalo. Proto dochází k obnovení původního rozložení iontů ne membráně. Sodno-draselnou pumpou (Na+ -K+ ATPáza) je Na+ přečerpán z nervového vlákna ven a nahrazen K+ . Energie pro aktivní transport iontů je získána z ATP a hrazena oxidací glukózy. Tento děj není v přímém vztahu k určitému akčnímu potenciálu [39]. Integrační funkce CNS, smyslové funkce 62 Obrázek 35 Dosáhne-li depolarizace membrány spouštěcí úrovně (prahu), tj. dojdeli k dostatečně rychlé depolarizaci o 10 až 20 mV, dochází v axonální membráně k velmi rychlé depolarizaci. Membránový potenciál se změní během cca 0,5 ms na +30 až +50 mV a poté dochází ke stejně rychlé repolarizaci až na asi 70% původní hodnoty membránového potenciálu; tento rychlý vzestup a pokles membránového potenciálu se nazývá hrotový potenciál. Po pomalejší následné depolarizaci (trvající okolo 4 ms nebo méně) dosáhne membránový potenciál původní klidové úrovně a dochází k následné hyperpolarizaci o několik mV pod původní klidovou hladinu a k návratu na hodnotu klidového potenciálu (cca 40 ms) [40]. ZMĚNY DRÁŽDIVOSTI VYVOLANÉ VZRUCHEM Po dosažení spouštěcí úrovně akčního potenciálu je membrána zcela refrakterní k další stimulaci. V důsledku toho žádná další, byť intenzivní stimulace neuronu nevede ke vzniku dalšího akčního potenciálu – tento stav se nazývá absolutní refrakterní fáze (Obrázek 36). Buňka je v této fázi refrakterní proto, protože převážná část napěťově řízených sodíkových kanálů je v inaktivovaném stavu a tyto kanály se nemohou otevřít dříve, než dojde k repolarizaci membrány. O relativní refrakterní fázi (Obrázek 36) hovoříme tehdy, když v průběhu dalšího akčního potenciálu (tj. od konce hrotového potenciálu) může buňka reagovat na stimulaci, ale stimulace musí být intenzivnější než normální podnět [39]. Iveta Bryjová – Fyziologie I 63 Obrázek 36 Absolutní a relativní refrakterní fáze. Absolutní refrakterní fáze je délka úseku po vzniku akčního potenciálu, během něhož je nemožné vyvolat další akční potenciál (trvá několik milisekund od dosažení spouštěcí úrovně do doby, kdy proběhne repolarizace asi z 1/3). Poté následuje relativní refrakterní fáze, kdy musí být podnět pro vyvolání dalšího akčního potenciálu větší než normálně (trvá přibližně do uzavření K+ kanálů). Zdroj vlastní. 2.4.3 VEDENÍ VZRUCHU Po podráždění může dojít pouze k dvěma typům fyzikálně-chemického narušení rovno- váhy: 1. Lokální potenciály (nešíří se); dle lokalizace je označujeme jako potenciály: synaptické, generátorové a elektrotonické. 2. Potenciály, které se šíří – akční potenciály. Aktivně se udržující otevíráním Na+ kanálů. Akční potenciál se šíří zejména centrifugálně po axonu, v místě vybavení vzruchu se selektivně mění propustnost membrány, dochází k přesunu iontů mezi zevním a vnitřním povrchem membrány a uzavírá se místní elektrický okruh. Podněty jsou vedeny (přenášeny) axony a jejich zakončením. Elektrické děje na neuronech jsou rychlé a jsou měřeny v milisekundách. Změny potenciálu jsou malé a jejich rozměr se uvádí v milivoltech. Komunikace mezi neurony v CNS zprostředkovávají specializované mezibuněčné kontakty zvané synapse (Tabulka 5). Synapse41 mohou být buď elektrické (jsou zprostředkovány mezibuněčnými spoji, tzv. gap junction) nebo chemické (jsou zprostředkovány vyplavením látky zvané neuropřenašeč, neboli neutransmiter do štěrbiny mezi buňkami). Synaptická spojení jsou všechny funkční kontakty mezi membránou dvou buněk, z nichž alespoň jedna je neuronálního původu. Prostřednictvím těchto kontaktů jsou zprostředkovány trofické vlivy a především přenos nervových vzruchů (synaptická transmise). Obecně se má za to, že chemické synapse jsou složitější než elektrické, objevují se však důkazy, které naznačují, že elektrické synapse mohou být podobně složité a funkčně složitě 41 Synapse, česky zápoj – definoval roku 1947 český lékař a fyziolog Vilém Laufberger; roku 1784 označil synapse termínem jako „spojky nervové“ český lékař, univerzitní profesor a fyziolog Jiří Procháska. Integrační funkce CNS, smyslové funkce 64 a velmi variabilní. Oba typy synaptického přenosu zdaleka nefungují nezávisle a nesouvisejí spolu, ale velmi úzce se ovlivňují. Interakce mezi těmito dvěma formami interneuronální komunikace jsou nezbytné pro normální vývoj a funkci mozku [38]. Tabulka 5 Typy synapsí Typ synapse Vzdálenost mezi pre/postsynaptickou částí Kontinuita mezi cytoplazmou Morfologický podklad Způsob přenosu Synaptické zpoždění Směr přenosu Elektrická 3,5 nm Ano Gap junction Tok iontů Téměř 0 obousměrný Chemická 20–40 nm Ne Vesikly, aktivní zóny, postsynaptické recep- tory mediátor 0,3 ms 1–5 ms i déle jednosměrný CHEMICKÉ SYNAPSE Většina synapsí v CNS jsou synapse chemické (Obrázek 37). Přenos signálu závisí na přítomnosti mediátorů42 (transmitery, přenašeče) v presynaptické části, především v synaptických váčcích. Chemická transmise předpokládá presynaptické a postsynaptické buňky a jejich vzájemná komunikace je realizována uvolňováním chemické substance (mediátoru) z presynaptických buněk, její vazby na receptory postsynaptických buněk, a tím vyvolání toku elektrického proudu. Obrázek 37 Vlevo: Chemická synapse: Presynaptický útvar – vakovité rozšíření axonu obsahující synaptické váčky. Poté, co vzruch dosáhne presynaptického útvaru, zvyšuje se permeabilita presynaptické membrány pro Ca2+, kalcium vtéká do buňky, váčky se hromadí u synaptické štěrbiny („aktivní zóna“ synapse) a uvolňují exocytotickým mechanismem mediátor do synaptické štěrbiny. Postsynaptický 42 Mediátory (transmitery, přenašeče) jsou specifické látky, které na chemických synapsích cíleně, prostřednictvím receptorů na postsynaptické membráně, zprostředkují převod nervové aktivity humorální cestou. Iveta Bryjová – Fyziologie I 65 útvar – receptory pro mediátor (receptory, které jsou součástí iontového kanálu nebo receptory spřažené s G proteiny), po vazbě mediátoru na receptor dojde ke zvýšení propustnosti pro ionty Na+, což vede k depolarizaci a tedy ke vzniku excitačního postsynaptického potenciálu (EPSP). Na inhibiční synapsi oproti tomu vede mediátorem vyvolané otevření K+ a Cl− kanálů k hyperpolarizaci a ke vzniku inhibiční postsynaptického potenciálu (IPSP), což je podstatou útlumu na synapsi. Chemické synapse jsou relativně pomalé, protože uvolněním mediátoru z presynaptického útvaru a otevřením příslušných iontových kanálů vede k synaptickému zdržení vedení vzruchu v trvání minimálně 0,5 ms. Tyto synapse vedou vzruch většinou jednosměrně a mohou být jak excitační, tak inhibiční. Podle typu uvolněného mediátoru a funkčního typu synapse, dojde otevřením Na+ kanálů buď ke zvýšení propustnosti membrány pro sodík, nebo otevřením K+ a Cl− kanálů dojde ke zvýšení propustnosti membrány pro draselné a chloridové ionty. Otevření Na+ kanálů vede k depolarizaci, což má za následek vznik excitačního postynaptického potenciálu (EPSP). Na inhibiční synapsi vede mediátorem vyvolané otevření K+ a Cl− kanálů k hyperpolarizaci a ke vzniku inhibičního postynaptického potenciálu (IPSP) [39]. CHEMICKÁ SYNAPSE ZÁKLADNÍ STAVEBNÍ ČÁSTI: ČÁST PRESYNAPTICKÁ, ČÁST POSTSYNAPTICKÁ, SYNAPTICKÁ ŠTĚRBINA (20–40 nm). PŘENOS INFORMACE: PŘENOS INFORMACE: NEUROTRANSMITER Z PRESYNAPTICKÉ ČÁSTI (V MÍSTĚ AKTIVNÍ ZÓNY) EXOCYTÓZA – VAZBA NA RECEPTORY POSTSYNAPTICKÉ MEMBRÁNY. Obecné schéma chemické transmise: 1. Syntéza mediátoru v presynaptickém útvaru 2. Skladování mediátoru v presynaptickém útvaru a jeho výdej do synaptické štěrbiny 3. Interakce s receptorem postsynaptické membrány 4. Odstranění mediátoru ze synaptické štěrbiny ELEKTRICKÉ SYNAPSE Elektrické synapse jsou přímá, pro ionty vodivá spojení buňka-buňka, zprostředkovaná kanály (konexony) v oblasti gap junction. Slouží např. k vedení podráždění v hladkém svalu, srdečního svalu a částečně v sítnici a CNS a také propojení buněk epitelu a gliových buněk. Na elektrických synapsích dochází k synaptickému přenosu kontinuálním spojením buněk a přímým tokem elektrického proudu. Transmise na těchto synapsích, tvořených mezibuněčnými kontakty gup junction (2 nm), je velmi rychlá, synapse obvykle vedou oběma směry a jsou převážně excitační [39]. Integrační funkce CNS, smyslové funkce 66 NERVOSVALOVÁ PLOTÉNKA Vlákna kosterního svalu jsou přímo řízena nervovým systémem. Axony míšních motoneuronů vytváření spolu se sarkolemou nervosvalové ploténky, které se v mnohém podobají chemickým synapsím v CNS. Už nemyelinizovaný periferní úsek axonu se větví na drobná telodendriat, která vytvářejí kontakty s vláknem kosterního svalu. Nervosvalová ploténka má tři části: 1. Presynaptickou štěrbinu 2. Synaptickou štěrbinu 3. Postsynaptickou část Presynaptická část je tvořena nemyelinizovaným rozšířeným zakončením terminální větve alfa motoneuronu, které je zanořeno do sarkolemy. Uvnitř tohoto rozšíření jsou synaptické vezikuly naplněné molekulami acetylcholinu, což je klíčový mediátor přenosu vzruchu na této synapsi. Sarkolema je v postsynaptické oblasti výrazně zřasena a obsahuje nikotinové acetylcholinové receptory. Nervový impulz aktivuje napětím řízené kalciové kanály s následným influxem kalciových iontů, které způsobují (pomocí kaskády dalších proteinů) exocytózu vezikul, a tedy uvolnění acetylcholinu do synaptické štěrbiny. Aby došlo k otevření ionoforu43 , musí být aktivovány alfa podjednotky molekulami acetylcholinu. Vazba dvou acetylcholinových molekul na acetylcholinový receptor na postsynapické části synapse (tedy na sarkolemě) otevírá kanál uvnitř receptoru a dochází k influxu sodíku do svalového vlákna a vzniku malého podprahového ploténkového potenciálu. Je-li aktivováno dostatečné množství receptorů, dojde k sumaci těchto miniaturních ploténkových potenciálů a vzniku akčního potenciálu. Cyklus je ukončen tak, že acetylcholin je degradován na acetát a cholin enzymem cholinesterázou rychlostí 25 tisíc molekul za sekundu. Dojde k uzavření sodíkových kanálů a vypuzením draslíkových iontů je obnoven klidový potenciál na svalové membráně [41]. Obrázek 38 Schéma nervosvalové ploténky a dějů, které na ní probíhají [41]. 43 Ionofor – látka umožňující přenos iontu lipidovou bariérou např. skrz buněčnou membránu některým z možných mechanismů např. zvýšením permeability. Iveta Bryjová – Fyziologie I 67 2.5 Neuroglie V okolí neuronů v CNS i PNS jsou buňky – glie/neuroglie, které kromě podpůrné funkce nervové tkáně zajišťuje také výživu nervových buněk, chrání je a vytváří myelin. Kromě toho také neuroglie fagocytují poškozené neurony [39]. 2.5.1 NEUROGLIE V CNS V CNS rozlišujeme čtyři typy gliových buněk: 1. Ependymové buňky – jsou fylogeneticky i ontogeneticky nejstarší gliální elementy; u vyšších obratlovců tvoří výstelku dutin CNS (ependym). Ependymové buňky se podílejí na pohybu likvoru a transcelulárním transportu. 2. Astrocyty – podpůrná a výživná funkce; významně se podílejí na funkci hematoencefalické bariéry44 a stabilizaci extracelulární koncentrace draslíku. 3. Oligodendroglie – obklopují výběžky neuronů v CNS a vytvářejí myelinové pochvy axonů. V PNS jsou jejich obdobou Schwannovy buňky. Oligodendroglie/oligodendrocyty se při zvýšeném funkčním zatížení podílejí na metabolismu neuronů. 4. Mikroglie – Hortegovy glie jsou nejmenšími gliovými elementy v CNS. Je jich méně, než astrocytů a oligodendroglií. Mikroglie jsou mezodermového původu a do mozku vstupují až v pozdním embryonálním stadiu; jsou výrazně pohyblivé a jsou schopny fagocytózy. V CNS se účastní obranných a úklidových reakcí zejména za patologických stavů [39]. 2.5.2 NEUROGLIE V PNS V PNS se nacházejí dva typy neuroglií: 1. Schwannovy buňky – základní typ neuroglie v PNS, jejich funkce je velmi blízká funkci oligodendroglií v CNS. 2. Satelitní buňky – amficyty se nepodílejí na tvorbě myelinu; většinou naléhají na povrch neuronů v senzitivních a vegetativních gangliích a hrají důležitou roli v metabolických procesech gangliových buněk [39]. 2.6 Smyslové funkce Informace o zevním a vnitřním prostředí dostává CNS pomocí senzorických receptorů. Membránové senzory (receptory) jsou bílkovinné součástí buněčné membrány, které jsou za registraci těchto podnětů zodpovědné. Některé chemické signály mohou proniknout buněčnou membránou a jejich aktivita je potom zprostředkována receptory cytosolovými, pří- 44 Přesun látek z krve do tkáně CNS, z krve do mozkomíšního moku (likvoru), i z likvoru do nervové tkáně. Hematoencefalická bariéra zahrnuje transport látek také opačným směrem (výstup z mozku do krve). Integrační funkce CNS, smyslové funkce 68 padně jadernými. U vícebuněčných živočichů se vyvíjejí specializovaná zařízení – receptory – pro vnímání mechanických, chemických, elektromagnetických a tepelných podnětů ze zevního a vnitřního prostředí organizmu. Odpověď receptorové buňky na působení podnětu je založena na spuštění určitého děje s vlastním zdrojem energie. V případě chemického podnětu působí již pouhá přítomnost molekul určité látky. V buňkách receptoru se přeměňuje energie podnětu ve změny membránového potenciálu ve smyslu depolarizace nebo hyperpolarizace – receptorový potenciál. Ten je v podobě akčního potenciálu nervových vláken převáděn a zpracováván v dalších oddílech nervového systému. Amplituda receptorového potenciálu je úměrná intenzitě podnětu. Receptory jsou nejcitlivější pro nejslabší podněty, se zvyšující se intenzitou podnětu je jejich odpověď relativně menší, to umožňuje receptoru přenášet užitečnou informaci ve velkém rozsahu intenzit podnětů. Dlouhodobý podnět vyvolává receptorový potenciál, jehož velikost se postupně snižuje jako projev adaptace (desenzitizace). Stupeň adaptace se liší v různých typech smyslových orgánů. Dotyk se adaptuje rychle – fázické receptory, naopak sinus caroticus, svalová vřeténka a orgány registrující chlad, bolest a inflaci plic se adaptují velmi pomalu a neúplně – tonické receptory. Akční potenciál nervových vláken může vznikat přímo na receptorové buňce při dosažení určité prahové hodnoty receptorového potenciálu (čichové receptorové buňky, taktilní receptory). Častěji však vzniká až na následujícím neuronu, kam se signál přenáší prostřednictvím mediátoru formou synaptického přenosu (chuťové buňky, vláskové buňky vnitřního ucha). Signál z receptorů se šíří nervovými dráhami a je opakovaně přepojován na jednotlivých úrovních příslušné senzorické dráhy. Přitom dochází ke zpracování informace, případně jejímu přepojení do jiných systémů (např. ze zrakové dráhy na řízení okohybných svalů). U člověka některé aferentní informace vstupují do vědomí a potom hovoříme o senzorickém vjemu. Senzorický vjem není pouhým odrazem podnětu dopadajícího na receptor, ale je to výsledek procesu výběru relevantní informace. FOTORECEPTORY Buňky fotoreceptorů (tyčinky a čípky) mají tři části – nejblíže zdroji světla je synaptické zakončení, následuje vnitřní a zevní segment. Ve vnitřním segmentu jsou soustředěny buněčné organely včetně jádra. Zevní segment obsahuje vrstvy příčně skládané plazmatické membrány (čípky), nebo disky obdobného původu (tyčinky), jejichž součástí je světlocitlivá látka. Ve tmě je membrána fotoreceptorů depolarizována (~ −40 mV) v důsledku otevřených sodíkových kanálů. Depolarizace zevního segmentu způsobuje tok draslíkových iontů vnitřním segmentem a v jeho presynaptickém útvaru jsou aktivovány napěťově řízené kalciové kanály, ionty vápníku jsou zodpovědné za výdej neurotransmiteru. Iveta Bryjová – Fyziologie I 69 V tyčinkách je jeden druh rodopsinu (světlocitlivá látka), která se skládá z bílkoviny (opsin) a izomeru vitaminu A (11-cis retinalu), proto mohou rozlišovat pouze různou intenzitu světla. Čípky oproti tyčinkám obsahují tři druhy opsinů, které se liší maximální citlivostí k různým vlnovým délkám viditelného světla (zelená, modrá, červená) umožňují proto vnímání barev. MECHANORECEPTORY Buňky, které převádějí mechanické podněty na bioelektrické signály, jsou nejčastějšími typy senzorických receptorů. Vyskytují se jako čidla doteku a tlaku v kůži, jako receptory hlubokého čití ve svalech, šlachách a kloubech, zaznamenávají tlak v močovém měchýři, trávicím traktu a cévách, jsou receptory sluchu, polohy hlavy, lineárního i úhlového zrychlení. Základem činnosti mechanoreceptorů jsou iontově řízené kanály. CHEMORECEPTORY Chemoreceptory jsou součástí vnímání chutí a čichem a také základem měření složení vnitřního prostředí organizmu, např. koncentrace O2, CO2 nebo glukózy v krvi. TERMORECEPTORY Informace o teplotě kůže (10–45 °C) je monitorována pomalu se adaptujícími receptory. Jsou založeny na činnosti termocitlivých iontových kanálů propustných pro Ca2+ . Tato změna permeability je odpovědná za vznik receptorového potenciálu. Komplexní vjem „tepla“ nebo „chladu“ je založen na činnosti dvou druhů receptorů. Chladové receptory jsou maximálně aktivovány teplotou mezi 23–28 °C, receptory pro teplo reagují nejvíce v rozmezí 38–43 °C. Jsou-li teplotní změny dostatečně rychlé, je vnímána i změna o 0,1 °C. Pomalé teplotní změny vyžadují větší rozdíl teplot a větší počet podrážděných receptorů. Pokud je teplotní podnět doprovázen i talkovým podnětem, lze jej lépe lokalizovat. Při teplotách pod 10 °C se zastavují molekulární děje podmiňující tvorbu a šíření vzruchů. Ochlazení může být tedy použito jako znecitlivující prostředek. 2.6.1 VNÍMÁNÍ VLASTNÍHO TĚLA Vnímání podnětů z povrchu těla, informace o napětí svalů, postavení kloubů, pohybu a poloze celého těla jsou zprostředkovány aktivací celé řady receptorů. Jejich afe- rentní45 vlákna jsou uložena ve spinálních gangliích a v gangliích V. (n. trigeminus – trojklanný nerv), VIII. (n. vestibulocochlearis – rovnovážný a sluchový nerv), a X. (n. vagus – bloudivý nerv) hlavového nervu (Obrázek 39). Vedou zadními kořeny do páteřní míchy, 45 Aferentní = dostředivý, přívodný, přivádějící do centra. Integrační funkce CNS, smyslové funkce 70 kde jich část po překřížení pokračuje jako tractus spinothalamicus v předních a postranních provazcích (hlavně signály z kůže). Druhá část (informace ze svalů, šlach a kloubů) je vedena zadními provazci stejné strany do jader prodloužené míchy a odtud do druhostranného talamu (tractus spinobulbothalamicus). Po přepojení v talamu směřují všechna tato vlákna do somatosenzorické oblasti mozkové kůry. Obrázek 39 Hlavové nervy. Zdroj [42]. KOŽNÍ SMYSLOVÉ ORGÁNY Existují čtyři kožní smysly: dotyk – tlak (tlak je trvalý dotyk), chlad, teplo a bolest. Kůže obsahuje různé typy senzorických zakončení. Jsou to holá nervová zakončení, rozšířená zakončení nervových vláken (Merkelovy disky a Ruffiniho tělíska) a opouzdřená zakončení (Paciniho tělíska, Meissnerova tělíska, Krauseho tělíska). Ruffiniho a Paciniho tělíska se nacházejí také v hlubokých vazivových tkáních. Senzorické nervy končí u vlasových folikulů. Nejlépe prozkoumaná jsou Vaterova-Paciniho tělíska, uložená v hlubších vrstvách kůže. Mechanoreceptory citlivé na dotek a tlak, se podle své odpovědi na setrvalý podnět dají rozdělit na dvě kategorie. Polovina z nich se rychle adaptuje a odpovídá salvou vzruchů jen při začátku a konci podnětu (fyzické receptory). Druhá skupina se adaptuje pomalu a odpovídá trvalou aktivitou po celou dobu podnětu (tonické receptory). Rychle se adaptující receptory proto hlásí změny tlaku, zatímco pomalu se adaptující informují spíše o intenzitě tlaku. I. čichový nerv II. zrakový nerv III. okohybný nerv IV. kladkový nerv V. trojklaný nerv VI. odtahovací nerv VII. lícní nerv VIII. sluchově rovnovážný nerv IX. jazykohltanový nerv X. bloudivý nerv XI. přídatný nerv XII. podjazykový nerv Iveta Bryjová – Fyziologie I 71 Receptory reagující na teplo a chlad stejně, jako tlaková čidla, jsou rozmístěny jednotlivě na povrchu těla. Vnímání teploty má tedy také bodový charakter. Receptory citlivé na chlad jsou četnější, než receptory reagující na teplo. Receptory bolesti (nociceptory) jsou přítomny nejen v kůži a ve sliznicích, ale téměř ve všech tkáních těla (kosti, svaly, cévy, orgány zažívacího traktu, ledviny). Nejdůležitější výjimkou je nervová tkáň mozku, kde vnímání bolesti zcela chybí. VNÍMÁNÍ POLOHY A POHYBU Vnímání polohy a pohybu vlastního těla (propriorecepce) je založeno na souhře řady receptorových systémů. Uplatňují se smyslová čidla v kloubech, šlachách a svalech. Receptory v polokruhovitých kanálcích a elipsovitém a kulovitém váčku středního ucha (proprioreceptory, hluboká citlivost). Pro vnímání pohybu mají význam i pomalu se adaptující receptory v kůži, reagující na její napínání. Mohou se uplatnit také informace ze zrakového analyzátoru. Díky těmto receptorovým systémům můžeme vnímat polohu končetin, trupu a hlavy (polohový smysl), změnu jejich vzájemného postavení (pohybový smysl) i určit sílu a velikost odporu pro každý pohyb (silový smysl). Informace z proprioreceptorů vstupují jen částečně do vědomí, převážen slouží k reflexnímu řízení vzpřímené polohy těla, svalového tonu, uplatňují se při řízení pohybu a při prostorové orientaci. Kromě uvedených receptorů hlubokého a povrchového čití, mohou polohu a pohyby hlavy registrovat i mechanoreceptory vestibulárního ústrojí. Dále viz Kapitola 3 – Hybnost člověka a její řízení SHRNUTÍ KAPITOLY Nervový systém je důležitým řídicím a interagujícím systémem organizmu. Jeho základní funkcí je rychlý a přesný přenos informací z receptorů, jejich zpracování, uložení do paměti a vysílání nových signálů na efektory. Centrální nervová soustava (CNS) se skládá z mozku a páteřní míchy. Mícha je podle obratlů rozdělena na segmenty. Spinální nervy vystupují z páteřního kanálu až na úrovni příslušného obratle. Spinální nerv obsahuje vlákna zadních kořenů směřující k CNS (aferentní) a vlákna předních kořenů (eferentní) směřující k periferii. Nerv je svazek nervových vláken s částečně odlišnou funkcí a směrem průběhu; je tvořen množstvím axonů, které jsou obaleny myelinovou pochvou. Na průřezu míchou je patrná šedá hmota (obrazec tvarem připomínající motýla). V předních rozích míšních obsahuje hlavně buněčná těla eferentních drah (převážně ke svalům – motoneurony) a v zadních rozích míšních těla interneuronů (přepojovací neurony uvnitř CNS). Ostatní část průřezu míchy tvoří bílá hmota obsahující převážně axony vzestupných a sestupných drah. CNS je základním řídicím systémem organismu. Velmi zjednodušeně funguje v těchto krocích: – Vnímání – příjem informací z těla a okolí skrze smysly. Integrační funkce CNS, smyslové funkce 72 – Zpracování informací – od jednoduchých operací jako jsou míšní reflexy po myšlení, paměť a vybavování z paměti, rozpoznávání apod. – Reakce – ovládání svalů (motorika), specializovaných svalů (řeč) a vnitřních orgánů (autonomní systém). S ostatními orgány i s okolním světem je CNS propojeno především prostřednictvím periferního nervového systému. Periferní nervový systém je tvořen míšními nervy (31 párů), které vystupují z míchy a dále se větví do celého těla a hlavovými nervy (12 párů), které vystupují především z kmene. Autonomní nervová soustava (vegetativní) ovládá hladké svaly (např. trávicí trakt či stěna cév) včetně svaloviny stěny cév a žlázy. Rozdělujeme ji na sympatikus – převažuje při aktivitě, připravuje tělo na výkon, zrychluje srdce, rozšiřuje průdušky, spouští pocení a tlumí trávicí systém; parasympatikus – převažuje v klidu, při odpočinku a trávení, zpomaluje srdce. Mozek se skládá z prodloužené míchy (medula oblongata), mostu (pons), středního mozku (mezencefalon), mozečku (cerebellum), mezimozku (diencefalon) a koncového mozku (telencefalon). Mozkový kmen tvoří medulla oblongata, pons a mezencefalon. Mozkový kmen má v podstatě stejnou stavbu jako mícha a obsahuje např. buněčná těla mozkových nervů (nuclei – jádra) a neurony pro regulaci dýchání a krevního oběhu. Z mozkového kmene vystupují extrapyramidové dráhy46. Mozeček je důležitý pro tělesnou motoriku, uplatňuje se jak v regulaci mimovolní motoriky, tak v plánování volních pohybů. Mezimozek obsahuje talamus, což je propojovací místo téměř všech aferentních drah (z kůže, oka, ucha, … a ostatních částí mozku). K mezimozku patří také hypotalamus, který je sídlem vegetativních center. Hypotalamus prostřednictvím připojené hypofýzy sehrává dominantní úlohu v endokrinní soustavě. Koncový mozek se skládá z jader a mozkové kůry. K jádrům patří mj. bazální ganglia, důležitá pro motoriku. Likvor (liquor cerebrospinalis) obklopuje mozek (vnitřní a vnější likvorové prostory). Dvě postranní komory jsou propojeny s III. a IV. komorou a centrálním míšním kanálem. V plexus chorioidei se denně vytvoří asi 650 ml likvoru, který se resorbuje zpět v arachnoidálních klcích. Látková výměna mezi krví a likvorem, resp. mozkem je silně omezena hematoencefalickou bariérou, resp. hematolikvorovou), výjimka je látková výměna pro CO2, O2 a H2O. Některé látky, např. glukóza a aminokyseliny se přes tyto bariéry transportují pomocí speciálních mechanismů; bílkoviny nemohou tyto bariéry překonat vůbec. Překážky v odtoku likvoru vedou ke kompresi mozku a u dětí k hydrocefalu. Mozek a míchu obalují tři vazivové obaly (mozkové pleny): dura mater (tvrdá plena), uloženou na povrchu, pia mater (omozečnice) naléhající na nervovou tkáň a arachnoidea mater (pavučnice) ležící mezi nimi. Mozkové pleny jsou krevně zásobeny i inervovány z vnějšku, cestou meningeálních tepen a nervů. Mezi plenami, okosticí (lebky či míšního kanálu) a nervovou tkání popisujeme prostory – na vně od dura mater epidurální, mezi dura 46 Uplatňují v regulaci reflexních oblouků, udržování rovnováhy a postoje (mimovolní motorika), ale také v provádění hrubých pohybů velký svalů pletenců (volní motorika). Iveta Bryjová – Fyziologie I 73 mater a arachnoidea mater subdurální a mezi arachnoidea mater a pia mater subarachnoidální prostor. Tyto prostory se svým charakterem liší v případě mozku a míchy. K limbickému systému47 patří corpus amygdaloideum, gyrus cinguli (závit viditelný z mediální strany, který probíhá límcovitě podél corpus callosum.), septum (malá středová část koncového mozku před třetí komorou), dále jádra v hypothalamu corpora mamillaria, která můžeme vidět na ventrální ploše mozku, jádra v thalamu nuclei anteriores či oblast v mesencephalu area tegmentalis ventralis. Do limbického systému patří také část prefrontální kůry ve frontálním laloku. Nervová tkáň je tvořena dvěma základními typy buněk – neurony a glie. Neurony jsou specializované na přenos a zpracování signálu, glie jim zajišťují podporu. Glií rozlišujeme několik typů. Kromě toho obsahuje nervová tkáň cévy, nízké množství extracelulární matrix a nenajdeme v ní lymfatický systém. Dva základní typy nervové tkáně je šedá a bílá hmota (viz výše). Neuron je buňka variabilní velikosti i tvaru. Nejmenší neurony mají zhruba 4 μm v průměru, největší dosahují až 100 μm. Na neuronu popisujeme: tělo neuronu (perikaryon) a výběžky (axony). Mezi nimi dále rozlišujeme: axon – jeden typicky dlouhý výběžek sloužící k přenosu signálu od neuronu. Na jeho konci se nachází několik axonálních zakončení (presynaptický terminál, bouton terminaux) a dendrity – velké množství rozvětvených výběžků, které slouží k příjmu příchozích signálů. Podle přesného uspořádání výběžků rozlišujeme neurony multipolární – klasický a nejpočetněji zastoupený typ neuronů, jeden dlouhý axon a stromovitě rozvětvené dendrity; unipolární – mají pouze jeden axon a žádné dendrity – typ vyskytující se např. ve smyslových orgánech; bipolární – jeden axon a jeden dendrit, vzácný typ, např. ve zrakové dráze; pseudounipolární – z těla vystupuje jeden výběžek, který se větví na periferní výběžek (odpovídá dendritu) směřující do periferního nervového systému a centrální výběžek (odpovídá axonu) směřující do CNS – buňky spinálních ganglií. Z funkčního hlediska rozlišujeme neurony aferentní – typicky malé buňky s velmi rozvětvenými dendrity, které slouží k příjmu signálu; eferentní – velké buňky s menším množstvím dendritů a dlouhým axonem sloužící k vysílání signálu; z dalších typů lze uvést: motoneuron – neuron zapojený do motorické dráhy a podílející se na realizaci pohybu a interneuron – neuron vmezeřený mezi jiné neurony, jehož úkolem může být modulace či zpětná inhibice signálu. 47 Limbický systém je evolučně stará část mozku, která je tvořena oblastmi mozkové kůry a některými podkorovými strukturami. Je centrem emocí, paměti a motivace, pudů – primitivních vzorců chování a motivací, jež máme v sobě zakořeněné. Pro zjednodušení můžeme říci, že o jednání člověka rozhodují v zásadě dvě protikladné síly: limbický systém a jeho emoční reakce a naproti tomu prefrontální kůra – centrum „rozumného“, racionálního rozhodování. Integrační funkce CNS, smyslové funkce 74 Myelinizace, myelinová pochva je obal nervového vlákna tvořený membránou oligodendrocytu, popř. Schwannovy buňky, který slouží k izolaci (pro lepší vodivost vlákna a vyšší rychlost přenosu). Motorika je schopnost řídit příčně pruhované svaly, patří mezi základní funkce centrální nervové soustavy spočívající zejména ve vykonávání pohybů (volní, mimovolní), udržování postoje a koordinaci. Pro fungování motoriky jsou zásadní vestibulární jádra – začátek vestibulospinální dráhy; retikulární formace – začátek retikulospinální dráhy a nucleus ruber – začátek rubrospinální dráhy. Dále se uplatňují substantia nigra ve spolupráci s bazálními gangliemi a nuclei pontis ve spolupráci s mozečkem. Motoneuron je neuron přímo zapojený v motorické dráze. Rozlišujeme centrální (první, horní) a periferní (druhý, dolní) motoneuron. Míšní motoneurony udržují svalový tonus svou spontánní aktivitou. Utlumením γ-motoneuronů dosáhne retikulární formace povolení svalového vřeténka, to způsobí snížení stimulace α-motoneuronů cestou gamma-kličky a tím uvolnění svalu. Reflex představuje základní funkční jednotku motoriky a zároveň model fungování jednoduché nervové soustavy. Jednoduché reflexy probíhají na úrovni míchy, většinou pouze příslušného míšního segmentu. V nejjednodušší podobě zahrnují pouze dva neurony. Podkladem reflexu je reflexní oblouk – propojení mezi vstupem, centrem zpracování reflexu a výstupem. Podle počtu synapsí rozlišujeme reflexy monosynaptické – mezi aferentní a eferentní drahou je pouze jedna synapse; bisynaptické – do oblouku je vložen jeden interneuron; polysynaptické – součástí je větší počet neuronů; proprioceptivní – receptor je uložen ve svalu či šlaše a vnímá tedy informace o poloze částí těla, napětí svalů apod.; exteroceptivní – receptorem je hmatový receptor či volné nervové zakončení jako v příkladu. Napínací reflex je nejjednodušším reflexem. Jedná se o proprioceptivní, monosynaptický reflex. Základem jeho fungování je tzv gamma-klička. Šlachový reflex je příkladem proprioceptivního bisynaptického reflexu. Dostředivá vlákna z Golgiho šlachové tělíska, které dovede vnímat aktivní kontrakci, jsou přes inhibiční interneuron propojena na α-motoneuron. Flexorový reflex je exteroceptivní polysynaptický reflex, nejčastějším spouštěčem je bo- lest. Prostřednictvím smyslů přijímáme z okolí informace (109 bit/s, z čehož si uvědomujeme pouze nepatrnou část ~10–102 bit/s; zbytek informací se zpracovává podvědomě nebo je nepoužijeme vůbec). Prostřednictvím řeči a mimiky vydáváme do okolí ~107 bit/s. Důležité pojmy fyziologie smyslů jsou absolutní práh, rozdílový práh, prostorová a časová sumace, adaptace, receptivní pole, hanituace a senzibilizace. Kožní čití. Pojmem somatosenzorika zahrnuje všechny vjemy, které jsou vyvolány podrážděním smyslových senzorů těla (nikoliv smyslových orgánů v hlavě). Dílčími oblastmi jsou propriocepce, nocicepce a povrchová /kožní) citlivost. Hmat je důležitý smysl pro vnímání tvaru, uspořádání prostoru (stereognozie). Hlavní lokalizace receptorů je na dlani, zejména na distálních částech prstů, na jazyku a v dutině ústní. Pro stereognostické vnímání musí CNS integrovat signály sousedních receptorů do prostorového vzorce a koordinovat ho s hmatovou motorikou. Neochlupené částí kůže obsahují vřetenovitá Ruffiniho tělíska Iveta Bryjová – Fyziologie I 75 (jsou v kontaktu vždy s jedním myelinizovaným nervovým vláknem, na jehož konci je tlakový receptor – čím je vyšší tlak na kůži, tím vyšší je frekvence akčních potenciálů); Merkelovy disky, na kterých končí rozvětvení myelinizovaných nervových vláken; komplex Meissnerových tělísek, na kterých končí také jedno myelinizované nervové vlákno (senzor pro tlakové změny). Na ochlupené části kůže přebírají tuto úlohu receptory vlasových folikulů. Vater-Paciniho tělíska jsou specializovaná na vibrace. Termoreceptory kůže dělíme na citlivé pod 36 °C (chladové receptory), a teploty nad 36 °C (tepelné receptory). Čím je teplota nižší (36–20 °C), tím vyšší je frekvence akčních potenciálů z chladových receptorů. U tepelných receptorů je tomu naopak. Fotoreceptory buňky fotoreceptorů (tyčinky a čípky), mají tři části: synaptické zakončení nacházející se nejblíže zdroji světla; vnitřní segment; vnější segment. Světlocitlivá látka (rodopsin) se skládá z bílkoviny (opsin) a izomeru vitaminu A (11-cis retinalu). Energie absorbovaného světla jej mění na trans-formu, která prostřednictvím G-proteinu aktivuje cGMP-fosfodiesterázu, jejichž pokles vede k uzavírání sodíkových kanálů. V tyčinkách je jeden druh rodopsinu, proto mohou rozlišovat pouze různou intenzitu světla. V čípcích je 11-cis retinal kombinovaný se třemi druhy opsinů, které se liší maximální citlivostí k různým vlnovým délkám viditelného světla (zelená, modrá, červená) Čípky tak umožňují vnímání barev. Mechanoreceptory převádějí mechanické podněty na bioelektrické signály, jsou nejčastějším typem senzorů. Vyskytují se jako čidla doteku a tlaku v kůži, jako receptory hlubokého čití ve svalech, šlachách a kloubech, zaznamenávají tlak v močovém měchýři, trávicím traktu a cévách, jsou receptory sluchu, polohy hlavy, lineárního i úhlového zrychlení. Jejich základem činnosti jsou mechanicky řízené iontové kanály. Chemoreceptory receptory vnímající pachy, chutě a změny koncentrací chemických látek v těle. Jsou periferní (např. macula densa distálního kanálku nefronu – množství iontů v moči) a centrální (např. chemorecepční zóny pro vnímání různých látek jako je hladina glukózy a tuků – centrum hladu a sytosti v hypotalamu). Mediátorové systémy – Cholinergní systém – ovlivňuje funkce motorické, chování jedince, paměť a další komplexní psychické funkce. – Glutamátergní systém – glutamát (nejrozšířenější excitační neurotransmiter v mozku), neuriny obsahující glutamát se nacházejí zejména v mozkové kůře (v hipokampu), amygdale a bazálních gangliích. Glutamátergní systém ovlivňuje procesy spojení s učením, paměti a další psychické funkce. – GABAergní systém – je hlavní inhibiční neurotransmiter v mozku (30–40 % všech synapsí). Neurony obsahující GABA se nacházejí především v bazálních gangliích, hypotalamu, hipokampu a neokortexu. GABAergní systém ovlivňuje vigilitu a také celkové ladění organismu. Integrační funkce CNS, smyslové funkce 76 – Aspartátergní systém – aspartát je neurotransmiter spinální míchy a jeho hlavní funkcí je regulace motorických funkcí míchy a percepce bolesti. – Glycinergní systém – glycin je hlavní inhibiční neurotransmiter ve spinální míše a hraje významnou roli u spinální motoriky. – Peptidy – je jich celá řada (substance P, endorfiny, somatostatin, cholecytokinin aj.), jsou velmi časté mediátory především v hypotalamu, limbickém systému a neokortexu. Neurony obsahující somata peptidů jsou difuzně lokalizována prakticky v celém CNS. Peptidy ovlivňují především percepci bolesti (endorfiny a enkefaliny), uplatňují se v procesech učení a paměti. – Monoaminergní systém – noradrenalin, dopamin (katecholaminy) a serotonin (indolamin) jsou primární monoaminergní transmitery. Podílejí se na regulaci neuronální aktivity ve velké části mozku. – Noradrenergní systém – neurony obsahující noradrenalin jsou lokalizovány především v sympatických gangliích. Noradrenergní systém ovlivňuje vigilitu a celkové ladění organizmu. – Dopaminergní systém – neurony obsahující dopamin jsou lokalizována v substantia nigra, jejich dlouhé axony směřují do limbického systému a rozsáhlých oblastí neokortexu. Neurony umístěné v hypotalamu inervují infundibulum48 . Neurony lokalizované v retině v retině také končí. Dopaminergní systém je nezbytný pro motorické funkce realizované v bazálních gangliích a také se významně podílí na regulaci psychických funkcí. – Serotoninergní systém – neurony obsahující serotonin jsou téměř výhradně lokalizované v nuclei raphae49 . Serotoninergní systém ovlivňuje v mozkovém kmeni ARAS, filtrování senzorických funkcí, vazomotorické centrum, dechové centrum, přepojení senzorických a motorických funkcí v talamu, vegetativní a hormonální procesy v hypotalamu, učení a paměť, chování a emoce v limbickém systému a komplexní a sociální chování v prefrontální kůře. – Histaminergní systém – neurony obsahující histamin jsou umístěny výhradně v zadním hypotalamu. Nejvýznamnější rolí histaminergního systému je modulace spánku, kdy histamin napomáhá probuzení a zvyšuje pozornost. 48 Přechod hypothalamu do hypofýzy. Místo, kde se do krve přitékající do hypofýzy uvolňují hypothalamické regulační faktory liberiny, statiny; srov. portální systém,. 49 Řada jader v blízkosti střední linie (raphe mediana) sahající od prodloužené míchy (n. r. obscurus, n. r. magnus) přes Varolův most (n. r. pontis) až do středního mozku (n. r. dorsalis). V jádrech jsou přítomny skupiny buněk s vysokým obsahem serotoninu. Iveta Bryjová – Fyziologie I 77 OTÁZKY 1. Uveďte dva druhy výběžků neuronu. 2. Vyberte neurotransmitery, které se uplatňují při přenosu v autonomním nervovém systému: a) glutamát b) GABA c) dopamin d) acetylcholin e) noradrenalin 3. Kolik glukózy přibližně spotřebují buňky CNS na den? 4. Uveďte dva typy buněk nervové tkáně. 5. V předních míšních rozích začínají vlákna: a) eferentní (odstředivá) vlákna b) aferentní (dostředivá) vlákna 6. Periferní nervový systém tvoří: a) mozek b) míšní a hlavové nervy c) mícha d) sympatický a parasympatický systém 7. Doplňte čísla nebo názvy hlavových nervů a) X nerv______________________ b) Nervus trigeminus (trojklanný) ________ c) I nerv ______________________ d) II nerv _____________________ e) III nerv _____________________ Integrační funkce CNS, smyslové funkce 78 8. Autonomní nervové zahrnuje dvě části, uveďte je: 9. Místo dotyku dvou buněk, z nichž alespoň jeden je neuron, se nazývá: 10. Nervové buňky se podle počtu výběžků klasifikují, doplňte: a) Jeden axon a mnoho dendritů __________________ b) Jeden dendrit _______________________ c) Jeden dendrit a jeden axon _______________________ Správné odpovědi: 1 dendrity, axon (neurit); 2 d, e; 3 ~120 g; 4 neurony, gliové buňky (neuroglie); 5a; 6b, d; 7 a – X. hlavový nerv (nervus vagus), 7 b – V. nerv, 7 c – nervus olfactoricus (čichový), 7 d – nervus opticus (zrakový), 7 e – nervus oculomotorius (okohybný); 8 sympatikus, parasympatikus; 9 synapse, 10 a – multipolární, b – unipolární, c – bipolární. Iveta Bryjová – Fyziologie I 79 3 HYBNOST ČLOVĚKA A JEJÍ ŘÍZENÍ RYCHLÝ NÁHLED KAPITOLY Motorika, schopnost řídit příčně pruhované svaly, je jednou ze základních funkcí centrální nervové soustavy. Spočívá ve vykonávání pohybů, udržování postoje a koordinaci. Můžeme rozlišit dva základní druhy pohybu, a to volní – pohyb vykonávaný na základě vědomého záměru a mimovolní – pohyb spuštěný bez nutnosti volní kontroly, automatický. Jsou zde uvedeny obecné principy mimovolní a volní motoriky, je vysvětlena funkce mozečku v korigování výsledného pohybu. Reflex jakožto základní funkční jednotka motoriky a zároveň model fungování jednoduché nervové soustavy, je vysvětlen reflex napínací, šlachový, flexorový a zkřížený extenzorový reflex. Je popsáno řízení axiálních a distálních svalů a řízení pohybu (hybného systému) člověka. Je zde vysvětlena funkce motoneuronu a souhrnně části motorického systému a jakou funkci jednotlivé části zastávají: Motorická jednotka – spojení míchy se svalovým vláknem – motorický nerv; Páteřní mícha – základní postojové a pohybové reakce; Mozkový kmen – regulace svalového napětí a kontrola pohybu; Mozeček – udržování stoje a polohy a kontrola pohybů; Talamus – registrace pohybů; Bazální ganglia – modulace informací z mozkové kůry a tlumivý vliv na motoriku; Motorická kůra – řízení. Funkce bazálních ganglií (včetně neurotransmiterů bazálních ganglií) a mozečku kapitolu uzavírají. CÍLE KAPITOLY  Popsat somatickou a motorickou aktivitu  Pochopit řízení axiálních a distálních svalů  Popsat motorický systém  Popsat motorický výstup jak reflexní, tak řízený vůlí  Vysvětlit řízení hybného systému  Popsat význam bazálních ganglií a mozečku ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU 3 hodiny KLÍČOVÁ SLOVA KAPITOLY Motorika, reflex, napínací reflex, motoneuron, motorický systém, pyramidový systém, extrapyramidový systém, bazální ganglia, mozeček, mozeček, neurotransmiter Hybnost člověka a její řízení 80 3.1 Úvod Somatická a motorická aktivita závisí výhradně na charakteru a frekvenci výbojů míšních motoneuronů a homologních neuronů v motorických jádrech hlavových nervů. Tyto neurony jsou konečnou společnou dráhou ke kosterním svalům. Do každého míšního motoneuronu přichází mnoho vstupů z téhož míšního segmentu. Integrovaná aktivita těchto četných vstupů z úrovně míchy, prodloužené míchy, mezencefala a mozkové kůry reguluje polohu těla a umožňuje koordinovaný pohyb. Pohybový vzorce pro volní pohyb je plánován uvnitř mozku a povely jsou vysílány ke svalům primárně cestou kortikospinálního a kortikobulbárního systému. Poloha je soustavně upravována systémy regulujícími polohu nejen před pohyby, ale i v jejich průběhu. Pohyb je uhlazován a koordinován mediální a intermediální částí mozečku (spinocerebellum) a jeho spoji. Bazální ganglia a laterální části cerebella (neocerebellum) jsou součástí zpětnovazebného okruhu do premotorické a motorické kůry, která se zabývá přípravou a organizací volních pohybů [7]. 3.1.1 OBECNÉ PRINCIPY Motorický výstup je jednak reflexní (mimovolní) a jednak řízený vůlí. Jako pododdíly reflexních pohybů musí být přidány rytmické odpovědi – polykání, žvýkání, škrábání a chůze, které jsou převážně mimovolní, ale mohou být vůlí upravovány a řízený. Příkazy pro volní pohyby pocházejí z korových asociačních oblastí. Pohyby jsou plánovány jak v kůře, tak i v bazálních gangliích a laterálních částech mozečkových hemisfér. Bazální ganglia i cerebelum „pumpují“ informace thalamickými drahami do motorické a premotorické kůry. Motorické příkazy z motorické kůry jsou z velké části přiváděny cestou kortikospinálních a odpovídajících kortikobulbárních drah k motoneuronům v mozkovém kmeni. Hlavní dráhy mozkového kmene podílející se na udržování polohy a koordinaci, jsou tractus rubrospinalis, reticulospinalis, tectospinalis a vestibulospinalis a odpovídající projekce k motoneuronům mozkového kmene [7]. REFLEX Reflex je základní funkční jednotka motoriky a zároveň model fungování jednoduché nervové soustavy. Jednoduché reflexy probíhají na úrovni míchy, většinou pouze příslušného míšního segmentu. V nejjednodušší podobě zahrnují pouze dva neurony. Podkladem reflexu je reflexní oblouk – propojení mezi vstupem, centrem zpracování reflexu a výstu- pem. Podle počtu synapsí rozlišujeme reflexy monosynaptické – mezi aferentní a eferentní drahou je pouze jedna synapse; bisynaptické – do oblouku je vložen jeden interneuron; polysynaptické – součástí je větší počet neuronů. Dále rozlišujeme reflexy proprioceptivní – receptor je uložen ve svalu či šlaše a vnímá tedy informace o poloze částí těla, napětí Iveta Bryjová – Fyziologie I 81 svalů apod. a exteroceptivní – receptorem je hmatový receptor či volné nervové zakončení jako v příkladu. Napínací reflex je nejjednodušším reflexem. Jedná se o proprioceptivní, monosynaptický reflex. Základem jeho fungování je tzv. gamma-klička. Dojde-li k pasivnímu natažení svalu, natáhnou se spolu s ním i na jeho vláknech ukotvená intrafuzální vlákna. Podráždění senzitivních zakončení v nich automaticky způsobí aktivaci α-motoneuronu a tím kontrakci svalu – to zabrání jeho přetržení. Přijde-li naopak podnět k aktivní kontrakci svalu, jsou kromě α-motoneuronů excitovány i γ-motoneurony. Vlákna svalového vřeténka se tak zkrátí stejně jako svalová vlákna. Výhodou tohoto uspořádání je, že mozečku stačí k nastavení správného svalového tonu ovlivnit prostřednictvím γ-motoneuronů pouze tonus intrafuzálních vláken – extrafuzální vlánka se stáhnou automaticky cestou gamma-kličky. Šlachový reflex je proprioceptivní bisynaptický reflex. Dostředivá vlákna z Golgiho šlachové tělíska dovedou vnímat aktivní kontrakci, jsou přes inhibiční interneuron propojena na α-motoneuron. Tento reflex při kontrakci svalu inhibuje aktivitu α-motoneuronů a tlumí kontrakci, působí tak jako „zpětná vazba“. Flexorový reflex je exteroceptivní polysynaptický reflex a jeho nejčastějším spouštěčem je bolest. Při bolestivém podnětu dochází k aktivaci α-motoneuronů svalu, který před bolestí „ucukne“, dále dojde přes interneuron k inhibici α-motoneuronů svalových antagonistů, aby byl pohyb možný a k aktivaci zkříženého extenzorového reflexu. Zkřížený extenzorový reflex je polysynaptický reflex především na dolních končetinách a následuje po reflexu flexorovém. ŘÍZENÍ AXIÁLNÍCH A DISTÁLNÍCH SVALŮ Pro řízení motoriky je důležité, že v mozkovém kmeni a míše, mediální a dorzální dráhy a neurony zajišťují pohyby trupu a proximálních částí končetin, kdežto laterální dráhy se zabývají řízením svalů distálních částí končetin. Axiální svaly zajišťují posturální funkce a velké pohyby, zatímco distální svaly končetin jsou ty, které umožňují jemné obratné pohyby. Neurony v mediální části předního roku míchy tak například inervují proximální svaly končetin (zvláště flexory), kdežto neurony postranní části předního roku míchy inervují distální svaly končetin. Podobně tak přední část kortikospinální dráhy a mediálních sestupných drah z kmene (tr. tectospinalis, tr. retuculospinalis, tr. vestibulospinalis) se podílejí na přizpůsobování proximálních svalů a postoje, zatímco laterální kortikospinální dráha a dráha rubrospinální určují činnost svalů distálních částí končetin a zejména v případě laterální kortikospinální dráhy umožňují přesné volní pohyby. Fylogeneticky jsou mediální dráhy staré, laterální naopak nové [7]. Hybnost člověka a její řízení 82 3.1.2 ŘÍZENÍ HYBNÉHO SYSTÉMU Pohybový projev člověka je velmi organizovaná činnost, která zajišťuje vzpřímenou polohu těla a umožňuje pohyb. Kosterní svalstvo je ovládáno somatickou složkou nervové soustavy (mozek, mícha a z nich vycházející mozkové a míšní nervy). Na řízení motoriky se podílejí prakticky všechny oddíly CNS. Předpokladem veškeré hybnosti je reflexní svalový tonus [43]. Podnět pro realizaci volního pohybu vychází z prefrontální asociační oblasti, kde sídlí schopnost rozhodování a plánování. Tato oblast dostává z ostatních korových oblastí informace o poloze těla i o vnějším světě a může tak zvolit vhodnou odpověď. Při plánování pohybu se uplatňuje jak okruh bazálních ganglií – připraví základní pohybové vzorce, tak okruh kůra – neocerebellum – thalamus – kůra, který zajistí přesnou koordinaci pohybu a řízení složitějších naučených pohybů. K ZAPAMATOVÁNÍ VÝSLEDNÝ NAPLÁNOVANÝ POHYB JE PAK REALIZOVÁN CESTOU PYRAMIDOVÉ DRÁHY. POMOCÍ EXTRAPYRAMIDOVÝCH DRAH POD VLIVEM BAZÁLNÍCH GANGLIÍ A MOZEČKU JE NASTAVEN SPRÁVNÝ SVALOVÝ TONUS A UDRŽEN POSTOJ A ROVNOVÁHA. MOTORICKÝ SYSTÉM  Motorická jednotka – spojení míchy se svalovým vláknem – motorický nerv.  Páteřní mícha – základní postojové a pohybové reakce.  Mozkový kmen – regulace svalového napětí a kontrola pohybu.  Mozeček – udržování stoje a polohy a kontrola pohybů.  Talamus – registrace pohybů.  Bazální ganglia – modulace informací z mozkové kůry a tlumivý vliv na moto- riku.  Motorická kůra – řízení. Iveta Bryjová – Fyziologie I 83 Obrázek 40 Řízení hybného systému [43]. MOTONEURON Motoneuron je neuron přímo zapojený v motorické dráze. Rozlišujeme centrální (první, horní) a periferní (druhý, dolní) motoneuron. Centrální motoneuron je buňka, ze které vychází vlákno sestupné motorické dráhy (pyramidová buňka motorické kůry, ze které vychází pyramidová dráha). Centrální motoneurony jsou také neurony v mozkovém kmeni v případě extrapyramidových drah. Periferní motoneuron je buňka předního míšního rohu, tělo neuronu, jehož axon tvoří motorický nerv jdoucí ke svalu. Takový motoneuron je označován jako α-motoneuron. OSTATNÍ NÁZVY  Pyramidový systém – vlákna laterální kortikospinální dráhy tvoří v prodloužené míše pyramidy, proto je tato dráha také často označována jako pyramidová dráha (systém).  Extrapyramidový systém – zbytek sestupných drah kmene a míchy, které neprocházejí pyramidami a které se podílejí na posturální regulaci se označují jako extrapyramidový systém. Ventrální kortikospinální dráha neprochází jen pyramidami, mnoho pyramidových vláken zajišťuje jiné funkce, a systém, který bývá označován jako extrapyramidový, je tvořen mnoha různými dráhami s četnými funkcemi. Hybnost člověka a její řízení 84 BAZÁLNÍ GANGLIA Bazální ganglia jsou velká jádra složená z nervových buněk. Ganglia jsou uložena v podkoří obou hemisfér. Skládají se z několika samostatných oddílů různého původu a různého zapojení. V činnosti bazálních ganglií a jejich podílu na řízení hybnosti je mnoho nejasného. Bazální ganglia se podílí na učení se pohybovým vzorcům a regulují aktivitu motorické kůry tak, aby byly pohyby prováděny plynule a hladce. Jsou zapojena spolu s mozkovou kůrou a thalamem do okruhu, který probíhá ve dvou drahách – přímé (kůra → striatum → globus pallidus medialis → thalamus → kůra) a nepřímé (kůra → striatum → glubus pallidus lateralis → nucleus subthalamicus → globus pallidus medialis → thalamus → kůra). Neurotransmitery bazálních ganglií 1. Glutamát – nejrozšířenější excitační neurotransmiter CNS. 2. GABA – nejvýznamnější inhibiční neurotransmiter. 3. Dopamin – neurotransmiter s celou řadou funkcí, důsledek jeho uvolnění závisí především na receptoru na postsynaptické membráně. Dopamin tak může mít excitační i inhibiční funkci. K ZAPAMATOVÁNÍ BAZÁLNÍ GANGLIA SE PODÍLÍ NA UČENÍ SE POHYBOVÝM VZORCŮM A REGULUJÍ AKTIVITU MOTORICKÉ KŮRY TAK, ABY BYLY POHYBY PROVÁDĚNY PLYNULE. Poškození bazálních ganglií se projevuje nepravidelnými krouživými pohyby končetin a záškuby svalů [43]. Při Parkinsonově nemoci chybí dopamin ze substantia nigra, čímž je posílena nepřímá, inhibiční dráha. Pohyby takto postiženého člověka jsou trhané, zpomalené a v klidu se objevuje třes; při Huntingtonově chorobě je problém ve striatu a je porušena regulace přímé dráhy. Motorická kůra je nadměrně aktivována a dochází k vůli neovlivnitelným rychlým nekoordinovaným pohybům končetin či celého těla [32]. MOZEČEK Mozeček (cerebellum) je spojen silnými stonky s koncovým mozkem a s mozkovým kmenem. Mozeček se skládá ze dvou polokoulí (hemisfér) a spojovacího mozečkového červu (vermis). Na povrchu mozečku je silně rozbrázděná mozečková kůra, pod kterou je bílá hmota (dráhy). V bílé hmotě leží mozečková jádra. Kůra mozečku má zcela odlišnou stavbu i funkci než mozková kůra. Především nemá schopnost uchovávat paměťové stopy. Mozeček je spojen s mozkovou kůrou, s bazálními ganglii, s kmenem a s míchou. Hlavním Iveta Bryjová – Fyziologie I 85 zdrojem informací pro mozeček jsou vestibulární a míšní dráhy přivádějící údaje o poloze a pohybu hlavy a končetin. K ZAPAMATOVÁNÍ MOZEČEK SE VÝZNAMNĚ UPLATŇUJE JAK V REGULACI MIMOVOLNÍ MOTORIKY, TAK V PLÁNOVÁNÍ VOLNÍCH POHYBŮ. Mozeček se účastní řízení jak mimovolních, tak chtěných pohybů. Na základě informací vestibulárního aparátu a svalových receptorů řídí kůra mozečku napětí ve svalech a zabezpečuje vzpřímenou polohu a rovnováhu těla. Napětí svalů a stabilita těla, zajišťovaná různými svalovými skupinami, je předpokladem pro uskutečnění chtěných pohybů. Mozeček chtěné a rychlé pohyby koordinuje. Činnost mozečkové kůry: v krátkých časových impulsech vysílá signály ke svalům. Rychlý sled mozečkových impulsů je proto podkladem regulace opakovaných, rychle se střídajících pohybů [43]. SHRNUTÍ KAPITOLY Pohyb (úmyslní pohyb) je základním předpokladem existence člověka. Nezbytným předpokladem úmyslného, cíleného pohybu je zabezpečení reflexních mimovolných pohybů, kterými je zajištěna vzpřímená poloha, svalové napětí a rovnováha těla. Na řízení motoriky se podílejí prakticky všechny oddíly CNS. Předpokladem veškeré hybnosti je reflexní svalový tonus. Podněty pro zaujetí a udržování polohy těla vycházejí z vestibulárního aparátu a ze svalových a šlachových receptorů (vřetének). Receptory vestibulárního aparátu informují především o poloze a pohybech hlavy. Svalová vřeténka a šlachová tělíska vysílají údaje o poloze končetin, trupu, napětí ve svalech a pohybech svalových skupin. Mozeček (cerebellum) upřesňuje a koordinuje mimovolné pohyby a významně se podílí na udržení rovnováhy při chůzi a pohybu. Úmyslné, cílené, volní „chtěné“ pohyby jsou vyvolány impulsy vycházejícími z mozkové kůry. Chtěné pohyby jsou základem chůze, pracovní činnosti, řemeslných návyků, psaní, sportovní činnosti atd. Povely k provedení úmyslného pohybu vycházejí z rozsáhlé oblasti temenního a čelního laloku (tzv. motorická kůra, motorický korový analyzátor). Od buněk této kůry vycházejí vlákna tvořící mohutný svazek tzv. pyramidové dráhy. V motorické kůře jsou buňky řídící činnost určitých svalových skupin přesně rozloženy. Volní motorika se uplatňuje především při vykonávaní cílených pohybů; mimovolní motorika zajišťuje koordinaci (zajištění, aby pohyby byl úměrné a hladké) a udržování postoje vzhledem k vnějším silám (především gravitaci). Hybnost člověka a její řízení 86 Základním mechanismem mimovolní motoriky je reflex – automatická reakce motorických neuron na senzitivní podnět. Nejjednodušší reflexy zahrnují pouze dva neurony (jeden senzitivní a jeden motorický) a probíhají na úrovni příslušného míšního segmentu. Složitější reflexy zahrnují větší oblasti míchy, popř. některé podkorové struktury. Mimovolní motorika je regulována především retikulární formací mozkového kmene, vestibulární jádra, mozeček a bazální ganglia. Efekt je realizován prostřednictvím extrapyramidových drah, z toho důvodu bývá mimovolní motorika někdy označován jako extrapyramidový systém. Nejvyšším centem volní motoriky je motorická kůra. Záměr vykonat pohyb vychází především z prefrontální kůry. Tyto pohyby jsou plánovany ve spolupráci kůry, bazálních ganglií a mozečku – části neocerebellum. Výsledné signály jsou integrovány především v primární motorické oblasti v gyrus precentralis, odkud vychází finální podnět cestou hlavní motorické dráhy – pyramidové. Ta vede jednak k motorickým jádrům hlavových nervů a míšním motoneuronům. Volní motorika je někdy označována jako pyramidový systém. Výsledný pohyb koriguje mozeček. Motoneuron je neuron přímo zapojený v motorické dráze. Rozlišujeme centrální (první, horní) a periferní (druhý, dolní) motoneuron. Centrální motoneuron je buňka, ze které vychází vlákno sestupné motorické dráhy. Periferní motoneuron je buňka předního míšního rohu, tělo neuronu, jehož axon tvoří motorický nerv jdoucí ke svalu. Reflexní oblouk je propojení mezi vstupem, centrem zpracování reflexu a výstupem. Podle počtu synapsí rozlišujeme reflexy monosynaptické – mezi aferentní a eferentní drahou je pouze jedna synapse; bisynaptické – do oblouku je vložen jeden interneuron; polysynaptické – součástí je větší počet neuronů. Dále rozlišujeme reflexy proprioceptivní – receptor je uložen ve svalu či šlaše a vnímá tedy informace o poloze částí těla, napětí svalů apod. a exteroceptivní – receptorem je hmatový receptor či volné nervové zakončení jako v příkladu. Napínací reflex je nejjednodušším reflexem. Jedná se o proprioceptivní, monosynaptický reflex. Základem jeho fungování je tzv. gamma-klička. KOMPLIKACE PŘERUŠENÍ MÍCHY – PÉČE O PARAPLEGICKÉ A KVADRUPLEGICKÉ PACIENTY PŘINÁŠÍ KOMPLEX RŮZNÝCH PROBLÉMŮ. U VŠECH NEPOHYBLIVÝCH PACIENTŮ SE VYVÍJÍ NEGATIVNÍ DUSÍKOVÁ BILANCE A JE KATABOLIZOVÁNO VELKÉ MNOŽSTVÍ TĚLESNÝCH PROTEINŮ. VÁHA TĚLA TLAČÍ NA KOSTĚNÝCH VÝČNĚLCÍCH NA KOŽNÍ CÉVY A OMEZUJE TAK OBĚH KŮŽÍ. POKUD NENÍ PACIENT ČASTO POLOHOVÁN, KŮŽE NA TĚCHTO MÍSTECH ODUMŘE A VZNIKNOU DEKUBITÁLNÍ VŘEDY. DEKUBITY SE ŠPATNĚ HOJÍ A VZHLEDEM K PROTEINOVÉ Iveta Bryjová – Fyziologie I 87 DEPLECI JSOU NÁCHYLNÉ K INFEKCI. MEZI ROZKLÁDANÉ TKÁNĚ PATŘÍ TAKÉ PROTEINOVÁ MATRIX KOSTÍ, TAKŽE JE VE VELKÝCH MNOŽSTVÍCH UVOLŇOVÁN VÁPNÍK. TO VEDE K HYPERKALCÉMII A HYPERKALCIURII A V MOČOVÝCH CESTÁCH ČASTO VZNIKAJÍ KALCIOVÉ KAMÉNKY. KAMÉNKY A PARALÝZA ČINNOSTI MĚCHÝŘE MOHOU ZPŮSOBIT STÁZU MOČI. TA JE PŘI POŠKOZENÍ MÍCHY NEJČASTĚJŠÍ KOMPLIKACÍ A PREDISPONUJE MOČOVÉ CESTY K INFEKCI. Drážděním jednotlivých korových okrsků lze proto např. vyvolat záškuby jedné svalové skupiny nebo i jednoho svalu. Největší plochu kůry mají „vyhrazeny“ svaly ruky (palce), jazyka a hrtanu (řeč a práce). Funkce periferního nervového systému může být rozdělena na senzorickou a motorickou část. Senzorické (dostředivé) neboli aferentní nervy přinášejí impulsy z receptorů uložených na pokožce, v kloubech, svalech a dalších části periferií do CNS. Zatímco motorické (odstředivé) neboli eferentní nervy přinášejí impulsy z CNS do jednotlivých krajin těla. Mícha obsahuje jak motorické tak senzorické nervy. Z míchy vystupuje 8 párů krčních nervů, 12 párů hrudních, 5 párů bederních, 5 párů křížových a 1 pár coccygeal nervů. Funkci jednotlivých nervových kořenu lze nastudovat například z [43]. Bazální ganglia jsou velká jádra složená z nervových buněk. Ganglia jsou uložena v podkoří obou hemisfér. Bazální ganglia se podílí na učení se pohybovým vzorcům a regulují aktivitu motorické kůry tak, aby byly pohyby prováděny plynule. Neurotransmitery bazálních ganglií jsou: glutamát, GABA a dopamin. OTÁZKY 1. Vyberte struktury tak, jak jdou za sebou v přímé dráze bazálních ganglií. a) kůra → striatum → globus pallidus medialis → thalamus → kůra b) striatum → kůra → thalamus → globus pallidus medialis → kůra c) kůra → thalamus → globus pallidus medialis → kůra → striatum 2. Označte, co mají volní a mimovolní motorika společné: a) oba systémy ovládají svaly prostřednictvím alfa-motoneuronů b) oba systémy využívají k ovládání svalů extrapyramidové dráhy c) oba systémy jsou řízeny hlavně z kůry d) na obou systémech se významně podílí mozeček 3. Uveďte tři typy neurotransmiterů bazálních ganglií: _____________________________________________________________________ Hybnost člověka a její řízení 88 4. Nejvýznamnější inhibiční neurotransmiter bazálních ganglií je: a) Glutamát b) GABA 5. Propojení mezi vstupem, centrem zpracování reflexu a výstupem se označuje jako: a) Ventrální kortikospinální dráha b) Mimovolní motorika c) Reflexní oblouk 6. Buňka, ze které vychází vlákno sestupné motorické dráhy je: a) centrální motoneuron b) periferní motoneuron 7. Jako α-motoneuron je označován: a) centrální motoneuron b) periferní motoneuron 8. Pokud je do oblouku vložen pouze jeden interneuron, jedná se o: a) monosynaptický reflex b) bisynaptický reflex 9. Pokud je receptor uložený ve svalu či šlaše a vnímá informace o poloze částí těla, napětí svalů apod., jedná se reflex: a) proprioceptivní b) exteroceptivní 10. Impulsy přinášené z receptorů uložených na pokožce, v kloubech, svalech a dalších části periferií do CNS zajišťují: a) aferentní nervy b) eferentní nervy Správné odpovědi: 1a; 2a,b,d; 3 GABA, glutamát, dopamin; 4b; 5c; 6a; 7b; 8b; 9a; 10a. Iveta Bryjová – Fyziologie I 89 4 FUNKCE ŽLÁZ S VNITŘNÍ SEKRECÍ, ZÁKLADNÍ ÚČINKY HORMONŮ RYCHLÝ NÁHLED KAPITOLY Endokrinní žlázy produkují působky, chemické posly (hormony), které regulují činnost jiných tkání a orgánů. Na rozdíl od žláz, které produkují navenek viditelný sekret (mléčná žláza, slinné žlázy apod.), uvolňují endokrinní žlázy své hormony do krve, označují se též jako žlázy s vnitřní sekrecí. V kapitole jsou probrány endokrinní orgány: glandula thyroidea – štítná žláza; glandulae parathyroideae – příštítná tělíska; pars endocrina pancreatis – endokrinní část pankreatu (Langerhansovy ostrůvky); glandula pinealis – epifýza (šišinka); glandulae suprarenales – nadledviny; glandula pituitaria – hypofýza (podvěsek mozkový); hypothalamo-hypofysární systém. Mezi další endokrinně činné okrsky organismu se počítá difuzní endokrinní systém. CÍLE KAPITOLY  Pochopit funkci jednotlivých endokrinních žláz v těle  Umět objasnit rozdíly endokrinních a exokrinních žláz  Vysvětlit funkcí a účinky hormonů  Popsat endokrinní systém a jeho jednotlivé součástí ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU 6–8 hodin KLÍČOVÁ SLOVA KAPITOLY Hormony, žláza, endokrinologie, endokrinní, exokrinní, endokrinní systém, hypotalamus, hypofýza, štítná žláza, příštítná tělíska, kůra nadledvin, dřeň nadledvin, gonády 4.1 Základní pojmy Žláza – je každý orgán našeho těla, jehož základní funkcí je tvorba látek v sekretorických buňkách. Poté jsou látky vylučovány a dopraveny k buňkám tělesných systémů; žlázy jsou dvojí: 1. Žlázy s vnější sekrecí (exokrinní žlázy), a to:  žlázovým vývodem (slinná žláza, pankreas, játra …) Funkce žláz s vnitřní sekrecí, základní účinky hormonů 90  póry v kůži a sliznicích (mazové a potní žlázy …) 2. Žlázy s vnitřní sekrecí (endokrinní žlázy), které své produkty (působky, hormony):  Secernují do krevního oběhu s cílem regulovat funkce vzdálených tkání a or- gánů,  secernují do mezibuněčného prostoru s působením na krátké vzdálenosti, tj. na buňky vedlejší či vlastní. Endokrinologie – je vědní disciplína medicíny, která se zabývá soustavou žláz s vnitřní sekrecí produkujících hormony, poznáváním jejich struktur, diagnostikou a léčbou hormonálních poruch a endokrinních nemocí. Některé poruchy a choroby žláz s vnitřní sekrecí jsou vyčleněny z oboru endokrinologie a jsou náplní jiných specializovaných odborností (diabetologie, obezitologie, porodnictví a gynekologie, urologie, kardiologie, …). K ZAPAMATOVÁNÍ ENDOKRINNÍ ŽLÁZA – ŽLÁZA S VNITŘNÍ SEKRECÍ, KTERÁ NEMÁ VÝVOD A SVÉ VÝMĚŠKY HORMONY VYLUČUJE PŘÍMO DO KRVE. NEJDŮLEŽITĚJŠÍ ŽLÁZY JSOU PODVĚSEK MOZKOVÝ HYPOFÝZA, ŠTÍTNÁ ŽLÁZA, PŘÍŠTÍTNÁ TĚLÍSKA PARATYREOIDEA, NADLEDVINY, POHLAVNÍ ŽLÁZY VAJEČNÍKY, VARLATA, LANGERHANSOVY OSTRŮVKY SLINIVKY BŘIŠNÍ. LÁTKY CHARAKTERU HORMONŮ VŠAK PRODUKUJÍ I DALŠÍ BUŇKY ROZTROUŠENÉ V RŮZNÝCH ORGÁNECH NAPŘ. V TRÁVICÍM ÚSTROJÍ. 4.2 Duhy hormonů a jejich účinky HORMONY Hormony jsou chemické sloučeniny, které v organismu slouží k přenosu informací při řízení funkcí orgánů a metabolických procesů. Hormony se tvoří ve žlázách s vnitřní sekrecí (hypofýza, štítná žláza, příštítná tělíska, nadledvinky, Langerhansovy ostrůvky v pankreatu, vaječníky, varlata) nebo v difuzně rozesetých endokrinních buňkách (v CNS, C-buňkách, štítné žláze, thymu, srdečních síních, ledvinách, játrech, trávicím ústroji, aj.). Jsou to tedy endogenní, tělu vlastní látky. V buňkách uložených rozptýleně ve tkáních jsou secernovány i hormony, které působí parakrinně, tj. na sousední buňky (parahormony, tkáňové hormony nebo mediátory). Také neurony secernují50 hormony (např. adrenalin, oxytocin, antidiuretický hormon). Endokrinní účinky vykazují i některé signální látky imunitního systému, například tymozin a různé cytokiny. 50 Secernovat = vylučovat produkty tkáňové nebo buněčné. Iveta Bryjová – Fyziologie I 91 Sekrece hormonů je:  Kontinuální (tyroidální hormony)  S diurnálním51 rytmem (kortizol)  S měsíčním rytmem (menstruační cyklus)  Sezónní rytmus (parathormon) Účinky hormonů jsou:  Autokrinní – účinek na buňku samotnou  Parakrinní – účinek na buňky okolní  Endokrinní – účinek na vzdálené buňky  Neurokrinní – produkovány nervovou tkání Lokální hormony (prostaglandiny) jsou molekuly, které produkují a vylučují sekretorické buňky; ovlivňují funkci orgánů, ve kterých jsou vytvořeny. Parathormony (tkáňové hormony) jsou molekuly tvořené ve tkáních a orgánech, jakými jsou např.:  Žaludek, střevo: gastrin, ghrelin, sekretin, cholecystokinin  Játra: angiotenziogen, trombopoetin  Srdce: atriální natriuretický peptid  Ledviny: renin, erytropoetin  Mozek: endorfiny  Endotel: endoteliny  Tuková tkáň: leptin K ZAPAMATOVÁNÍ HORMONY JSOU MOLEKULY, KTERÉ JSOU PRODUKOVÁNY A VYLUČOVÁNY PŘÍMO DO KREVNÍHO OBĚHU SHLUKY SEKRETORICKÝCH BUNĚK BEZ VÝVODU, A OVLIVŇUJÍ TAK FUNKCI NĚKTERÝCH ZÁKLADNÍCH OR- GÁNŮ. 4.2.1 DĚLENÍ HORMONŮ Podle chemické struktury a biosyntézy rozeznáváme tyto skupiny hormonů: 1. Peptidy – hydrofilní peptidové hormony (prolaktin, somatostatin, glukagon, …) a glykoproteiny (FSH, TSH, …) – jsou uloženy do zásoby v sekrečních granulech a podle potřeb vydávány exocytózou. Tvoří se v endoplazmatickém retikulu jako 51 Opakující se ve 24hodinové periodě. Funkce žláz s vnitřní sekrecí, základní účinky hormonů 92 preprohormony do aktivní podoby v Golgiho aparátu. Receptory mají na povrchu buněk. Hormony peptidové povahy viz Tabulka 6. 2. Steroidy – steroidní hormony (testosteron, estrogeny, androgeny, glukokortikoidy, …) a jim příbuzný kalcitriol jsou lipofilní a vznikají látkovou přeměnou z cholesterolu. Nejsou ukládány do zásoby, ale v případě potřeby jsou ve zvýšené míře syntetizovány; jsou uvolňovány z endokrinních buněk. Tvoří se v cytoplazmě z cholesterolu, počáteční a konečná fáze probíhá v mitochondriích; neuchovávají se (na podnět se během minut tvoří de novo); receptory se nalézají v cytoplazmě buněk; po vazbě na receptor se komplex receptor-hormon váže k DNA a spouští transkripci. Hormony steroidní povahy viz Tabulka 7. Nízkomolekulární hormony odvozené od modifikovaných aminokyselin – deriváty tyrozinu (tyroxin T4, trijodtyronin T3, adrenalin, noradrenalin, dopamin) vznikají při látkové při látkové přeměně. Tvoří se v cytoplazmě buněk, receptory se nacházejí na povrchu buněk; transport volný; po vazbě na receptor otevírají spřažený iontový kanál (acetylcholin, adrenalin, noradrenalin). Deriváty aminokyselin viz 3. Tabulka 8. 4. Prostanoidy (prostaglandiny a tromboxany). Tabulka 6 Hormony peptidové povahy Hormony peptidové povahy Hypothalamus Liberiny, statiny Neurohypofýza ADH, oxytocin Adenohypofýza STH, ACTH, TSH, FSH, LH, PRL Příštítná tělíska Parathormon Štítná žláza (parafolikulární buňky) Kalcitonin Langerhansovy ostrůvky pan- kreatu Inzulin, Glukagon Tabulka 7 Hormony steroidní povahy Hormony steroidní povahy Kůra nadledvin Aldosteron, kortizol, pohlavní hormony Testes Testosteron Ovaria Progesteron, Estrogeny Příštítná tělíska Parathormon Placenta Estrogeny, Progesteron Iveta Bryjová – Fyziologie I 93 Tabulka 8 Nízkomolekulární hormony odvozené od modifikovaných AMK Deriváty aminokyselin Dřeň nadledvin Adrenalin, Noradrenalin Epifýza Melatonin Štítná žláza (folikulární buňky) T3, T4 * Obrázek 41 Místa selektivního působení hormonů. 4.2.2 ENDOKRINNÍ SYSTÉM Endokrinní systém je tvořen žlázami s vnitřní sekrecí, které jsou rozmístěny na různých částech těla. Spolu s nervovou soustavou řídí všechny tělesné funkce. Zatímco nervový systém využívá jako prostředek řízení nervových impulzů, endokrinní systém k tomu využívá chemických molekul - hormonů. Tyto hormony jsou vytvářeny v endokrinních žlázách, uvolňovány do krevního oběhu a tím se dostávají k cílovým tkáním. Tyto tkáně mají receptory, do kterých zapadají hormony jako klíč do zámku. Některé z cílových tkání mohou být jiné endokrinní žlázy a jeden hormon pak vyvolává tvorbu dalšího hormonu52 . Všechny endokrinní žlázy jsou pečlivě řízeny systémem zpětné vazby. Kupříkladu množství hormonů štítné žlázy působí jako regulační faktor na hypotalamus a hypofýzu – je-li toto množství nízké, stimuluje se více TRH a TSH, je-li vysoké, sekrece TRH a TSH 52 Př.:Hypotalamus vytváří a uvolňuje do oběhu tyrotropin uvolňující hormon (TRH). Ten působením na hypofýzu vyvolává tvorbu tyrotropinu (tyreoideu stimulujícího hormonu, TSH). TSH pak stimuluje štítnou žlázu k tvorbě hormonů štítné žlázy – tyroxinu (T4) a trijodtyroninu (T3), které řídí metabolické děje. Funkce žláz s vnitřní sekrecí, základní účinky hormonů 94 se tlumí. V některých případech, jako u hormonů štítné žlázy, je snahou organizmu udržovat v krvi relativně konstantní množství těchto hormonů. Některé hormony mají denní či měsíční sekreční cykly. Kupř. kortizol produkovaný nadledvinami má maximum sekrece ráno a minimum v noci, zatímco folikuly stimulující hormon (FSH) a luteinizařní hormon (LH), tvořené hypofýzou, mění svou sekreci v průběhu menstruačního cyklu. Některé hormony, jako např. adrenalin, jsou v krvi jen ve velmi malých koncentracích a stoupají za zvláštních situací, jako adrenalin při stresu. ENDOKRINNÍ SYSTÉM TVOŘÍ:  Hypotalamus  Hypofýza  Štítná žláza  Příštítná tělíska  Kůra nadledvin  Dřeň nadledvin  Gonády 4.2.3 HYPOTALAMO-HYPOFYZÁRNÍ SYSTÉM V hypotalamu se převádějí 1. humorální signály (např. cirkulující hormony, jako je kortizol) na eferentní neurony a 2. eferentní nervové impulzy na humorální signály (neu- rosekrece). NEUROSEKRECE Určité hormony hypotalamu jsou schopné syntetizovat hormony, balit je do granul a v této podobě je dopravit do zakončení nervových vláken53 a uvolňovat je do krve. Tímto způsobem se například dostává oxytocin a ADH až do zadního laloku hypofýzy (neurohypofýza). Oxytocin vyvolává u ženy porodní kontrakce děložní svaloviny a stimuluje ejekci mléka. Dráždění prsních bradavek při kojení (sání) vyvolává na základě neurohumorálního reflexu sekreci oxytocinu a prolaktinu. V adenohypofýze jsou secernovány čtyři glandotropní hormony ACTH, TSH, FSH a LH a dva aglandotropní54 hormony prolaktin a STH. Sekreci růstového hormonu STH (somatotropní hormon)podněcuje mj. syntézu bílkovin (anabolický účinek) a růst kostry. 53 Axoplazmatický transport 54 S přímým tkáňovým účinkem Iveta Bryjová – Fyziologie I 95 4.2.4 METABOLISMUS SACHARIDŮ, HORMONY PANKREATU Glukóza je v metabolismu člověka centrálním zdrojem energie, přičemž mozek a erytrocyty jsou na ní závislé absolutně. Koncentrace glukózy v plazmě (hladina glukózy, glykémie) je určena na jedné straně její spotřebou, a na druhé straně její tvorbou. PRO POCHOPENÍ METABOLISMU SACHARIDŮ JSOU DŮLEŽITÉ TYTO POJMY: 1. Glykolýza – v užším smyslu tím rozumíme anaerobní odbourávání glukózy na laktát. Glykolýza probíhá v erytrocytech, ve dřeni ledvin a částečně v kosterních svalech. Aerobně-oxidativně je glukóza štěpena především v CNS, v srdečním a kosterním svalu a ve většině ostatních orgánů. 2. Glykogeneze – je tvorba glykogenu z glukózy (játra, svaly); slouží uskladňování glukózy do zásoby a udržování stále glykémie. Ve svalech může být glykogen skladován pouze pro místní energetickou spotřebu. 3. Glykoneogeneze (v játrech a kůře ledvin) je označení pro novotvoření glukózy z nesacharidových látek (→ aminokyselin, např. glutamin), laktátu (→ z anaerobní glykolýzy ve svalech a erytrocytech) a z glycerolu (→ z odbourávání tuku). 4. Lipolýza je odbourávání tuků, při němž vznikají glycerol a volné mastné kyseliny. 5. Lipogeneze je tvorba tuků do zásoby v tukové tkáni. Rozhodující úlohu v metabolismu sacharidů hrají Langerhansovy ostrůvky pankreatu. Rozeznáváme v nich tři typy buněk A (α – asi 25 %, produkují glukagon), B (β – 60 %, vytvářejí inzulin) a D (δ – 10 % secernují somatostatin). Tyto hormony navzájem parakrinně ovlivňují (ne zcela objasněným způsobem) svou tvorbu a sekreci. Buňky ostrůvků v hlavě pankreatu syntetizují navíc pankreatický polypeptid, jehož fyziologická funkce je nejasná. Hormony se dostávají portální krví ve vysoké koncentraci do jater. FUNKCE PANKREATICKÝCH ENZYMŮ 1. Ukládání živin přijatých potravou, v podobě glykogenu a tuku do zásoby 2. Mobilizace energetických rezerv během hladovění, při tělesné námaze, stresových situacích (glukagon, adrenalin). 3. Udržování glykemie na co nejkonstantnější hodnotě. 4. Stimulace růstu. INZULIN Inzulin je peptid tvořený 51 aminokyselinami. Poločas inzulinu je 5–8 minut a je odbouráván hlavně v játrech a ledvinách. Hlavním podnětem pro sekreci inzulinu je zvýšení glykemie. Při stimulaci sekrece probíhají tyto kroky: plazmatická glukóza ↑ → glukóza v β-buňce ↑ → oxidace glukózy ↑ → ATP v buňce ↑ → ATP-řízené K+ -kanály se zavírají → depolarizace → potenciálem řízené Ca2+ -kanály se otevírají → Ca2+ v buňce ↑. Vzestup Ca2+ vyvolává exocytózu inzulinu Funkce žláz s vnitřní sekrecí, základní účinky hormonů 96 a znovuotevření K+ -kanály. Sekrece inzulinu je stimulována především v průběhu trávení cholinergními vlákny vagu, gastrinem, sekretinem. Výdej inzulinu zvyšují i určité aminokyseliny (především arginin, leucin), volné mastné kyseliny, řada hypofyzárních hormonů a některé steroidní hormony. Sekreci inzulinu tlumí adreanlin, noradrenalin a neuropeptid galanin. Výrazný pokles hladiny glukózy (hladovění, dlouhodobá fyzická námaha) je registrován chemoreceptory pro glukózu v CNS a v odpověď je reflexně aktivován sympati- kus. Účinky inzulinu – inzulin snižuje glykemii, působí anabolicky, podporuje tvorbu tuků a ukládání glukózy do zásoby, především v játrech → zde indukuje enzymy, které podněcují glykolýzu a glukogenezi a potlačují enzymy odpovědné za glukoneogenezi. Všechny uvedené děje snižují po příjmu potravy zvýšenou koncentraci glukózy v plazmě. Asi 2/3 glukózy postprandiálně resorbované ze střeva se takto přechodně uskladňuje. V průběhu interdigestivní fázi je opět glukagonem mobilizována. Tímto má především silně závislý CNS na glukóze k dispozici nabídku glukózy relativně málo závislou na příjmu potravy. Inzulin zabezpečuje ukládání aminokyselin v podobě bílkovin zejména v kosterním svalstvu /anabolismus), stimuluje růst a lipogenezi a ovlivňuje distribuci K+ . GLUKAGON, SOMATOSTATIN, SOMATOTROPIN Glukagon je peptidový hormon z α-buněk. Hlavními podněty pro sekreci glukagonu jsou aminokyseliny z bílkovin potravy (alanin a arginin), dále hypoglykemi (hladovění, dlouhotrvající fyzická námaha) a stimulace sympatiku. Účinky glukagonu jsou z větší části antagonisté vůči inzulinu. Spočívají především v udržování dostatečné úrovně glykemie v době mezi příjmy potravy a při velké spotřebě glukózy, a tím v zabezpečování zdroje energie. Tohoto efektu je dosaženo zvýšenou glykogenolýzou v játrech, glukoneogenezí z laktátu a aminokyselin (odbourávání bílkovin = katabolimus) a z glycerolu (z lipolýzy). Somatostatin z δ-buněk se uvolňuje stejně jako inzulin při zvýšení koncentrace glukózy a argininuv krvi (po jídle); parakrinně tlumí uvolňování inzulinu. Tímto inhibuje somatostatin nejen sekreci gastrinu, který podporuje proces trávení, ale také ukončuje inzulin-dependentní ukládání živin do zásoby. Somatostatin tlumí i sekreci glukagonu. Nedostatek glukózy a s ním spojené uvolňování katecholaminů sekreci somatostatinu sníží a tím uvedené efekty potlačí. Somatotropin má akutní účinek podobný inzulinu. Jeho dlouhodobé působení však glykemii zvyšuje, což působí pozitivně na růst. 4.2.5 HORMONY ŠTÍTNÉ ŽLÁZY Štítná žláza je jednou z největších endokrinních žláz lidského těla. Štítná žláza obsahuje kulovité folikuly, v jejichž buňkách se tvoří hormony obsahující jod, tyroxin (T4) a trijodtyronin (T3). Tyto hormony mají účinek téměř na všechny buňky těla a regulují jejich metabolickou aktivitu. Štítná žláza obsahuje kulovité folikuly, v jejichž buňkách se tvoří hormony obsahující jod, tyroxin (T4) a trijodtyronin (T3). Dalším hormonem syntetitzovaným Iveta Bryjová – Fyziologie I 97 štítnou žlázou (přesněji v C-buňkách štítné žlázy) je kalcitonin. Ten nemění metabolický obrat, ale zasahuje do metabolismu iontů kalcia (a fosfátů). TYROXIN Tyroxin (T4) se vyskytuje se ve dvou formách a to vázaný na bílkoviny krevní plazmy a na tyto bílkoviny nevázaný tzv. volný – fT4 (free tyroxin). Tato část (v porovnání menší) je ovšem mnohem důležitější neboť je přímým metabolickým předstupněm k daleko účinnějšímu trijodtyroninu. Tyroxin prostřednictvím metabolitu trijodtyroninu působí na hospodaření tkání lidského organismu s živinami, dále má vliv na nervovou soustavu a pohlavní žlázy. TRIJODTYRONIN Trijodtyronin (T3) je hormon produkovaný specializovanými buňkami štítné žlázy. Vyskytuje se ve dvou formách a to vázaný na bílkoviny krevní plazmy a na tyto bílkoviny nevázaný tzv. volný – fT3 (free trijodtyronin). Tato část v porovnání menší je ovšem mnohem důležitější, neboť je přímým trijodtyroninu působí na činnost tkání lidského organismu s živinami, dále má vliv na nervovou soustavu a pohlavní žlázy. Má stejné spektrum i mechanismus účinků jako tyroxin, ale je však účinnější a působí rychleji. REGULACE SEKRECE HORMONŮ ŠTÍTNÉ ŽLÁZY Regulace probíhá po ose hypotalamus-adenohypofýza-štítná žláza → z hypotalamu se uvolňuje neurosekreční hormon tyreoliberin (TRH – tyreotropin releasing hormon) → vyvolává sekreci TSH v adenohypofýze → sekrece TSH se inhibuje somatostatinem → TSH se váže na své receptory na membráně tyreocytu55 (T3 a T4 působí negativní zpětnou vazbou) → vztah mezi koncentrací FT4 a produkcí a produkcí TSH je logaritmicko-lineární → pokles FT4 na polovinu způsobí vzrůst TSH 160x!!! → Proto má stanovení roto má stanovení TSH klíčovou úlohu. T3 a T4 ovlivňují tělesný růst, zrání a metabolismus. Řízení sekrece hormonů – tripeptid TRH56 z hypotalamu stimuluje v adenohypofýze sekreci TSH57 , zatímco somatostatin ji tlumí. Metabolismus jodu – jod cirkuluje v krvi ve třech formách:  Anorganický (2–10 μg/l)  Organický nehormonální jod  Jod obsažený v T3 a T4 vázaných na plazmatické bílkoviny (35–80 μg/l) 55 Tyreocyt – buňka štítné žlázy. 56 Tyreotropin uvolňující hormon. 57 Tyreostimulační hormon produkovaný předním lalokem hypofýzy. Funkce žláz s vnitřní sekrecí, základní účinky hormonů 98 K ZAPAMATOVÁNÍ DENNÍ POTŘEBA JODU ČINÍ OKOLO 150 μg. VYLOUČENÝ JOD MUSÍ BÝT NAHRAZEN PŘÍJMEM V POTRAVĚ. NA JOD BOHATÁ JE NAPŘ. MOŘSKÁ SŮL, MOŘSKÁ ZVÍŘATA, OBILÍ VYROSTLÉ V PŮDĚ BOHATÉ NA JOD. NEDOSTATEČNÝ OBSAH JODU V POTRAVINÁCH BÝVÁ NAHRAZOVÁN JODOVÁNÍM KUCHYŇSKÉ SOLI. JOD JE OBSAŽEN I V MATEŘSKÉM MLÉCE, PROTO HO KOJÍCÍ ŽENY POTŘEBUJÍ VÍCE (ASI 200 μg/den). Deficit T3/T4 způsobuje — podle klinického obrazu onemocnění závislého na hladině hormonu — dva stavy: 1. Hypotyreózu, kdy je činnost žlázy snížená a onemocnění se projevuje sníženou aktivitou jedince, malátností, nepřiměřenou únavností. Dochází k otoku celého těla, kůže je suchá, zhrubělá, hlas níže posazený. Nemocný je zimomřivý. 2. Hypertyreózu, která se projevuje zcela opačně. Pacient netoleruje teplo, zvýšeně se potí, ztrácí na váze. Je celkově aktivován, má nepravidelnou srdeční činnost. Je přítomen třes v rukách a oční koule mohou „vylézat z důlků“ (exoftalmus). K hypertyreóze může dojít při terapii heparinem, dále amiodaronem58 a v neposlední řadě v graviditě, kde je ovšem možný i stav opačný – hypotyreóza. Při nedostatku hormonu v dětství dochází k poruchám duševních schopností ve smyslu snížené inteligence, dále k poruchám růstu a sexuálních funkcí. KALCITONIN Kalcitonin (tyreokalcitonin) je také peptidový hormon a tvoří se v parafolikulárních buňkách (C-buňky) štítné žlázy, které jsou rovněž vybaveny receptory pro Ca2+ . Koncentraci kalcitoninu v plazmě mnohonásobně zvyšuje hyperkalcemie, kdežto při koncentraci Ca2+ < 2 mmol/l již není žádný kalcitonin prokazatelný. Kalcitonin snižuje (zvýšený) obsah Ca2+ v séru, především svým účinkem na kosti. Tlumí v nich aktivitu osteoklastů a podporuje (přechodně) zvýšené ukládání Ca2+ v kostech. KALCIOFOSFÁTOVÝ METABOLISMUS Kalciofosfátový metabolismus neboli hospodaření s vápníkem a fosforem je hormonálně regulováno parathormonem, kalcitoninem (viz výše) a vitaminem D. Vápník zejména v podobě iontů Ca2+ má ústřední postavení v regulaci mnoha buněčných funkcí. Podílí se 2 % na tělesné hmotnosti; z toho je 99 % v kostech; 1 % je rozpuštěno v tělesných tekutinách. Celková koncentrace kalcia v séru činí normálně 2,1– 58 Lék používaný při léčbě srdečních onemocnění. Iveta Bryjová – Fyziologie I 99 2,6 mmol/l. Asi 60 % tohoto množství je vlně filtrovatelné (nedifuzibilní). Tato vazba na bílkoviny závisí na pH krve a zvětšuje se při jeho vzestupu, protože za těchto podmínek se na bílkovinách uvolňuje více vazebných míst pro Ca2+ . Následkem toho klesá při alkalóze ionizované Ca2+ a při acidóze stoupá. Proto může při alkalóze (např. v důsledku hyperventilace) dojít k tetanii jako při hypokalcemii. K udržení vyrovnané kalciové bilance musí být příjem a výdej Ca2+ v rovnováze. Denní příjem vápníku činí asi 12–35 mmol/den (1 mmol = 40 mg). Na vápník bohaté potraviny jsou mléko, sýry, vejce. Při vyrovnané Ca2+ bilanci se většina požitého kalcia opět vyloučí stolicí a močí, zatímco při nedostatku Ca2+ se ve střevě zresorbuje až 90 % vápníku potravy. S metabolismem kalcia je úzce spojen metabolismus fosfátů, ten však není tak přísně řízen, jako hospodaření s Ca2+ . Kalciovou a fosfátovou homeostázu řídí parathormon, kalcitriol a s určitým omezením také kalcitonin (viz výše). Především působí na střevo, ledviny a kosti. ZVÝŠENÁ POTŘEBA CA2+ NASTÁVÁ V GRAVIDITĚ A KOJENÍ; DÍTĚ PŘIJÍMÁ PLACENTOU ASI 625 mmol A POZDĚJI MATEŘSKÝM MLÉKEM AŽ 2000 mmol CA2+ A ZABUDOVÁVÁ JE DO SVÉ KOSTRY. V PRŮBĚHU A PO SKONČENÍ GRAVIDITY A KOJENÍ SE OBJEVUJE POMĚRNĚ ČASTO NEDO- STATEK Parathormon je peptidový hormon, tvoří se v příštítných tělíscích. Syntéza a výdej parathormonu jsou řízeny koncentrací iontů Ca2+ v plazmě, pro které mají buňky příštítných tělísek vlastní receptor. Klesne-li koncentrace pod hranici normy (hypokalcemie) stoupá výdej parathormonu do krve, stoupá-li nad normu, uvolňování parathormonu klesá. Všechny účinky parathormonu jsou zaměřeny na opětovné zvýšení (předtím snížené) hladiny Ca2+ . (1) V kostech se aktivují osteoklasty → odbourávání kostí a uvolňování Ca2+ a fosfátů. (2) Parathormon stimuluje poslední „renální“ krok při syntéze kalcitriolu, který pak stimuluje ve střevě resorpci Ca2+ . (3) Parathormon zvyšuje v ledvinách syntézu kalcitriolu a resorpci Ca2+ , což je zvlášť důležité při zvýšeném přílivu Ca2+ v důsledku účinků (1) a (2). Kromě toho tlumí parathormon resorpci fosfátů. Vzniklá hypofosfatemie podněcuje uvolňování Ca2+ z kostí. K ZAPAMATOVÁNÍ NEDOSTATEK PARATHORMONU NEBO JEHO NEÚČINNOST (HYPO– NEBO PSEUDOHYPOPARATYREOIDISMUS) MÁ ZA NÁSLEDEK HYPOKALCEMII (DESTABILIZACE KLIDOVÉHO POTENCIÁLU → KŘEČE, TETANIE) A SEKUNDÁRNÍ DEFICIT KALCITRIOLU. NAOPAK NYDBYTEK PARATHORMONU (HYPERPARATYREOIDISMUS), STEJNĚ JAKO MALIGNÍ OSTEO- Funkce žláz s vnitřní sekrecí, základní účinky hormonů 100 LÝZA59, KTERÁ PŘEKROČÍ MOŽNOSTI REGULACE Ca2+, ZPŮSOBUJÍ HYÚERKALCEMII; DLOUHODOBÁ HYPERKALCEMIE MÁ ZA NÁSLEDEK KALCIFIKCE (LEDVINY) A PŘI Ca2+ > 3,5 mmol/l KÓMA, INSUFICIENCI LEDVIN A PORUCHY SRDEČNÍHO RYTMU. Kalcitriol lipofilní, steroidům podobný hormon, jehož syntézy se účastní vícero orgánů. V kůži vzniká ze 7-dehydrocholesterolu účinkem UV záření přes mezistupeň (provitamin D) cholekalciferol60 (kalciol, vitamin D3). Oba produkty se v krvi vážou na transportní protein pro vitamin D (DBP); kalciol má vyšší afinitu, proto je transportován přednostně. Provitamin D tak zůstane ještě nějaký krátký čas po ozáření (slunce, horské slunce) v kůži. Transportní protein DBP je vlivem estrogenů produkován ve zvýšené míře v graviditě, vážou se na něj kalcidiol a kalcitriol). Nejdůležitějším cílovým orgánem kalcitriolu je střevo, dále působí i na kosti, ledviny, placentu, mléčné žlázy, vlasové folikuly, kůži a další orgány. Při nedostatečné expozici UV záření je nutné podávat kalciol orálně jako vitamin. Děti potřebují asi 400 jednotek = 10 μg/d, dospělí polovinu. Místo vitaminu D3, který je získáván ze zvířat, je možné podávat stejně účinný ergokalciferol (= vitamin D2) rostlinného původu. K ZAPAMATOVÁNÍ ZVÝŠENÍ HLADINY KALCITRIOLU ZPŮSOBUJE PARATHORMON, SECERNOVANÝ VE ZVÝŠENÉ MÍŘE PŘI HYPOKALCEMII, ÚBYTEK FOSFÁTŮ A PROLAKTIN (LAKTACE!). POKLES HLADINY KALCITRIOLU NASTÁVÁ TAK, ŽE KALCITRIOL PŘÍMO TLUMÍ ENZYM 1-α-HYDROXYLÁZU; TLUMÍ SEKRECI PARATHORMONU A PODPOROU STŘEVNÍ RESORPCE Ca2+ A RESORPCE FOSFÁTŮ OPĚT ZVYŠUJE JEJICH KONCENTRACI V PLAZMĚ. Nejdůležitějším cílovým orgánem kalcitriolu je střevo, dále působí i na kosti, ledviny, placentu, mléčné žlázy, vlasové folikuly, kůži a další orgány. Kalcitriol normálně stimuluje resorpci Ca2+ ve střevech a mineralizaci skeletu → CAVE! Při předávkování naopak kosti odvápňuje (efekt potencovaný parathormonem). Kalcitriol zvyšuje Ca2+ a fosfátů v ledvinách, placentě a mléčných žlázách. K ZAPAMATOVÁNÍ PŘI PŘECHODNÉ HYPOKLACEMII SLOUŽÍ KOSTI JAKO KRÁTKODOBÝ 59 Významný úbytek kostní tkáně až její vymizení v důsledku malignity. 60 Cholekalciferol (kalciol) je přeměňován v játrech na kalcidiol. Kalcidiol je v plazmě v koncentraci 25 μg/l a má poločas 15 dní, představuje tak podstatnou zásobu. Teprve v ledvinách (mj. také v placentě) vzniká vlastní účinná látka kalcitriol. Iveta Bryjová – Fyziologie I 101 Ca2+ PUFR, DEFICIT Ca2+ JE VŠAK NAKONEC VYROVNÁN JEHO ZVÝŠENÝM PŘÍJMEM ZE STŘEVA PODMÍNĚNÝM KALCITIOLEM. POKUD NENÍ K DISPOZICI DOSTATEK KALCITRIOLU (NAPŘ. NEDOSTATEK VITAMINU D NEBO PORUCHOU TRÁVENÍ TUKŮ, AJ.), NASTÁVÁ DEMINERALIZACE SKELETU (OSTEOMALACIE, U DĚTÍ RACHITIS). PŘÍČINOU JE PŘEVÁŽNĚ TRVALE ZVÝŠENÁ SEKRECE PARATHORMONU VYVOLANÁ CHORNICKOU HYPOKALCÉMIÍ. 4.3 Biosyntéza steroidních hormonů Mateřskou látkou steroidních hormonů je cholesterol (→ obsahuje 27 atomů uhlíku; vzniká přes mezistupně: pregnenolon → progesteron, ze kterého se dále syntetizují další steroidní hormony61 ). Cholesterol vniká zejména v játrech z acetylkoenzymu A a je transportován v lipoproteinech k endokrinním žlázám. De novo může být cholesterol syntetizován také v kůře nadledvin, ale nikoliv v placentě. Steroidní hormony jsou skladovány v místech své produkce (kůra nadledvin, vaječník, varlata, placenta). Odbourávání steroidních hormonů probíhá zejména v játrech a vyloučeny žlučí nebo močí. Hlavní formou vylučování estrogenů je estriol, gestagen (progesteron) pregnandiol. Jeho stanovení v moči se využívá k průkazu těhotenství. Vzestup hladiny estrogenů u mužů (např. při sníženém odbourávání estrogenů při jaterním poškození) se projevuje jako gynekomastie. 4.4 Hormony kůry nadledvin – glukokortikoidy Kůra nadledvin (zona glomerulosa) produkuje tzv. mineralokortikoidy aldosteron, kortikosteron a 11-deoxykortikosteron. V oblasti kůře nadledvin (zona fasciculata) se syntetizuje především glukokortikoid kortizol (hydrokortizon) a v malé míře také kortizon. V zona reticularis probíhá tvorba nadledvinových androgenů (např. dehydroepiandrosteron). Tvorbu a uvolňování kortizolu řídí CRH62 a ACTH63 . Receptorové proteiny pro glukokortikoidy byly zjištěny prakticky ve všech orgánech. Účinky glukokortikoidů pro život nezbytných jsou mnohostranné, mj. ovlivňují následující funkce: 61 Hormony kůry nadledvin, androgeny (mužské pohlavní hormony) ve varlatech, vaječnících a kůře nadledvin, estrogeny /ženské pohlavní hormony). 62 Kortikoliberin (též hormon uvolňující kortikotropin – CRH nebo faktor uvolňující kortikotropin – CRF) je peptidový hormon hypothalamu složený ze 41 aminokyselin. Stimuluje syntézu a sekreci hormonu ACTH (adrenokortikotropinu) z hypofýzy. 63 Adrenokortikotropní hormon (ACTH) je hormonem předního laloku hypofýzy (adenohypofýzy), který řídí činnost kůry nadledvin. Kůra nadledviny je tvořena třemi vrstvami – zona glomerulosa, zona fasciculata a zona reticularis. Funkce žláz s vnitřní sekrecí, základní účinky hormonů 102  Metabolismus sacharidů a tuků – kortizol zvyšuje koncentraci glukózy v krvi, působí katabolicky (odbourává tkáňové bílkoviny → ↑vylučování močoviny).  Srdce a krevní oběh – glukokortikoidy ↑ sílu srdečního tahu a působí vazokonstrikci, kortizol zvyšuje tvorbu adrenalinu v dřeni nadledvin a angiotenzinogenu v játrech.  Glukokortikoidy ve vyšších dávkách působí protizánětlivě a protialergicky tím, že tlumí syntézu lymfokinů a uvolňování histaminu a stabilizuje lyzozomy.  Ledviny – glukokortikoidy zpomalují vylučování vody a udržení normální hladiny GFR.  Žaludek – glukokortikoidy oslabují ochranu žaludeční sliznice (→ vysoké dávky kortizolu nebo silný stres ↑ riziko žaludečních vředů).  Mozek – vysoká hladina glukokortikoidů v mozku ovlivňuje hypotalamus, změny EEG a psychiky. Stres nebo fyzická či psychická námaha stimuluje prostřednictvím zvýšeného uvolňování CRH a zvýšením sympatického tonu sekreci kortizolu. Při stresu se tedy projevují mnohé z účinků kortizolu: mobilizace energetického metabolismu, zvýšení srdečního výkonu aj.). Při sepsi nebo depresi se hladina kortizolu udržuje po celý den na velmi vysoké úrovni, tj. až desetinásobek normální hodnoty. SHRNUTÍ KAPITOLY Hormony jsou produkty endokrinních žláz. Aby mohly hormony účinkovat, musí se spojit se s receptorem, který je pro daný hormon přesně určen, hormony se nemohou navázat na jiné receptory než na ty, které jim jsou určeny. Hlavní funkce endokrinního systému je humorální řízení. Jako kontrolní systém pro žlázy s vnitřní sekrecí reguluje, řídí a koordinuje součinnost organismu s nervovou soustavou, udržuje homeostázu, reguluje metabolismus, reguluje odezvu organismu na stres, hlavní regulátor růstu, regulátor reprodukce, uplatňuje se při regulacích dlouhodobějšího charakteru, na rozdíl od nervového systému (ten reaguje hned), endokrinní žlázy vylučují chemické posly = hormony, které cirkulují v těle a ovlivňují vzdálené orgány (nervový systém využívá pro přenosy vzruchů specializovanou tkáň), neuroendokrinní vztahy jsou řízeny částmi mozku – hypotalamem a hypofýzou → hypotalamo-hypofyzární sytém. Přehled endokrinních žláz:  hypothalamus  podvěsek mozkový (hypophysis)  šišinka (epiphysis)  štítná žláza (glandula thyroidea)  příštítná tělíska (glandulae parathyroideae)  slinivka (pankreas) Iveta Bryjová – Fyziologie I 103  nadledvinky (glandulae suprarenales)  varlata (testes)  vaječníky (ovaria) – folikul, corpus luteum, placenta Hypotalamo-hypofyzární systém je součást neuroendokrinního systému (= systém propojující nervové signály se signály endokrinními), zajišťuje spojení s ostatními oddíly centrálního nervového systému, řídí ostatní žlázy s vnitřní sekrecí. Součástí hypotalamo-hypofyzárního systému je hypotalamus (část mezimozku) a podvěsek mozkový (hypophysis cerebri) – stopka hypofýzy, adenohypofýza, neurohypofýza. Prostřednictvím hypotalamo-hypofyzárního systému je neustále regulována a řízena endokrinních žláz podle působení zevních vlivů na CNS → navození rytmičnosti endokrinních funkcí. Hypotalamus Hypotalamus je část mezimozku, tvoří dolní část a spodinu III. mozkové komory, několik desítek jader (periventrikulární, mediální, laterální), pohlavní dimorfismus v případě některých jader (u mužů jsou větší; menší např. i u homosexuálů). Funkce hypotalamu jsou komplexní, reguluje snad všechny (důležité) aktivity, jako je regulace tělesné teploty, regulace příjmu potravy a tekutin, regulace sexuálního chování (pravděpodobně i sexuální orientace), regulace emocí, nadřazená struktura pro autonomní nervový systém, regulace cirkadiánních rytmů, nadřazená struktura pro hormonální regulaci adenohypofýzy → liberiny – stimulují její funkci, statiny – tlumí její funkci (každý hormon adenohypofýzy má svůj liberin a statin); a produkce hormonů neurohypofýzy (vasopresin=antidiuretický hormon, oxytocin). Hormony hypotalamu: hormon uvolňující tyrotropin (TRH), stimuluje syntézu a sekreci TSH z hypofýzy; hormon uvolňující gonadotropin (GnRH), stimuluje syntézu a sekreci gonadotropních hormonů z hypofýzy; hormon uvolňující růstový hormon (GHRH), stimuluje syntézu a sekreci STH z hypofýzy; hormon uvolňující kortikotropin = kortikoliberin ( CRH), stimuluje syntézu a sekreci ACTH z hypofýzy; somatostatin je produkován i jinými tkáněmi (např. hypotalamus), tlumí produkci růstového hormonu; dopamin neurotransmiter, prolaktin inhibující hormon. Hypofýza Hypofýza (hypophysis cerebri) rozšíření výběžku hypotalamu, velikost 13 x 8 mm, uložena v jamce (turecké sedlo-sella turcica) v os sphenoidale, stopkou spojena s hypolamem – vedou cévy, nervy a výběžky nervových vláken hypotalamu, dominantní postavení v endokrinním systému – vrchol většiny endokrinních os; 2 anatomicky a funkčně odlišné části: adenohypofýza (epiteliální struktura) a neurohypofýza (neurální struktura), obě části jsou propojeny portálním oběhem (a. hypohysea inferior). Funkce žláz s vnitřní sekrecí, základní účinky hormonů 104 Adenohypofýza – přední lalok hypofýzy, produkce hormonů regulována liberiny a statiny (z hypotalamu), trámce žlázových buněk a široké kapiláry, tři části: pars distalis – tvorba většiny hormonů, pars intermedia a pars tuberalis. Hormony adenohypofýzy: somatotropin (STH) = růstový hormon, podporuje proteosyntézu, ovlivňuje růst jedince, podporuje proliferaci chondrocytů v růstových ploténkách; prolaktin (PRL) stimuluje rozvoj mléčné žlázy, podpora produkce mléka; thyreotropní hormon (TSH) stimuluje syntézu a uvolňování hormonů štítné žlázy; gonadotropní hormony – folikulostimulační hormon (FSH) u žen stimuluje zrání folikulů, u mužů podporuje spermatogenezi, luteinizační hormon (LH) u žen inhibuje růst vajíčka a zvyšuje pro renokortikotropní hormon (ACTH) stimuluje růst kůry nadledvin, stimuluje produkci glukokortikoidů; melanocyty stimulující hormon (MSH) stimuluje melanocyty k produkci melaninu a přenosu jeho granul do keratinocytů v kůži a ve vlasech. Neurohypofýza – zadní lalok hypofýzy, složena z rozšířených výběžků nervových buněk jader hypotalamu a z krevních kapilár, „skladovací prostor“ pro hormony syntetizované hypotalamem, hormony jsou uvolňovány do krve exocytózou. Hormony: neurohypofýzy: vasopresin (antidiuretický hormon = ADH) zvyšuje propustnost distálních kanálků ledvin pro sodné ionty a vodu (vstřebávání nazpět do organismu) snižuje ztráty vody, zvyšuje krevní tlak; oxytocin na konci těhotenství navozuje stahy děložní svaloviny, při kojení vyvolává stahy hladkého svalstva mlékovodů. ENDOKRINNÍ ŽLÁZY Štítná žláza (glandula thyroidea) – párová žláza umístěna na kraniálním konci průdušnice, naléhá na štítnou chrupavku, 2 laloky spojené můstkem. Podílí se na regulaci metabolismu (hormony), ovlivňuje pankreas, nadledvinky, příštítná tělíska a pohlavní orgány. Hormony štítné žlázy: thyroidní hormony – trijódthyronin (T3), tyroxin (T4), poměr T4:T3 je 20:1, jsou vázané na bílkovinu thyreoglobulin, tyroxin je prohormon, v tkáních se z něj tvoří T3, produkce tyroxinu je řízena TSH. Jsou důležitými diferenciačními faktory během nitroděložního vývoje (vývoj mozku), zvyšují úroveň bazálního metabolismu a spotřeby kyslíku v tkáních, ovlivňují látkovou přeměnu živin, podporují účinek jiných hormonů (katecholaminů); kalcitonin – regulace vápníku v krvi. Příštítná tělíska (glandulae parathyroideae), 4 drobné čočkovité útvary na zadní straně štítné žlázy; reguluje metabolismus vápníku v organismu. Hormony příštítných tělísek: parathormon – podporuje uvolňování vápníků z kostí při jeho snížené hladině v krvi, tlumí vylučování vápníku v ledvinách, sekrece parathormonu je řízena jednoduchou zpětnou vazbou Langerhansovy ostrůvky (insulae pancreaticae) – endokrinní část pankreatu, tvoří 2– 3% pankreatu; regulají hladiny glukózy v krvi (glykémie; alfa buňky – ve dřeni ostrůvku Iveta Bryjová – Fyziologie I 105 (20% tkáně), produkce glukagonu; beta buňky – na periferii ostrůvku (70% tkáně), produkce inzulinu, delta buňky – variabilní pozice v ostrůvku (5% tkáně), produkce somato- statinu. Hormony: inzulin – snižuje hladinu cukru v krvi → glykogeneze, bazální sekrece – vylučován kontinuálně, sekrece záleží na hodnotě glykémie (čím víc glukózy, tím vyšší produkce inzulinu); glukagon udržuje vyrovnanou hladinu glykémii, impulzem pro sekreci je hypoglykémie; somatostatin je produkován i jinými tkáněmi (např. hypotalamus, střevo), tlumí produkci růstového hormonu (STH), snižuje produkci TSH, inhibuje produkci hormonů GIT, inzulinu a glukagonu; pankreatický polypeptid – parakrinní funkce, pravděpodobně ovlivňuje funkci exokrinního pankreat. Nadledvinky (glanduale suprarenales), párové žlázy umístěné na horním pólu ledvin. Hormony kůry: její funkce je řízena hypofýzou (ACTH), produkce pohlavních hormonů a kortikosteroidů: aldosteron (mineralokortikoid), reguluje hospodaření se sodíkem (stimuluje jeho zpětnou resorpci v distálních tubulech ledvin); kortizol (glukokortikoid), zvyšuje hladinu glukózy v krvi, protizánětlivý efekt. Hormony dřeně: funkce je řízena nervově (sympatikem), produkce stresových hormonů: adrenalin – připravuje na zátěž, zvyšuje tepovou frekvenci, zvýšení systolického tlaku, uvolňuje dýchací svaly, zvyšuje hladinu glukózy v krvi; noradrenalin – zvyšuje diastolický tlak, vasokonstrikce → zvyšuje krevní tlak, neurotransmiter sympatiku. OTÁZKY 1. Žlázy s vnější sekrecí jsou žlázy: a) endokrinní b) exokrinní 2. Žlázy s vnitřní sekrecí jsou žlázy: a) exokrinní b) endokrinní 3. Chemické sloučeniny, které v organismu slouží k přenosu informací při řízení funkcí orgánů a metabolických procesů se nazývají: _________________________________ 4. Hormony se tvoří v: a) pouze ve žlázách s vnitřní sekrecí b) pouze ve žlázách s vnější sekrecí c) ve žlázách s vnitřní sekrecí a endokrinních buňkách Funkce žláz s vnitřní sekrecí, základní účinky hormonů 106 5. Lokálním hormonům se také říká: __________________________ 6. Tkáňovým hormonům se také říká: _________________________ 7. Parakrinní účinek hormonu je: a) účinek na buňku samotnou b) účinek na buňky okolní c) účinek na vzdálené buňky d) účinek na nervovou tkáň 8. Endokrinní účinek hormonu je: a) účinek na buňku samotnou b) účinek na buňky okolní c) účinek na vzdálené buňky d) účinek na nervovou tkáň 9. Endokrinní systém tvoří, doplňte chybějící: a) Hypotalamus b) c) Štítná žláza d) Příštítná tělíska e) f) g) Gonády 10. V hypotalamu se tvoří: a) Antidiurertický hormon, oxytocin b) Parathormon c) Inzulin, glukagon 11. V příštítných tělíscích se tvoří hormon: a) Parathormon b) Inzulin, glukagon c) Vasopresin 12. Poměr T4:T3 je zhruba: a) 20:1 b) 10:5 c) 20:10 Správné odpovědi: 1b; 2b; 3 hormony; 4c; 5 prostaglandiny; 6 parathormony; 7b; 8c; 9b – hypofýza, 9e kůra nadledvin, 9f dřeň nadledvin; 10a; 11a; 12a. Iveta Bryjová – Fyziologie I 107 5 KREV, LYMFA. KARDIOVASKULÁRNÍ FUNKCE, KREVNÍ KAPILÁRY, FUNKCE A ŘÍZENÍ. RYCHLÝ NÁHLED KAPITOLY V kapitole je popsána oběhová soustava, malý a velký plicní oběh. Dále jsou zde popsány tělní tekutiny (intracelulární a extracelulární tekutina), složení tělních tekutin, krev a její jednotlivé složky, je vysvětlen proces krvetvorby (hematopoéza) a hemostáza. CÍLE KAPITOLY  Popsat složení tělních tekutin  Uvést zastoupení intracelulárních a extracelulárních tekutin  Vyčíslit rozložení vody v organismu  Vysvětlit pojem hematopoéza  Vysvětlit pojem hemostáza  Popsat krevní elementy  Pochopit princip hematopoézy a význam pluripotentních buněk ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU 4 hodiny KLÍČOVÁ SLOVA KAPITOLY Tělní tekutiny, intracelulární tekutina, extracelulární tekutina, krev, hematopoéza, hemostáza, leukocyty, erytrocyty, trombocyty, krevní plazma, hemoglobin. Tato kapitola je věnována krvi a lymfě a činnostem buněk, které obsahují. Kapitola byla zkompilována převážně ze zdrojů [7, 39, 47]. ÚVOD Oběhová soustava (cirkulace krve a lymfy) je transportní systém, jehož hlavním smyslem je rychlý transport na vzdálenosti, pro které je difuze neadekvátní. Hlavní funkcí oběhové soustavy je dodávání kyslíku a látek vstřebaných v trávicím ústrojí tkáním a odvádění oxidu uhličitého do plic a ostatních metabolických produktů do ledvin. Mimo jiné se podílí na regulaci tělesné teploty, roznáší hormony a další látky regulující funkci buněk. Krevní transportní systém se u člověka skládá ze soustavy trubic (cév), kterými krev díky čerpacímu zařízení – srdci – proudí. Srdce se skládá ze dvou sériově zapojených pump, Krev, lymfa. Kardiovaskulární funkce, krevní kapiláry, funkce a řízení. 108 které pumpují krev uzavřeným systémem krevních cév, který je rovněž sériově uspořádán do dvou oběhů – velkého (systémového) a malého (plicního). Oba oběhy jsou složeny ze sériově zapojených tepen, kapilár a žil; systémový oběh je navíc složen z řady paralelně zapojených okruhů, které vyživují jednotlivé orgány a tkáně. Systémový (velký) krevní oběh vede krev z levé komory64 arteriemi a arteriolami do kapilár, kde se vytváří a vstřebává tkáňový mok. Z kapilár teče krev venulami do větších žil a zpět do pravé síně. Malým (plicním) oběhem odtéká krev z pravé síně do pravé ko- mory65 , která ji pumpuje plicními cévami a levou síní do levé komory. V plicních kapilárách se krev ekvilibruje s O2 a CO2 v alveolárním vzduchu66 . Část tkáňových tekutin přestupuje do dalšího uzavřeného systému – mízních (lymfatických) cév. Ty odvádějí mízu (lymfu) prostřednictvím hrudního a pravého mízovodu do žilního systému (lymfatická cir- kulace). 5.1 Tělní tekutiny – extracelulární a intracelulární tekutina U dospělého člověka představuje voda přibližně 60 % celkové tělesné hmotnosti (Obrázek 42). Její podíl na tělesné hmotnosti se individuálně liší zejména podle objemu tukové tkáně v těle – čím více je tukové tkáně, tím menší podíl tělesné hmotnosti připadá na vodu. Celková tělní voda (CTV) je obsažena ve dvou hlavních kompartmentech – v intracelulární (ICT) a extracelulární (ECT) tekutině. 64 Levá komora má výrazněji vyvinutou cirkulární svalovinu, přečerpává okysličenou krev (s vyšším pO2) z plic do vysokotlakého systémového oběhu. 65 Pravá komora má výrazně tenčí stěnu, pohání nízkotlaký plicní oběh, do kterého přivádí odkysličenou krev (s nižším pO2) z celého těla. 66 Kyslík se dostává dýchacími cestami do plicních alveolů (sklípků) procesem označovaným jako ventilace, odtud difunduje do krve, z ní se přenáší přes buněčné membrány až k mitochondriím. Parciální tlak alveolárního vzduchu: kyslík – 100 mmHg; kyslík – 100 mmHg; dusík + vzácné plyny – 573 mmHg (normální atmosférický tlak je 760 mmHg (101 kPa), s rostoucí výškou tlak klesá. 1 mmHg odpovídá 133,32 Pa). Iveta Bryjová – Fyziologie I 109 Obrázek 42 Rozložení vody v organizmu 5.2 Krev Krev je suspenze formovaných buněčných elementů – bílých krvinek (leukocytů), červených krvinek (erytrocytů) a destiček (trombocytů) – v krevní plazmě. Celkový objem cirkulující krve je u dospělého člověka normálně kolem 8 % tělesné hmotnosti (~5 600 ml u 70kg muže). Z tohoto objemu tvoří přibližně 55 % plazma. Objemové zastoupení červených krvinek na celkovém objemu krve se označuje jako hematokrit67 . Krev transportuje dýchací plyny (kyslík, oxid uhličitý), živiny, katabolity, hormony, vitamíny a ionty. Transportem tepla se podílí na udržení tělesné teploty u homoiotermních68 (endotermních) živo- čichů. CELKOVÝ OBJEM KOLUJÍCÍ KRVE V LIDSKÉM TĚLE JE ASI 70 ML NA KILOGRAM HMOTNOSTI; ZA URČITÝCH OKOLNOSTÍ DOCHÁZÍ K JEHO ZVÝŠENÍ, 67 Podíl erytrocytů na celkovém objemu krve se stanovuje pomocí centrifugace nesrážlivé krve; klinická hodnota u muže je 0,39–0,57 a u ženy 0,33–0,47 (rozdílné hodnoty jsou dány vlivem pohlavních hormonů při regulaci tvorby erytrocytů prostřednictvím erytropoetinu). Důsledkem vyššího počtu erytrocytů u novorozence je i vyšší hodnota hematokritu 0,42–0,60). 68 Živočich se stálou krevní teplotou; teplota jeho těla není závislá na teplotě okolního prostředí. Tělesná hmotnost 70 kg 100 % CTV 42 litrů 60 % tělesné hmotnosti ICT 28 litrů 40 % tělesné hmotnosti ECT 14 litrů 20 % tělesné hmotnosti tkáňový mok 10,5 litrů 15 % tělesné hmotnosti plazma 3,5 litru 5 % tělesné hmostnosti Krev, lymfa. Kardiovaskulární funkce, krevní kapiláry, funkce a řízení. 110 NEBO SNÍŽENÍ. V KRVI SAMOTNÉ KROMĚ TOHO MŮŽE BÝT NORMÁLNÍ, ZVÝŠENÝ NEBO SNÍŽENÝ POČET KREVNÍCH ELEMENTŮ (ERYTROCYTŮ), COŽ VEDE KE ZMĚNÁM V POMĚRU MEZI ERYTROCYTY A PLAZMOU A OBOJÍ TAK V KOMBINACÍCH ZPŮSOBUJE RŮZNÉ PORUCHY SLOŽENÍ KRVE. TY V DNEŠNÍ PRAXI ZJIŠŤUJEME POMĚRNĚ PŘESNĚ RŮZNÝMI TYPY ANALYZÁTORŮ – ELEKTRONICKÝCH POČÍTAČŮ KRVINEK. CELKOVÝ OBJEM ERYTROMASY MŮŽEME STANOVIT POMOCÍ IZOTOPŮ (CR51). 5.2.1 HEMATOPOÉZA – TVORBA KRVE Místo tvorby erytrocytů (červených krvinek), leukocytů (bílých krvinek) a trombocytů (krevních destiček) se v průběhu vývoje jedince mění. Tvorba krevních buněk začíná mezi 14.–20. dnem gravidity (viz krvetvorba během intrauterinního vývoje Tabulka 9). Heman- gioblasty69 se tvoří nejprve ve stěně žloutkového váčku (extraembryonálně), později v primitivním mezenchymovém pojivu (intraembryonálně). Toto hematopoetické období se označuje jako mezoblastové70 . Po tomto období následuje období hepatolienální, od 6. týdne jsou místem krvetvorby játra plodu (extravaskulární hematopoéza), o něco později i ve slezině, brzlíku a diferencujících se lymfatických orgánech. V 7. měsíci ustává krvetvorba v játrech a slezině a po narození je krvetvorba lokalizována pouze na červenou kostní dřeň obratlů, hrudní kosti a horní části dlouhých kostí (humerus = kost pažní a femur nebo os femoris = kost stehenní). Přechody jsou plynulé. Lymfopoéza v lymfatických orgánech trvá celý život. Tvoří se megaloblasty, normoblasty; granulopoéza a megakaryocyty. Od 10. týdne intrauterinního vývoje začíná období dřeňové krvetvorby; postupně se zvyšuje a po narození zcela nahradí krvetvornou činnost jiných orgánů. Jedinou výjimkou je lymfopoéza, která pokračuje dál v lymfatických orgánech a lymfatické tkáni. Dřeňová krvetvorba zahrnuje megaloblastovou, později normoblastovou erytropoézu. V postnatálním období probíhá za normálních okolností krvetvorba pouze v kostní dřeni. V dětství se krevní buňky tvoří v dřeňových dutinách všech kostí. Do 20 let věku aktivita dřeně dlouhých kostí s výjimkou horních částí humeru a femuru ustává. Krvetvorba kostní dřeně je zdrojem všech druhů krvinek v periferní krvi. Část lymfocytů se tvoří i po narození nadále v lymfatické tkáni; monocyty a makrofágy i v jiných tkáních organismu. Kostní dřeň obsahuje nediferencované pluripotentní kmenové buňky71 (Obrázek 43), které se diferencují na různé typy determinovaných, unipotentních kmenových buněk. Z těchto tzv. progenitorových buněk pak pocházejí různé typy diferencovaných krevních buněk. Kostní dřeň obsahuje oddělené populace progenitorových buněk pro megakaryo- 69 Hemangioblasty jsou primitivní kmenové buňky mezodermálního původu, migrují ke stěnám embryonální aorty, kde se z nich vyvíjejí krvetvorné endoteliální buňky a později hematopoetické kmenové buňky. 70 Mezoblast (mezoderm) je střední zárodečný list u časné fáze lidského zárodku. 71 Počet pluripotentních kmenových buněk je nízký, ale jejich injekce dokáže kompletně nahradit celou kostní dřeň hostitele s úplně zničenou vlastní dření. Iveta Bryjová – Fyziologie I 111 cyty, lymfocyty, erytrocyty, eozinofily a bazofily (neutrofily a monocyty pocházejí ze společného prekurzoru (Obrázek 44). Kmenové buňky kostní dřeně jsou také zdrojem osteo- klastů72 , Kuppferových buněk, žírných buněk, dendritických buněk a Langerhansových bu- něk. Základními krvetvornými tkáněmi, které produkují krevní elementy v dospělosti a umožňují imunitní reakce, jsou:  kostní dřeň73 (červená dřeň = aktivní; žlutá dřeň = inaktivní dřeň infiltrovaná tukovými buňkami)  thymus  lymfatické uzliny  MALT (mucosa associated lymfoid tissue; lymfatická tkáň sliznic)  slezina  imunologicky kompetentní fond lymfocytů  periferní krev Tabulka 9 Původ krevních buněk a krvetvorba během intrauterinního vývoje Období mezoblastové 2.–3. týden Extraembryonálně (ve stěně žloutkového váčku); → dále pokračuje intraembryonálně (v primitivním mezenchymovém pojivu); vznikají megaloblasty (erytrocytární vývojová řada). Období hepatolienální od 6. týdne Extravaskulární hematopoéza (v játrech plodu); později i ve slezině, thymu a diferencujících se lymfatických orgánech v 7. měsíci Ustává krvetvorba v játrech a slezině a po porodu probíhá krvetvorba pouze v kostní dřeni. Období dřeňové krvetvorby od 10. týdne Začíná od 10. týdne intrauterinního vývoje, postupně se zvyšuje a po narození zcela nahradí krvetvornou činnost jiných orgánů. Jedinou výjimkou je lymfopoéza, která pokračuje dál v lymfatických orgánech a lymfatické tkáni. 72 Osteoklasty jsou velké buňky (průměr cca 100–200 µm) s hojnými nepravidelnými výběžky a několika desítkami jader (až 50 i více) podílející se na vstřebávání kostí. Buňky se vyskytují nejčastěji v jamkách na povrchu resorbované kosti, kde ničí kostní tkáň. Úloha a funkce osteoklastů v procesu resorpce kostní tkáně není zatím úplně objasněna. 73 Kostní dřeň je jedním z největších a nejaktivnějších orgánů v těle, rozměry i váhou se blíží játrům. Krev, lymfa. Kardiovaskulární funkce, krevní kapiláry, funkce a řízení. 112 PLURIPOTENTNÍ KMENOVÉ BUŇKY JSOU ODVOZENY Z NEDETERMINOVANÝCH TOTIPOTENTNÍCH KMENOVÝCH BUNĚK, Z NICHŽ MŮŽE HYPOTETICKY VZNIKNOUT JAKÁKOLIV BUŇKA TĚLA. Obrázek 43 Hematopoéza (krvetvorba) je tvorba krevních buněk, tj. erytrocytů (erytropoéza), leukocytů (leukopoéza) a trombocytů (trombopoéza). Iveta Bryjová – Fyziologie I 113 Obrázek 44 Hematopoéza. V CIRKULUJÍCÍ KRVI JE 500KRÁT VÍCE ERYTROCYTŮ NEŽ LEUKOCYTŮ, PŘESTO 75 % BUNĚK DŘENĚ PATŘÍ NORMÁLNĚ K MYELOIDNÍ TKÁNÍ PRODUKUJÍCÍ LEUKOCYTY A POUZE 25 % JSOU DOSPÍVAJÍCÍ ERYTROCYTY. TENTO ROZDÍL VE DŘENÍ ASI PRAVDĚPODOBNĚ REFLEKTUJE SKUTEČNOST KRÁTKÉ PRŮMĚRNÉ DOBY ŽIVOTA LEUKOCYTU, KDEŽTO U ERYTROCYTU JE POMĚRNĚ DLOUHÁ (110–120 DNŮ). 5.2.2 ERYTROCYTY Erytrocyty (červené krvinky; Ery) zajišťují transport dýchacích plynů, tj. kyslíku z plic do tkání a oxidu uhličitého74 z tkání do plic. Během vývoje v kostní dření ztrácejí erytrocyty buněčné jádro a většinu buněčných organel, tím je dán jejich typický „piškotový“ tvar. Tvar bikonkávního disku umožňuje erytrocytům změnit při průchodu krevními kapilárami svůj tvar a tím také snadnější přestup dýchacích plynů mezi krví a intersticiem. Nemají schopnost se dělit a jejich metabolismus je závislý na anaerobní glykolýze75 , z tohoto důvodu spotřebují pouze minimum transportovaného kyslíku. 74 Hlavní metabolický produkt. 75 Rozklad glukózy na pyruvát za současné tvorby ATP. Z latiny (glycos = sladký a lysis = rozložení). Dříve se proces glykolýzy dělil na dvě fáze: anaerobní a aerobní. Vycházelo se ze zjištění, že při nedostatku kyslíku Krev, lymfa. Kardiovaskulární funkce, krevní kapiláry, funkce a řízení. 114 Tvorbu erytrocytů stimuluje hormon erytropoetin76 . Počet erytrocytů u mužů se pohybuje v rozmezí 4,2–6,0×1012 /l; u žen o něco méně v rozmezí 4,0–5,5×1012 /l. Zvýšený počet erytrocytů nad referenční mez může ukazovat na polycytemii77 , objevuje se u osob při pobytu v nadmořských výškách, vyskytuje se také při srdečním onemocnění, u nádorů produkující erytropoetin, při stresu, u kuřáků či při hemokoncentraci. Snížení počtu erytrocytů se vyskytuje u anémií, hemolytických stavů, insuficienci ledvin, u krevních ztrát, aplázie dřeně či působením toxických látek jako je benzol nebo léků (chloramfenikol). 5.2.3 HEMOGLOBIN Hemoglobin (Hb) je nejdůležitější složkou červených krvinek. Hemoglobin krvinku zcela vyplňuje. Je složen ze čtyř podjednotek, kde každý z nich tvoří hem78 s připojeným globinem (polypeptidový řetězec). Struktura hemu se během vývoje krvinek nemění, naopak zastoupení jednotlivých aminokyselin v globinových řetězcích se liší. Množství hemoglobinu se liší během vývoje a v závislosti na pohlaví. U novorozenců je to 135–195 g/l, u mlžů 135–170 g/l a u žen 120–165 g/l. Zvýšené hodnoty Hb se vyskytují u polycytemie, pobytu v nadmořských výškách, u stavů spojených s hypoxií, nádorů produkujících erytropoetin (např. karcinom ledviny), stresových stavů, kuřáků, dehydrataci. Snížené hodnoty Hb jsou u anémií, hemolýz, ledvinové insuficience, krevních ztrát, aplázii dřeně, léků (chloramfenikol, zlato), graviditě (převládá hemodiluce nad pouze mírným vzestupem erytromasy). Anémii hodnotíme jako těžkou při hodnotách Hb < 100 g/l. DERIVÁTY HEMOGLOBINU Nejvýznamnějším derivátem hemoglobinu jsou oxyhemoglobin a karbaminohemoglobin. U oxyhemoglobinu se molekula Hb váže na kyslík, u karbaminohemoglobinu79 (HbCO) na oxid uhličitý. Afinita Hb ke kyslíku a oxidu uhličitému se mění v závislosti na jejich parciálních tlacích, teplotě, pH a produktech metabolismu krvinek. Vyšší afinitu má hem k CO. v aktivním svalu mizí glykogen a narůstá koncentrace laktátu jako konečného produktu. V okamžiku prokysličení svalové tkáně nastal proces obnovy glykogenu a laktát mizel. V případech dostatečného přísunu kyslíku do aktivní svalové buňky se laktát nehromadil, nehromadil se ale ani pyruvát, protože byl rozkládán až na vodu a oxid uhličitý. Dělit glykolýzu na fázi anaerobní a aerobní je však chybné, protože všechny reakce vedoucí k tvorbě pyruvátu probíhají stejně a nejsou závislé na přítomnosti nebo nepřítomnosti kyslíku v buňce. Nově se glykolýza pomyslně rozděluje na tři fáze a všechny probíhají v cytosolu buňky [Převzato z 48]. 76 Jeho tvorba v ledvinách se zvyšuje při tkáňové hypoxii. 77 Pravá polycytémie (polycythaemia vera) je nemoc způsobená poruchou kmenové krvetvorné buňky, která vyzrává převážně do řady červených krvinek. Dochází u ní ale i k mírnému zmnožení buněk dalších krvetvorných řad. Onemocnění je známo od konce 19. století a jedním z lékařů, který ho jako první zkoumal, byl William Osler. 78 Sloučenina červené barvy ze skupiny porfyrinů, které má centrálně uložené dvojmocné železo (ion železa), na něž se váže kyslík. 79 HbCO neumožňuje transport kyslíku a je příčinou otrav. Iveta Bryjová – Fyziologie I 115 Červený krevní obraz, tj. hodnota hemoglobinu (Hb), resp. hematokritu (Hct) je základní pro stanovení diagnózy anémie a informuje též o jejím stupni. Distribuční šíře ery- trocytů80 (RDW) podává přehled o variabilitě ve velikosti červených krvinek (anizocytóze). Hodnoty červeného krevního obrazu shrnuje Tabulka 10. Tabulka 10 Hodnocení krevního obrazu Červený krevní obraz Fyziologické meze muži ženy Hemoglobin (Hb) 135–170 g/l 120–165 g/l Erytrocyty (Ery) 4,2–6,0×1012 /l 4,0–5,5×1012 /l Hematokrit (Hct) 0,37–0,49 0,35–0,46 Objem erytromasy (EV) 20–35 ml/kg hmotnosti Střední objem Ery (MCV) 80–96 fl Distribuční šíře Ery (RDW) 11,5–14,5 % Koncentrace Hb v Ery (MCHC) 320–350 g Hb/l Ery Hmotnost Hb v Ery (MCH) 27–32 pg v 1 Ery Počet retikulocytů (Ret) 5–15 ‰ z celkového počtu Ery 5.2.4 LEUKOCYTY Leukocyty (bílé krvinky) se podílejí na ochraně těla před nádory a virovými, bakteriálními či parazitárními infekcemi. Dělíme je podle stavby a funkce na několik typů (Obrázek 44). Všechny se podílejí na nespecifické (je dána vrozenou schopností organizmu reago- vat81 na přítomnost cizorodé látky) či specifické (vyjadřuje schopnost lymfocytů cíleně reagovat na přítomný cizorodý antigen – jeho likvidace a schopnost vytvořit na něj antigenní paměť) imunitní reakci. 80 Normální hodnota RDW je v rozmezí11,5–14,5 %. 81 Mezi základní reakce řadíme fagocytózu, přirozenou cytotoxicitu a reakci komplementu. Krev, lymfa. Kardiovaskulární funkce, krevní kapiláry, funkce a řízení. 116 Celkový počet lymfocytů se normálně pohybuje v rozmezí 3 500–9 000×109 /l. V jednom mikrolitru krve se nalézá 4 000–11 000 bílých krvinek. Z nich jsou nejčetnější granulocyty82 (Obrázek 43). Mladé granulocyty mají podkovovité jádro (Obrázek 45), které se stává laločnatým. Většina granulocytů obsahuje neutrofilní granula (neutrofily), jiné granulocyty mají granula barvitelná kyselými barvivy (eozinofily83 Obrázek 46) nebo bazofilní granula (bazofily84). Další dva druhy, které se nalézají v periférní krvi jsou lymfocyty s velkými kulatými jádry a malým množstvím cytoplazmy a monocyty85, které mají hojně cytoplazmy bez granul a ledvinovitého jádra. Obrázek 45 Nesegmentovaný granulocyt Žírné buňky jsou buňky s mnoha granuly, hojně nacházené v oblastech bohatých na vazivovou tkáň a pod epitelovými povrchy. Účastní se zánětlivých reakcí zahájených imunoglobuliny IgE a IgG. Zánět útočí zejména na parazity, tím se účastní na specifické imunitě, podílejí se na nespecifické (vrozené) zaměřené proti infekcím. Granula žírných buněk 82 Ve všech granulocytech jsou cytoplazmatická granula obsahující aktivní látky, které se podílejí na zánětlivých a alergických reakcích. Vstupem bakterií do těla je vyvolána zánětlivá reakce a kostní dřeň je stimulována k produkci a uvolňování velkého počtu neutrofilů. 83 Eozinofilie je reakce na specifickou T-buněčnou imunitní odpověď. Nejčastější příčiny eozinofilie jsou alergie, lékové reakce, tkáňové helmintózy, systémové mykotické infekce (aspergilóza, kokcidiodomykóza), kolagenózy, hemoblastózy a vzácněji některé solidní nádory (Grawitzův tumor, karcinom tlustého střeva). Vysoká eozinofilie je charakteristická zejména pro akutní schistosomózu (horečka katayama), filariózy, trichinelózu, cysticerkózu a jaterní fasciolózu. Eozinofilie může být přítomna též během migrační, larvální fáze askariózy, ankylostomózy a strongyloidózy. U nás je nejčastější příčinou larvální toxokaróza, jíž je promořeno kolem 20 % obyvatel. 84 Bazofily jsou nezbytné pro okamžité hypersenzitivní (alergické) reakce od projevů kopřivky až po těžký anafylaktický šok. Rovněž vstupují do tkání a uvolňují proteiny a cytokiny, obsahují histamin a heparin stejně jako žírné buňky, ale nejsou stejné jako žírné buňky. 85 Monocyty mají klíčovou roli v imunitě, secernují téměř 100 různých látek, včetně faktorů ovlivňujících lymfocyty a další buňky, prostaglandinů řady E a faktorů podporujících srážení. Do krve vstupují z kostní dřeně a cirkulují v ní přibližně 72 hodin. Poté se dostávají do tkání a stávají se tkáňovými makrofágy. Iveta Bryjová – Fyziologie I 117 obsahují histamin, heparin a řadu proteáz. Heparin se účastní hemostázy – viz Kapitola 5.2.7. Lymfocyty (Obrázek 48) jsou klíčovou částí imunity. Po narození vznikají v kostní dřeni. Dozrávají buď v brzlíku (thymu) na T lymfocyty, nebo na B lymfocyty. T i B lymfocyty poté osídlují mízní uzliny a slezinu, kde se pod vlivem antigenů diferencují na výkonné buňky. Do krve se lymfocyty dostávají nejvíc lymfatickými cévami. Kromě T a B lymfocytů, které zajištují specifickou imunitu, také NK buňky (Natural Killers), které se řadí k přirozené nespecifické imunitě (Obrázek 47). Zvýšený počet lymfocytů se vyskytuje u chronických infekcí, tuberkulózy, chronické lymfadenózy, infekční mononukleózy a dalších virózy, také u Hodgkinovy choroby, hypokortikalizmu, idiopatické proktokolitis, aj. Naopak snížení počtu lymfocytů je typické u AIDS a přidružených onemocnění, poškození dřeně po chemoterapii a radioterapii, terapie steroidy, hyperkortikalizmus, aplastická anémie, neurologických onemocnění jako je roztroušená skleróza. Důležitým údajem je i absolutní počet T-lymfocytů, který se pohybuje mezi 800–2600×109 /l; z toho lymfocytů CD 4 (pomáhajících) je 600–1500, CD 8 (potlačujících) pak 200–800×109 /l. Jejich vzájemný poměr je 2,0. Obrázek 46 Eozinofilní granulocyty jsou terminálními produkty kmenových krvetvorných buněk, které se diferencují směrem do myeloidní linie a z ní následně do bazofilníeozinofilní linie. Krev, lymfa. Kardiovaskulární funkce, krevní kapiláry, funkce a řízení. 118 Obrázek 47 Typy lymfocytů [https://www.researchgate.net/figure/Types-of-lympho- cytes-and-their-effector-functions-The-lymphocyte-family-includes_fig2_280663544] Obrázek 48 Lymfocyt je typ bílé krvinky vyskytující se u obratlovců. Řadí se mezi agranulocyty. [Autor: Dr Glenn Littel – Dr Glenn Littel, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=913928] Bílý krevní obraz zahrnuje celkový počet leukocytů a diferenciální rozpočet neutrofilních segmentů, tyček, lymfocytů, monocytů, eozinofilů a bazofilů. Hodnoty červeného krevního obrazu shrnuje Tabulka 11 Bílý krevní obraz. Iveta Bryjová – Fyziologie I 119 Tabulka 11 Bílý krevní obraz Bílý krevní obraz Fyziologické meze Počet leukocytů 3500–9000×109 /l /lDiferenciální počet Procentuálně Absolutně Neutrofilní segmenty 55–70 % 2500–7000×109 /l /lTyčky 2–6 % 200–600×109 /l /lLymfocyty 25–40 % 1500–4000×109 /l /lMonocyty 2–8 % 200–900×109 /l /lEozinofily 1–4 % 50–500×109 /l /lBazofily 0–1 % 0–150×109 /l /l 5.2.5 TROMBOCYTY Trombocyty (krevní destičky) mají podobu disků a jsou bezjadernými deriváty megakaryocytů (Obrázek 44) a jejich nejdůležitější funkcí je jejich účast na zástavě krvácení (hemostáze – Kapitola 5.2.7). Hlavním regulátorem jejich tvorby je hormon tvořený v játrech – trombopoetin. Z jedné buňky v kostní dřeni se uvolní 1000–5000 destiček. Jejich počet kolísá v rozmezí hodnot 150–400×109 /l. Střední objem trombocytů 7,8–11 fl. Délka jejich života je krátká cca 9–12 dnů. Zvýšený počet trombocytů se vyskytuje u maligních onemocnění zejména v oblasti GIT, zánětlivých střevních onemocnění, po splenektomii, myeloproliferativních onemocnění (trombocytemie, polycythemia vera), infekcích, po ztrátách krve, sideropenie, pankreatitidy. Snížení počtu trombocytů je při hypersplenizmu zejména u jaterní cirhózy, poškození dřeně, alkoholismu, u poruch imunity (nejčastěji polékové), infekce (např. Helicobacter pylori), kolagenózy, septické stavy. Spontánní hemoragie se objevují při poklesu pod 30×109 /l. 5.2.6 KREVNÍ PLAZMA Plazma je nažloutlý, opaleskující vodný roztok organických a anorganických látek. Objem plazmy činí 5 % tělesné hmotnosti, což je 25 % z objemu extracelulární tekutiny. Na složení plazmy se nejvíce posílí voda (91–92 %), zbytek (8–9 %) tvoří rozpuštěné látky. Krev, lymfa. Kardiovaskulární funkce, krevní kapiláry, funkce a řízení. 120 Funkce krevní plazmy vyplývá z významu jednotlivých složek. Anorganické látky rozdělujeme podle náboje, který nesou na kationty a anionty. Hlavními kationty krevní plazmy jsou: Na+86, K+87, Ca+88 a anionty chloridy, hydrogenkarbonát. Mezi ostatní anorganické látky, které se podílejí na tvorbě hormonů (jód), červených krvinek (železo), enzymů (např. selen, měď), receptorů (zinek) nebo na činnosti určitého typu iontových kanálů (hořčík) řadíme bílkoviny, sacharidy a lipidy. 5.2.7 HEMOSTÁZA Pro udržení funkce krve jsou důležité její cirkulační mechanismy, které za fyziologických podmínek vykazují dvě charakteristiky. Ty, které brání ztrátám krve – hemostatický a prokoagulační systémy) a mechanismy, které udržují fluiditu krve (proud krve, neporušeny endotel, plazmatický glykoprotein antitrombin III, žírnými buňkami produkovaný heparin. Při hemostáze (zástavě krvácení), dochází ke změně obou výše uvedených charakteristik. Hemostáza je ochranný mechanismus zacelující poškození vznikající v cirkulaci. Bezchybný průběh hemostázy je zcela nezbytný pro naše přežití – zaceluje a následně reparuje méně či více závažná poškození v cirkulaci krve. Kromě tohoto příznivého efektu, má hemostáza také efekt opačný. Některá onemocnění, či jejich komplikace vznikají v důsledku dysbalance hemostázy (např. dysbalance hemostázy u závažných septických stavů, nádorů či na povrchu ateromových plátů, vedoucích často ke vzniku krevní sraženiny – trombu, který může vyústit až v zástavu krevního průtoku – infarkt). Na schopnosti organismu zabránit krvácení se souhrnně podílejí čtyři děje [zpracováno podle 39 a 47]:  reakce cév – reflexní vazokonstrikce. Přímá reakce hladké svaloviny při poškození cévní stěny vyvolá podráždění její hladké svaloviny, které vede k reflexní vasokonstrikci. Na vazokonstrikci se podílí celá řada vazokonstrikčních látek, které se uvolňují z aktivovaných destiček, jako jsou tromboxan A2 (TXA2) či serotonin, jež oba jsou tvořeny trombocyty, které skrze ně posilují reflexní vasokonstrikci;  činnost krevních destiček (trombocytů) – jejich podstatou je schopnost vytvořit provizorní hemostatickou zátku v místě poškození cévy. Prostřednictvím receptorů na odhaleném vazivu (zejména na kolagenu) a von Willebrandova faktoru (nejvíce se uvolňuje z endotelu), destičky v tomto místě adherují (přilnou) a agregují (vytvářejí shluky), mění tvar a z jejich granul (granulomera a hyalomera) se uvolňuje obsah, který hemostatické mechanismy ještě více posiluje. 86 Sodík (koncentrace 137–146 mmol/l) je důležitý pro udržování objemu krevní plazmy, pH extracelulární tekutiny a osmotického tlaku. 87 Draslík (koncentrace 3,8–5 mmol/l) je významný pro excitabilitu buněk, vyšší koncentrace draslíku je uvnitř buněk. 88 Vápník (koncentrace 2,0–2,75 mmol/l) je v krevní plazmě buď ionizovaný (asi 50 % z celkového množství) nebo navázaný na albumin (nedifuzibilní). Nebo ve formě sloučenin s anionty. Vápník je významný pro hemokoagulaci, kontrakci svalových i nevalových bílkovin, podílí se na regulaci propustnosti plazmatických membrán, je základní stavební složkou kostí a zubů. Iveta Bryjová – Fyziologie I 121 Látky obsažené v granulech trombocytů – δ-granula (densní tělíska): ATP, ADP, Ca2+ a serotonin; α-granula: fibrinogen, PDGF (Platelet Derived Growth Factor), FGF, vWF (von Willebrandův faktor), destičkový faktor 4 (fosfolipidy); λ-granula – lyzosomy, se uplatní při vazokonstrikci v místě poranění, hemokoagulaci i následné reparaci poškození;  hemokoagulace (srážení krve) – je děj, který z tekuté krve v místě poškození cévy vytvoří definitivní krevní zátku (trombus), který místo defektu zacelí. K tomu účelu se v krvi (a některých buňkách) vyskytují koagulační faktory, které souhrnně vytvářejí tzv. koagulační kaskádu. Většina koagulačních faktorů jsou proteiny produkované játry. Za jeden z hlavních cílů koagulační kaskády můžeme považovat přeměnu rozpustného plazmatického proteinu fibrinogenu na nerozpustný fibrin (katalyzuje trombin), který následně vytváří vysoce odolnou fibrinovou síť. Faktory, které se na koagulaci podílejí, dělíme do dvou systémů – ve vnitřním systému (všechny prokoagulační faktory jsou v krvi) je aktivován faktor XII kontaktem s negativně nabitým povrchem (kolagen, fosfolipidy destiček) a za spolupůsobení vápníkových iontů se postupně aktivují faktory IX, VIII a X. Reakce vnějšího systému je spouštěna tkáňovým tromboplastinem (faktor III), který spolu s uvolněními membránovými fosfolipidy z buněk, faktorem VII a vápníkovými ionty vede k aktivaci faktoru X. přehled koagulačních faktorů89 je uveden v Tabulka 12.  Trombolýza (fibrinolýza) a reparace poškození – poté, co krevní koagulum splní svoji protektivní funkci, musí mít organismus efektivní mechanismy, jak ho odstranit – hovoříme o tzv. fibrinolýze. K tomuto procesu ale nesmí dojít dříve, než je poškození vedoucí k nastartování hemostázy reparováno. Principem fibrinolýzy je štěpení nerozpustné fibrinové sítě na rozpustné fibrin-degradační produkty (FDP) působením enzymu plasminu. Ten se v plazmě vyskytuje v neaktivní formě plasminogenu a po své aktivaci účinkuje jako serinová proteáza specifická pro molekuly fibrinu a fibrinogenu. 89 Většina faktorů získala své číslo podle pořadí, v jakém byly objeveny a následně vědeckou obcí akceptovány. Nikoliv podle toho, v jakém pořadí se jeden do druhého „postrkují“. První byl identifikován fibrinogen, proto dostal číslo I. Po něm protrombin, proto má číslo II, a tak dále. Nejvyšší číslo má faktor XIII (fibrin stabilizující faktor), který byl sice objeven už v roce 1948, ale vědci se nebyli schopni dohodnout na jeho čísle (říkali mu Lakiho-Lorandův faktor). Teprve v roce 2005 došlo ke konsenzu přidělit mu také číslo, aby měl „podobný dres“ jako ostatní faktory. Poslední faktor XIII v závěru koagulace stabilizuje molekulu fib- rinu. Krev, lymfa. Kardiovaskulární funkce, krevní kapiláry, funkce a řízení. 122 Tabulka 12 Přehled koagulačních faktorů. Koagulační kaskáda začíná faktorem XII a končí I. Kaskáda však v sestupném pořadí neprobíhá. Posloupnost faktorů je následující: XII – XI – IX – VIII – X – II – I. Faktor X je specifický tím, že pro spuštění kaskády potřebuje faktor III a VII a také IV a V. Takto se hemokoagulační faktory vzájemně „postrkují.“ Pokud nastane chyba ve faktoru V (Leidenská mutace) nemůže koagulační kaskáda probíhat ve správném pořadí. I Fibrinogen VIII Antihemofilický II Protrombin IX Christmasův III Tkáňový tromboplastin X Stuart-Prowerové IV Vápenaté ionty XI PTA (plasma thrombin antecedent) V Proakcelerin XII Hagemanův VII Prokonvertin XIII Fibrin stabilizující HEMOSTÁZA ZAHRNUJE VŠECHNY FÁZE ZÁSTAVY KRVÁCENÍ. HEMOSTÁZA = ZÁSTAVA KRVÁCENÍ. HEMOSTÁZA JE SOUHRA VAZOKONSTRIKCE, ČINNOSTI KREVNÍCH DESTIČEK A KOAGULACE. HEMOKOAGULACE PŘEDSTAVUJE JEN JEDNU Z TĚCHTO FÁZÍ. HEMOKOAGULACE = SRÁŽENÍ KRVE. HEMOKOAGULACE MÁ ZA CÍL VYTVOŘIT FIBRIN (NEROZPUSTNÝ VLÁKNITÝ PROTEIN). V NĚM SE ZACHYTÍ KREVNÍ BUŇKY (ERYTROCYTY, LEUKOCYTY, TROMBOCYTY), KTERÉ TAK DAJÍ VZNIK DEFINITIVNÍMU ČERVENÉMU TROMBU. CAVE! HEMOSTÁZA A HEMOKOGULACE NEJSOU SYNONYMA. 5.2.8 VYŠETŘENÍ HEMOSTÁZY K hodnocení stavu hemokoagulace se může využít mnoho parametrů. Mezi nejčastěji používané patří aPPT, Quick test a INR. aPTT (aktivovaný parciální tromboplastinový čas) se využívá k hodnocení vnitřní cesty hemokoagulace. Jeho normální hodnota činí 26–50 s. K hodnocení vnější cesty koagulace můžeme využít dva parametry. Jednak tzv. Quick test jehož normální hodnota se pohybuje kolem 14 s (což představuje 100 % pro následující parametr), jednak tzv. INR (International normalized ratio), jehož fyziologické rozmezí činí 80–120 %. Iveta Bryjová – Fyziologie I 123 5.2.9 LYMFA Lymfatický systém v organismu plní mnoho důležitých funkcí. Významnou úlohu hraje v transportu živin a obranných mechanismech těla. Do lymfatického systému se řadí lymfa, lymfatické kapiláry, větší lymfatické cévy a lymfatická tkáň (lymfatické uzliny, slezina, mandle a brzlík. Lymfa (míza) je tkáňový mok, který vstoupil do lymfatických cév. Do žilní krve ji odvádí hrudní a pravý mízovod. Obsahuje srážlivé faktory, a ve většině míst těla obsahuje i bílkoviny (obsah je nižší než v plazmě), které přešly stěnou kapilár, a vrací je zpět do krve. Složení lymfy je podobné krevní plazmě a jejím prostřednictvím jsou z tkání odstraňovány mrtvé buňky, bílkoviny, tuky, konečné produkty metabolismu, ale i cizí tělesa a bakterie. Lymfa v těle nekoluje neustále v uzavřeném systému cév tak, jako je tomu u krevního oběhu: místo toho na jedné straně lymfatický systém sbírá mok z tkání, na straně druhé jej vrací do krevního oběhu. Důležitou součástí lymfy a imunitního systému obecně jsou lymfocyty, bílé krvinky tvořené především v kostní dřeni, v menší míře pak v brzlíku90 (u dětí) a ve slezině. Slezina mimo jiné také odstraňuje z krve staré červené krvinky (erytrocyty) a funguje jako zásobník krve. SHRNUTÍ KAPITOLY Malý krevní oběh – oběh v plicích, slouží k okysličení krve. Krev vytéká z pravé srdeční komory plicnicí do plic, v nich se okysličuje a vrací se čtyřmi plicními žilami do levé síně. V porovnání s velkým oběhem je charakterizován nižším tlakem. Tepna (plicnice) vede krev neokysličenou, zatímco žíly vedou krev okysličenou. Velký krevní oběh (systémový) – součást krevního oběhu sloužící dodávce okysličené krve jednotlivým orgánům. Krev vytéká z levé komory srdečnicí (aortou), která se postupně větví ke všem paralelně zapojeným orgánům lidského těla (drobné větévky slouží i k výživě a dodávce kyslíku do plicní tkáně), kterým odevzdá část kyslíku a vrací se žilami do pravé síně. V porovnání s malým oběhem je v aortě a v tepnách v. o. výrazně vyšší tlak. Tepny vedou krev okysličenou, žilami se vrací krev neokysličená. Objem krve dospělého člověka koreluje s tělesnou hmotností bez tukové tkáně, u žen činí v průměru ~3,6 l a u mužů ~4,5 l. Funkcí krve a krevních složek (krevní plasma, krvinky) je mj. transport látek (O2, CO2, živiny, produkty metabolismu, vitaminy, elektrolyty aj.), transport tepla (oteplování, ochlazování), zprostředkování přenosu signálních molekul (hormony), obrana proti cizorodým látkám a mikroorganismům. Erytrocyty transportují O2 90 Brzlík je umístěn pod štítnou žlázou za hrudní kostí. V dětství je velmi důležitý pro správný vývoj imunitního systému, mimo jiné také produkuje lymfocyty. S věkem se nicméně postupně zmenšuje, až nakonec v dospělosti zakrní úplně. Krev, lymfa. Kardiovaskulární funkce, krevní kapiláry, funkce a řízení. 124 a částečně se podílejí na udržování pH. Leukocyty plní funkci obrannou, neutrofilní granulocyty odpovídají za nespecifické imunitní reakce; monocyty a lymfocyty za specifické imunitní reakce. Trombocyty se účastní zástavy krvácení, a to velmi významným způsobem. Hematokrit je poměr mezi objemem krvinek a celkovým objemem krve. V krevní plazmě jsou rozpuštěny elektrolyty, živiny, produkty metabolismu, vitaminy, plyny a také bílkoviny. K úkolům plazmatických bílkovin patří mj. i humorální imunita, udržování onkotického tlaku (→ nezbytného pro stálý objem krve), transport látek nerozpustných ve vodě a ochrana některých látek před odbouráváním a před vylučováním ledvinami (např. hem). Řada plazmatických bílkovin se podílí na srážení krve a na fibrinolýze. Když se krev srazí, spotřebuje se plazmatický fibrinogen a z plazmy vzniká sérum. Tvorba krvinek – hemopoetická tkáň (postnatálně červená kostní dřeň, u plodu + slezina a játra) obsahuje pluripotentní kmenové buňky, které se vlivem hemopoetických růstových faktorů diferencují na myeloidní, erytroidní a lymfoidní progenitorové buňky. Kmenové buňky se reprodukují samy, proto se jejich počet během života udržuje stálý. Lymfocyty, které vzniknou z lymfoidních prekurzorů se nejprve v thymu nebo kostní dření „předpřipraví“ a později se vytvářejí jak v kostní dřeni, tak ve slezině a mízních uzlinách (lymfopoéza). Všechny ostatní progenitorové buňky proliferují a zrají do své konečné podoby v kostní dřeni (myelopoéza) a poté jsou vydány do krve. Myelopoézu ovlivňují hormony erytropoetin (z ledvin) a trombopoetin (z jater). Mimo to existuje celá řada dalších stimulačních a inhibičních faktorů, které parakrinně regulují tvorbu krvinek přímo v kostní dřeni. Erytropoetin (tvoří se v ledvinách a u plodu také v játrech) stimuluje zrání a proliferaci erytrocytů. Nedostatek 02 zvyšuje v regulačním obvodu sekreci erytropoetinu a tím i počet erytrocytů, přičemž se v krvi zvětšuje zastoupení retikulocytů (mladých krvinek). Doba života erytrocytů je ~120 dnů, pravidelně vystupují v červené pulpě sleziny z arteriol a pronikají úzkými póry do slezinných sinusů. Tam jsou staré erytrocyty destruovány, rozpadlé krvinky jsou dále ve slezině a játrech odbourávány. Při hemolýze se uvolní hem, který se poté přemění na bilirubin. Z celkového obsahu železa v těle jsou cca 2/3 vázány v hemoglobinu (u žen ~2 g, u mužů ~5 g); ¼ tvoří zásobní železo (feritin, hemosiderin) a zbytek je železo funkční (myoglobin, enzymy obsahující železo). Ztráty železa činí u mužů ~1 mg/den u žen ~2 mg/den (menstruace, těhotenství, porod). Resorpce železa probíhá zejména v duodenu. Nedostatek železa tlumí syntézu hemoglobinu a vzniká hypochromní mikrocytární anemie. Nadměrný příjem železa do organismu poškozuje především játra, pankreas a myokard (hemochromatózy). Pro erytropoézu jsou potřebné také vitaminy B12 a kyselina listová. Hemostázy (zástavy krvácení) se účastní krevní destičky, plazmatické faktory a cévní stěna. Výsledkem jejich interakcí je lokální ucpání otvoru v cévě, poraněná céva se zúží, trombocyty „zalepí“ otvor a vytvoří pevnou fibrinovou sraženinu, která retrauje a vznikne stabilní zátka. Činnost trombocytů odpovídá doba krvácení, tj. ~2–4 minuty. Srážení krve se účastní četné koagulační faktory (u některých je nezbytný vitamin K). Iveta Bryjová – Fyziologie I 125 OTÁZKY 1. Popište malý a velký plicní oběh 2. Tkáňový mok se také nazývá: ___________________________________ 3. Zásobním orgánem krve je orgán: _______________________________ 4. Vysvětlete rozdíl v hemostáze a hemokoagulaci. 5. Fibrinogen je: a) II. koagulační faktor b) V. koagulační faktor c) I. koagulační faktor 6. II. koagulační faktor je: a) Protrombin b) Fibrinogen 7. Vysvětlete pojem hemostáza 8. Uveďte hormon tvořený v játrech, který je hlavním regulátorem tvorby trombocytů _________________________________ 9. Popište funkci žírných buněk 10. Neutrofily, bazofily, eozinofily, monocyty jsou: a) Erytrocyty b) Leukocyty c) Trombocyty 11. Uveďte nejdůležitější složku erytrocytů: __________________ 12. Jakou funkci má hormon erytropoetin? a) tvorba erytrocytů b) tvorba leukocytů c) tvorba imunitního systému 13. Co jsou poluripotentní kmenové buňky? 14. Doplňte: Celkový objem kolující krve v lidském těle je přibližně ____ ml/kg tělesné hmotnosti. Krev, lymfa. Kardiovaskulární funkce, krevní kapiláry, funkce a řízení. 126 15. Podíl ICT je v organismu přibližně: a) 20 % b) 60 % c) 40 % Správné odpovědi: 2 lymfa, míza; 3 slezina; 5c; 6a; 8 trombopoetin; 10b; 11 hemoglobin; 12a; 13 – 70ml; 15c. Iveta Bryjová – Fyziologie I 127 6 VENTILAČNÍ A RESPIRAČNÍ FUNKCE RYCHLÝ NÁHLED KAPITOLY V kapitole jsou probrány statické objemy a kapacity plic, dynamické plicní objemy. Je vysvětlena mechanika dýchání a respirace. CÍLE KAPITOLY  Pochopit proces dýchání  Umět popsat anatomii plic  Vysvětlit plicní oběh  Pochopit a vysvětlit mechaniku dýchání  Umět vysvětlit a zakreslit do dechové křivky statické a dynamické ventilační hodnoty  Umět nakreslit a popsat křivky objem-čas a průtok-objem ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU 6–8 hodin KLÍČOVÁ SLOVA KAPITOLY Respirace, mechanika dýchání, funkční vyšetření plic, statické objemy plic, statické kapacity plic, dynamické ventilační parametry. ÚVOD Respirace (dýchání) zahrnuje dva procesy: zevní respiraci (příjem O2 a výdej CO2 organismem jako celkem) a vnitřní respiraci (využité O2 a produkci CO2 buňkami a výměnu těchto plynů mezi buňkami a tekutinou, která je obklopuje. Výměnu dýchacích plynů mezi plícemi a zevní atmosférou zajišťuje plicní ventilace, difuze umožňuje výměnu kyslíku a oxidu uhličitého mezi plicními alveoly a krví a krev v oběhovém systému zprostředkuje transport dýchacích plynů mezi plícemi a tkáněmi. Dýchací systém se skládá z orgánů umožňujících výměnu plynů (plíce) a z pumpy (hrudní stěna, dýchací svaly, mozku a nervů), která plíce ventiluje. Dýchací svaly zvětšují a zmenšují objem hrudní dutiny; mozek reguluje činnost dýchacích svalů a nervy propojují mozek a dýchací svaly. Ventilační a respirační funkce 128 Zdravý člověk dýchá v klidu 12–15krát za minutu. Při každém vdechu vdechuje a vydechuje přibližně 500 ml vzduchu (tj. 6–8 l/min.). Vdechnutý vzduch se mísí s plynem v alveolech a 02 pak přechází prostou difúzí do krve v plicních kapilárách, zatímco CO2 opouští krev do alveolů. Takto se do těla dostane každou minutu 250 ml 02 a je vyloučeno 200 ml CO2. Ve vydechnutém vzduchu se nachází i jiné plyny, například metan ze střev. Také alkohol a aceton, pokud jsou v krvi přítomny. Celkem bylo zjištěno více než 250 různých prchavých látek, které lze v lidském dechu prokázat. Respirační systém není zodpovědný pouze za výměnu dýchacích plynů, ale hraje významnou roli i v jiných fyziologických procesech jako je např. regulace acidobazické rovnováhy, regulace krevního tlaku a trombembolizaci. Kromě toho se v dýchacích cestách vdechnutý plyn otepluje nebo ochlazuje, zvlhčuje a očišťuje. 6.1 Anatomie plic – dýchací cesty Dýcháním (respirací) člověk získává ze vzduchu potřebné množství kyslíku a zároveň se zbavuje oxidu uhličitého, který vzniká při přeměně látek v tkáních. Po průchodu nosní dutinou a hltanem, kde je vzduch ohřát a nasycen vodní parou, pokračuje průdušnicí a bronchy až do respiračních bronchiolů a dále alveolárními dučejemi do alveolů. Obrázek 49 Anatomie plic Dýchací cesty se dělí mezi průdušnicí a alveoly 23krát. V prvních 16 větveních proudí plyn ze zevní atmosféry a do ní. Je tvořena bronchy, bronchioly a terminálními bronchioly. Zbývajících sedm větvení tvoří přechodnou a respirační zónu, kde již probíhá výměna Iveta Bryjová – Fyziologie I 129 plynů s krví. Toto mnohočetné dělení zvětšuje průřez dýchacích cest od 2,5 cm2 v průdušnici až k 11 800 cm2 v oblasti alveolů. Důsledkem toho rychlost proudění vzduchu v periferních dýchacích cestách výrazně snížena. Alveoly91 jsou obklopeny plicními kapilárami. Ve většině oblastí jsou vzduch a krev od sebe odděleny pouze alveolárním epitelem a endotelem kapilár. Alveoly jsou vystlány dvěma typy epitelových buněk. Buňky prvního typu jsou ploché s rozsáhlými cytoplazmatickými výběžky a jsou primární výstelkou alveolů. Buňky druhého typu (granulární pneumocyty) jsou tlustší a obsahují mnohočetná lamelární tělíska. Vylučují surfaktant92 . Nalézají se tam i jiné specializované epitelové buňky. Plíce navíc obsahují plicní alveolární makrofágy, lymfocyty, plazmatické buňky a žírné buňky (mastocyty). Žírné buňky (Leukocyty 5.2.4) obsahují heparin, histamin a různé lipidy a proteázy, které se účastní alergických reakcí. Obrázek 50 Stavba dýchací soustavy Dýchací cesty se dělí na horní cesty dýchací a dolní cesty dýchací (Obrázek 50). V horních cestách dýchacích vdechovaný vzduch vstupuje do organizmu při zavřených ústech dutinou nosní (cavitas nasi). Vzduch z dutiny nosní proudí přes nosohltan do dolní části hltanu, kde se dýchací cesty kříží s trávicí trubicí (vdechovat lze nosem i ústy). V dolních cestách dýchacích vzduch z hrtanu (larynx) prochází hlasovou štěrbinou do průdušnice (trachea). Z průdušky odstupují dvě hlavní průdušky (bronchi); hlavní průdušky vstupují do plic, kde se postupně větví na menší průdušky a průdušinky (bronchioly); koncové průdušinky přecházejí v 10 až 20 respiračních průdušinek, které se větví v několik sklípkových chodbiček, na něž nasedají plicní váčky a sklípky (alveoli) – Obrázek 49. 6.1.1 PLICNÍ OBĚH Téměř všechna krev v těle prochází plícnicí do plicního kapilárního řečiště, kde se okysličuje. Poté se vrací plicními žilami do levé síně. Oddělené a mnohem menší bronchiální arterie vytvářejí kapilární řečiště, z něhož krev odtéká do bronchiálních žil nebo anastomóz 91 Člověk má asi 300 milionů alveolů a celková plocha alveolární stěny je v obou plicích asi 70 m2 . 92 Povrchová aktivní látka, tenzid. Fosfolipid pokrývající vnitřní prostor plicních alveolů. Snižováním povrchového napětí brání smrštění sklípků a následnému kolapsu. Ventilační a respirační funkce 130 s plicními kapilárami nebo žilami. Bronchiální žíly ústí do v. azygos93 . Bronchiální cirkulace vyživuje bronchy a pleuru. Lymfatická drenáž plic je hojnější než v jiných orgánech. 6.1.2 MECHANIKA DÝCHÁNÍ Při vdechu (inspiriu) proudí vzduch dýchacími cestami do plic ve směru tlakového gradientu. Kontrakcí dýchacích svalů (bránice a zevních mezižeberních svalů) se hrudník rozšiřuje a díky vysoké přilnavosti poplicnice (vicerální pleura) a pohrudnice (parietální pleura) plíce sledují pohyb hrudníku, rozšiřují se a tlak v nich klesá. Důvodem vysoké přilnavosti je přítomnost malého množství tekutiny mezi oběma pleurami a tím, že tlak v dutině hrudní je nižší, než je tlak atmosférický. Vdech je dějem aktivním, neboť je závislý na činnosti dechových svalů (bránice, zevní mezižeberní svaly). Při klidovém dýchání – v okamžiku, kdy ustane činnost vdechových svalů – objem hrudníku se stejně jako objem plic zmenší, v plicích stoupne tlak na hodnotu vyšší, než je atmosférický tlak, a vzduch proudí dýchacími cestami z plic do okolního prostředí do vyrovnání tlaků. Stejně tak stoupne tlak v dutině hrudní, ale vzhledem k tomu, že na rozdíl od plic dutina hrudní nekomunikuje s okolím, zůstává tlak nižší, než je tlak atmosférický. V klidové expirační poloze se ustaví rovnováha mezi oběma opačně působícími silami – plicní a hrudní elasticitou. Výdech (exspirium) je při klidovém dýchání dějem pasivním. Při usilovném dýchání se může stát dějem aktivním tím, že se kontrahují výdechové svaly (vnitřní mezižeberní svaly. Při usilovném nádechu při uzavřené hlasové štěrbině se mohou hodnoty negativního interpleurálního tlaku ještě zvýšit (Müllerův pokus94 −5,3 kPa), nebo mohou dosáhnout pozitivních hodnot při usilovném výdechu při uzavřené hlasové štěrbině nebo při dýchání proti velkému odporu (Valsalvův pokus95 +6,7 kPa). 6.1.3 FUNKČNÍ VYŠETŘENÍ PLIC Stanovení funkční zdatnosti plic slouží k vyhodnocení symptomů plicního onemocnění, stanovení progrese plicního onemocnění, monitoringu účinnosti terapie, zhodnocení předoperačního stavu, screeningu u potenciálně ohrožených lidí plicním onemocněním a monitoringu potenciálně toxických účinků určitých léčiv či chemických látek. Mezi základní hodnotící parametry patří vrcholová hodnota toku vydechovaného vzduchu (peak air flow value), plicní objemy a kapacity, objemy při usilovném exspiriu (forced expiratory volumes) a křivka závislosti toku vzduchu na objemu (flow/volume curve). 93 Vena azygos – lat. žíla lichá, začíná z v. lumbalis ascendens, probíhá vpravo podél páteře, ústí do horní duté žíly. Vtékají do ní pravé interkostální žíly, v. hemiazygos, vv. bronchiales, oesophageae. Patří ke kavokaválním spojkám. 94 Müllerův pokus – nádech při uzavřené štěrbině hlasové – návrat krve k srdci urychlen; příklad: nasávání vína pipetou ze sudu. 95 Valsalvův pokus – výdech při uzavřené štěrbině hlasové – návrat krve k srdci zpomalen; příklad: zvedání těžkých břemen při „zatajení“ dechu. Iveta Bryjová – Fyziologie I 131 Vyšetření plicní ventilace zahrnuje vyšetření statických a dynamických ventilačních parametrů (Obrázek 52, Obrázek 53). STATICKÉ OBJEMY PLIC U statických plicních objemů (Obrázek 52) není sledován vztah k času. Měří se čtyři plicní objemy (dechový objem VT, inspirační rezervní objem IRV, exspirační rezervní objem ERV a reziduální objem RV) a čtyři kapacity (vitální kapacita VC, celková plicní kapacita TLC, inspirační kapacita IC a funkční reziduální kapacita FRC). Kapacita se skládá ze dvou nebo více objemů. Reziduální objem (RV) a kapacity, které jej zahrnují (TLC, FRC ≈ TGV), nelze měřit přímo (Obrázek 51). Nejčastěji měříme celotělovou pletyzmografií (bodypletyzmo- graf). Dechový objem VT – volume tidal je objem vzduchu vdechnutý nebo vydechnutý jedním klidovým dechem. Činí asi 0,5 l vzduchu. Z tohoto objemu se pouze 250–350 ml vzduchu dostane do alveolů, zbytek 150–250 ml je vzduch v dýchacích cestách a na výměně dýchacích plyn se přímo nepodílí. Inspirační rezervní objem IRV je objem vzduchu, který lze zapojením pomocných vdechových svalů vdechnout maximálním volním inspiračním úsilím nad hodnotu klidného vdechu, což je asi 3–3,3 l vzduchu. Expirační rezervní objem ERV je objem vzduchu, který lze vydechnout maximálním volním exspiračním úsilím po klidném výdechu, což je asi 1,7 l vzduchu. I po maximálním výdechovém úsilí zůstává v plicích asi 1,2 l vzduchu, což je reziduální objem RV. Jeho hodnotu nelze spirometrickým vyšetřením stanovit. STATICKÉ KAPACITY PLIC Dva nebo více plicních objemů tvoří kapacity. Součtem jednotlivých statických objemů (dechový objem + inspirační rezervní objem + expirační rezervní objem) vypočítáme vitální kapacitu plic VC (vital capacity). Vitální kapacita je objemu vzduchu, který lze po maximálním nádechu maximálním dechovým úsilím vydechnout, což je asi 4,5–4,8 l vzduchu. Celková plicní kapacita TLC (total lung capacity) zahrnuje všechny objemy, tj. vitální kapacitu a reziduální objem. TLC je objemu vzduchu v plicích na vrcholu maximálního vdechu, což je asi 6,0 l vzduchu. Obrázek 51 Plicní objemy. Fialovou barvou je znázorněno rozmezí klidové respirace. Ventilační a respirační funkce 132 Funkční reziduální kapacita FRC se rovná součtu exspiračního rezervního objemu a reziduálního objemu. FRC je objemu vzduchu, který zůstává v plicích po klidném výdechu, což činí asi 2,2 l vzduchu. Inspirační kapacita IC zahrnuje dechový objem a inspirační rezervní objem. IC je roven objemu vzduchu vdechnutém maximálním vdechem po klidném výdechu a činí asi 3,5–3,8 l vzduchu. Průběh statických objemů a kapacit plic je znázorněn na křivce Obrázek 54. Obrázek 52 Statické ventilační parametry DYNAMICKÉ VENTILAČNÍ PARAMETRY Frekvence dýchání je počet dechů za jednotku času, obvykle za 1 minutu, normální u novorozence je kolem 60/min., v 1. roce 30–40/min. a u dospělých 12–15 min. Dýchací frekvence není pravidelná, mění se při zátěži, během řeči, v závislosti na prostředí. Řídící centrum je v prodloužené míše a hlavní roli hraje hladina CO2 a O2 v krvi. Prodloužená mícha prostřednictvím nervového systému, dýchacích svalů, může zvýšit nebo snížit dýchací frekvenci a velikost klidového objemu. Maximální hodnoty exspiračního toku vzduchu (maximum expiratory flow) při 25% FVC – (MEF25, také FEF25 ), při 50% FVC (MEF50, také FEF50), a při 75% FVC (MEF75, také FEF75), obvykle vyjádřeny v s−1 , informují o exspiračních tocích v důležitých segmentech exspirační křivky při usilovné výdechu. Vrcholový exspirační tok (peak expiratory flow) (PEF) e největší hodnota toku dosažena během usilovného exspiria z inspiračního maxima. Pro dynamické plicní objemy jsou typické křivky průtok-objem a ob- jem-čas. Iveta Bryjová – Fyziologie I 133 Obrázek 53 Dynamické ventilační parametry Minutová ventilace plic MV vyjadřuje objem vzduchu vydechnutý za časovou jednotku a činí při klidovém dýchání, což je asi 8 l/min. Maximální minutová ventilace MVV udává objem vzduchu, který je v plicích vyměněn za minutu při maximálním dechovém úsilí, což je asi 125−170 l/min. Jednovteřinová vitální kapacita (FEV1) je objem vzduchu vydechnutý s maximálním úsilím během první vteřiny po maximálním nádechu. Usilovná vitální kapacita FVC je objem vzduchu vydechnutý maximálním úsilím a maximální rychlostí po maximálním vdechu. FVC ≈ VC (statická). Střední výdechová rychlost FEF25–75 je objem vzduchu vydechnutý maximálním úsilím po maximálním vdechu za 1 sekundu. Stanovuje se ze střední části křivky usilovného výdechu (25–75 % FVC). Snížení parametru indikuje obstrukci dýchacích cest. Obrázek 54 Průběh statických ventilačních parametrů Ventilační a respirační funkce 134 Obrázek 55 Dynamické ventilační parametry. Křivka objem-čas. Vlevo – usilovný výdech vitální kapacity (FVC) a usilovný výdech vitální kapacity za 1 sekundu (FEV1). Vpravo – konstrukce střední výdechové rychlosti (FEF25–75), tato hodnota odpovídá delší odvěsně pravoúhlého trojúhelníka, jehož kratší odvěsna je tvořena časovým intervalem 1 s a přeponou je spojnice 25 % a 75 % hodnoty FVC. Obrázek 56 Spirometrický záznam ve výdechu. Křivka průtok-objem Iveta Bryjová – Fyziologie I 135 OTÁZKY 1. Parametry FRC, IRV a TGV jsou statické nebo dynamické ventilační parametry? a) Dynamické ventilační parametry b) Statické ventilační parametry 2. Jak vypočítáte ventilační parametr VC? Uveďte vzorec. _____________________ 3. K uvedeným funkčním plicním parametrům doplňte, zda se jedná o statický parametr – S, nebo dynamický parametr – D. IRV RV df VC FVC 4. Do grafu vyznačte: IRV, RV, VC a IC. 5. Popište zevní a vnitřní respiraci. Správné odpovědi: 1b; 2 Vitální kapacita plic (VC) = celková kapacita plic (TLC) – reziduální objem (RV); 3 IRV – S , RV – S, df – D, VC – S, FVC – D Funkce gastrointestinálního traktu (GIT) 136 7 FUNKCE GASTROINTESTINÁLNÍHO TRAKTU (GIT) RYCHLÝ NÁHLED KAPITOLY V této kapitole jsou popsány fyziologické funkce a procesy gastrointestinálního traktu (GIT), neboli trávicího traktu, jež zajišťuje příjem, zpracování a vstřebávání energeticky bohatých součástí potravy, živin a dalších nezbytných látek, které zajišťují stavební a řídicí mechanismy organismu. Trávicí trakt je orgánem lidského těla, ve kterém dochází k nejvýznamnější a nejkomplexnější interakci se zevním prostředím, proto je tato kapitola poněkud obsáhlejší. Součástí kapitoly, která je rozdělena na jednotlivé pasáže trávicího traktu, jsou také stručné anatomické poznámky. Četné poznámky pod čarou doplňují a rozšiřují popisovanou problematiku. Doporučujeme věnovat pozornost i jim. V kapitole naleznete všeobecný úvod do GIT soustavy, histologické vrstvy stěny trávicí soustavy, krevní oběh v trávicí soustavě, je zde uvedeno také nervové řízení střeva (inervace, peristaltika, základní elektrická aktivita a řízení motility), následuje kapitola trávení a vstřebávání, kde je popsán proces trávení organických a anorganických látek a funkce enterocytů (intestinální epitelové buňky). Samostatná kapitola je věnována gastrointestinálním hormonům, je popsána funkce gastrinu, sekretinu, cholecystokinin-pankreozyminu, motilinu a dalších gastrointestinálních hormonů. Následující rozsáhlá kapitola se věnuje jednotlivým pasážím trávicího traktu počínaje dutinou ústní a konče konečníkem a procesem defekace. V kapitole dutina ústní a jícen jsou popsány tyto části: řízení sekrece slin, slinné žlázy, sliny a iontové složení slin, proces žvýkání, polykání, dolní jícnový svěrač a motorické poruchy jícnu, jsou vysvětleny pojmy aerofagie, borborygmus. Kapitola žaludek a žaludeční sekrece objasňuje funkce sekrečních a peptických buněk, význam HCO− 3 a hlenových buněk, sympatické a parasympatické nervové zakončení. Dále následuje podkapitola popisující žaludeční a střevní fázi. V dalších kapitolách jsou popsány důležité funkce vybraných parenchymatózních orgánů (exokrinní část pankreatu, játra a žlučový systém, žlučník), navazuje funkce tenkého střeva, tračníku, distální části trávicí trubice. ČAS POTŘEBNÝ KE STUDIU 6–8 hodin CÍLE KAPITOLY Dokázat popsat jednotlivé pasáže trávicí soustavy a důležité fyziologické procesy s tím spojené. Iveta Bryjová – Fyziologie I 137 KLÍČOVÁ SLOVA KAPITOLY Trávicí systém, vrstvy žaludku, inervace, peristaltika, motilita, gastrointestinální hormony, gastrin, motilin, sekretin, GIP, VIP, dutina ústní, jícen, žvýkání, slinné žlázy, sliny, sekrece slin, polykání, jícen, jícnový svěrač, aerofagie, flatus, borborygmus, žaludek, hlen, pepsinogen, HCl, pankreas, játra, žlučník, žluč, tenké střevo, tračník, stolice, defekace. ÚVOD Trávicí a vstřebávací funkce trávicího ústrojí, závisejí na řadě různých mechanismů, které změkčují potravu, posunují ji trávicím ústrojím a promíchávají ji jednak se žlučí ze žlučníku a jednak s trávicími enzymy secernovanými slinnými žlázami a pankreatem. Některé z těchto mechanismů závisejí na vnitřních vlastnostech hladké svaloviny střevní stěny. Jiné zahrnují působení reflexů zprostředkovaných vnitřními neurony střev, reflexů zprostředkovaných CNS a působení parakrinních účinků chemických prostředníků a gastrointestinálních hormonů. Tyto hormony jsou humorální látky secernované buňkami sliznice a přenášené krevním oběhem k cílovým orgánům – k žaludku, ke střevům a k žlučníku, jejichž funkce ovlivňují. Kromě toho působí i parakrinní cestou. Tvorba a obnova tkání a veškerá činnost organizmů vyžadují přísun látek z okolí. Spolu s vylučováním jejich zbytků a produktů je tento cyklus součástí látkové přeměny (metabolismu), která je jednou z charakteristických vlastností života. Trávicí, neboli gastrointestinální trakt (GIT) zajišťuje příjem, zpracování a vstřebávání energeticky bohatých součástí potravy (živiny) i látek obsahujících nezbytné stavební a řídicí součástí organismu. Kromě těchto základních funkcí, vykonává GIT řadu dalších, pro život nezbytných činností. Základní funkce trávicího ústrojí jsou trávení, vstřebávání, přeměna a skladování živin a vylučování. Tato kapitola byla z majoritní části převzata či upravena podle literárních zdrojů [7, 39]. Některé přehledové pasáže potom podle [44]. STAVBA STĚNY TRÁVICÍM ÚSTROJÍ Uspořádání struktur, které tvoří stěnu orgánů trávicího ústrojí je znázorněno na Obrázek 57. Stěna gastrointestinálního traktu má po celé délce určité společné strukturální rysy. Trávicí trakt tvoří dutá trubice s variabilní šířkou lumen a stěny, která se skládá ze sliznice, vrstvy podslizničního vaziva a svalové vrstvy. Povrch orgánů kryje adventicie nebo seróza v závislosti na tom, kde je orgán uložen [45]. Až na malé místní odlišnosti jsou zde čtyři vrstvy od lumen směrem ven: sliznice, podslizniční vazivo, svalovina a seróza. Hladká svalová vlákna se vyskytují v podslizničním vazivu (muscularis mucosae) a dvě vrstvy hladkého svalstva tvoří svalovinu stěny, zevní vrstva je longitudinální a vnitřní cirkulární. Stěna je vystlána sliznicí a s výjimkou jícnu Funkce gastrointestinálního traktu (GIT) 138 adistálního rekta je kryta serózou. Seróza přechází na mezenterium, kde jsou uloženy nervy, lymfatické cévy a krevní cévy vyživující trávicí ústrojí. KREVNÍ OBĚH V TRÁVICÍM ÚSTROJÍ Průtok krve žaludkem, střevy, pankreatu a játry je uspořádán do řady paralelních okruhů, které nakonec všechnu krev ze střev a pankreatu vedou portální žilou do jater. Krev ze střev, pankreatu a sleziny odtéká vrátnicí do jater a z jater jaterní žilou do dolní duté žíly. Do vnitřností a jater přivádí asi 30 % srdečního výdeje aa. celiaca96 , mesenterica superior97 et inferior98 . Játra dostávají přibližně 1000 ml/min krve z vrátnice a 500 ml/min z jaterní arterie. Obrázek 57 Stavba stěny orgánů trávicí trubice na příčném řezu. Stěnu trávicí trubice tvoří sliznice s různou epitelovou výstelkou, vrstva podslizničního vaziva, svalová vrstva a adventicie nebo seróza v závislosti na tom, kde je orgán uložen. Převzato z [45]. Oběh krve ve střevech – střeva jsou zásobována sérií paralelních okruhů vycházejících z větví horní a dolní mezenterické tepny. Mezi těmito cévami existují mnohočetné anastomózy. Přítok krve do sliznice je větší než do zbytku střevní stěny a odpovídá na změny 96 Truncus coeliacus patří mezi nepárové viscerální větve aorty abdominalis. Z této velké tepny odstupuje ventrálně těsně pod bránicí na úrovni posledního hrudního obratle a prvního bederního (Th12–L1). Jedná se pouze o krátký kmen, který se po jednom až dvou centimetrech dále větví. Truncus coeliacus společně se svými větvemi zásobuje všechny nepárové orgány uložené v supramesocolické části peritoneální dutiny. Truncus coeliacus se větví tři tepenné větve – a. gastrica sinistra, a. splenica (jiným názvem a. lienalis) a a. hepatica communis. 97 Arteria mesenterica superior – lat. tepna vystupující z břišní aorty pod odstupem truncus coeliacus a zásobující tepennou krví tenké střevo a část tlustého střeva k přechodu příčného tračníku v tračník sestupný flexura lienalis, kde má anastamózy s a. m. inferior inframezokolická oblast. K větvím patří a. pancreaticoduodenalis inferior, aa. jejunales, aa. ilei ileales, a. ileocolica, a. colica dextra a media 98 Arteria mesenterica inferior – lat. tepna vystupující z břišní aorty v lumbální oblasti a zásobující tepennou krví tlusté střevo od přechodu příčného tračníku v tračník sestupný flexura lienalis, kde má anastamózy s a. m. superior, až po část konečníku. K větvím patří a. colica sinistra, aa. sigmoideae, a. rectalis superior. Iveta Bryjová – Fyziologie I 139 v metabolické aktivitě. Krevní průtok tenkým střevem (i vrátnicí) se po jídle zdvojnásobuje a toto zvětšení trvá tři hodiny. Střevní cirkulace je schopná výrazné autoregulace. Jaterní oběh – funkční jednotkou jater je acinus99 . Každý acinus je na konci cévního stvolu obsahujícího terminální větve portální žíly, jaterních artérií a žlučovodů. Krev teče ze středu této funkční jednotky do terminálních větví jaterní žíly na periferii. Z tohoto důvodu je centrální oblast acinu (zóna I) dobře okysličována. Méně je okysličována střední zóna (zóna II) a nejméně je okysličována okrajová zóna (zóna III) a zároveň je nejcitlivější na anoxické poškození (v důsledku nedostatečného okysličení). Každý z acinů visí na cévním stvolu a v játrech člověka se jich nalézá přibližně 100 000. Jaterní žíla ústí do dolní duté žíly. Cévy sleziny – slezina hromadí krev a pravidelnými stahy svých obalů pumpuje plazmu do lymfatických cév. Proto je slezina zásobárnou krve velmi bohaté na krvinky. Noradrenergní nervové impulsy a adrenalin vedou k velmi silné kontrakci sleziny, při níž se krev dostává do oběhu, avšak tato činnost sleziny je kvantitativně nevýznamná. Zásobní funkce cévního řečiště celé splanchické oblasti je však velmi důležitá. Až 25–30 % objemu jater je tvořeno krví. Stah kapacitních cév ve viscerální oblasti může přidat do oběhu litr krve během méně než minuty. NERVOVÝ SYSTÉM STŘEVA Uvnitř stěny trávicího ústrojí jsou dvě velké pleteně: myenterický (Auerbachův) plexus, ležící mezi zevní longitudinální a střední cirkulární svalovou vrstvou, a submukózní (Meissnerův) plexus mezi střední cirkulární vrstvou a sliznicí. Dohromady vytvářejí tyto neurony nervový systém střeva. Tento systém u člověka obsahuje okolo 100 milionů senzorických neuronů, interneuronů a motorických neuronů – tolik, kolik je v celé míše – a může být nejspíše považován za dislokovanou část CNS, která se podílí na regulaci GIT. S CNS je spojen sympatickými a parasympatickými vlákny, ale může fungovat autonomně i bez tohoto spojení. Myenterický plexus inervuje longitudinální a cirkulární vrstvu hladkého svalstva a podílí se primárně na řízení motoriky. Submukózní plexus inervuje žlázový epitel, endokrinní buňky střeva a krevní cévy v submukóze a primárně se zabývá řízením intestinální sekrece. Zevní inervace – střevo dostává dvojí zevní inervaci z vegetativního nervového systému; parasympatická cholinergní nervová zakončení obecně zvyšují aktivitu hladké svaloviny střeva; sympatická noradrenergní zakončení ji tlumí a současně vyvolává kontrakci svěračů. 99 Primární jaterní acinus je funkční jaterní jednotkou, tvořen pomyslnými dvěma trojúhelníky, které se v základnách dotýkají a mají ve svém vrcholu v. centralis. Je zásoben jednou cirkumlobulární žilou a arterií. Ty vysílají cévy do sinusoid dvou přilehlých lalůčků. Primární jaterní acinus se histologicky ještě dělí na tři zóny: zóna I – střed jaterního acinu, je nejblíže cirkumlobulární žíle a tepně, proto je zde nejvyšší kyslíkové a živinné zásobení; zóna II – je dále od středu jaterního acinu, menší kyslíkové a živinné zásobení; zóna III – nejblíže k centrální véně, zde dorazí kyslík a živiny jako poslední. Funkce gastrointestinálního traktu (GIT) 140 Peristaltika – je reflexní odpověď, jejímž spouštěcím mechanismem je roztažení stěny střeva jeho zvýšenou náplní. Peristaltika je ve všech úsecích trávicího ústrojí. Od jícnu až po konečník. Peristaltická aktivita může být potencována nebo naopak tlumena působením vegetativní inervace střeva, objevuje se však nezávislé na zevní inervaci100 . Peristaltika je dobrým příkladem integrované činnosti nervového systému střeva. Základní elektrická aktivita a řízení motility – až na jícen a proximální úsek žaludku vykazuje hladká svalovina trávicího ústrojí rytmické kolísání membránového potenciálu v rozmezí mezi −65 až −45 mV. Tento základní elektrický rytmus101 je spouštěn Cajalovými intersticiálními buňkami. Tento rytmus sám o sobě vyvolá jen vzácně svalovou kontrakci, ale akční potenciály (AP) nasedají na nejvíce depolarizované úseky vln tohoto rytmu a svalové napětí zvyšují. Depolarizační úsek AP je podmíněn tokem Ca2+ do buňky a repolarizační úsek proudem K+ z buňky. Úlohou tohoto základní rytmu je koordinovat peristaltiku a další motorickou aktivitu; kontrakce se vyskytují v průběhu depolarizace. Po vagotomii nebo přerušení stěny žaludku se například peristaltika v žaludku stává nepravidelnou a chaotickou. Migrující motorický komplex – během lačnění se schéma elektrické aktivity a motorické aktivity v hladké svalovině GIT mění. Cykly motorické aktivity se posunují od žaludku k distálnímu ileu. Každý cyklus (MMK – migrující motorický komplex) začíná klidovou periodou (fáze I), pokračuje nepravidelnou motorickou a elektrickou aktivitou (fáze II) a končí výbojem pravidelné aktivity (fáze III). Během každé MMK se zvyšuje žaludeční sekrece, vylévá se žluč a zvyšuje se pankreatická sekrece. Tímto MMK čistí žaludek a tenké střevo od luminálního obsahu v přípravě na příští jídlo. Po příjmu potravy je tato aktivita okamžitě ukončena a navrací se zpět peristaltika a další formy AP. 7.1 Trávení a vstřebávání, imunitní systém trávicího traktu Trávicí trakt je orgánem lidského těla, ve kterém dochází k nejvýznamnější a nejkomplexnější interakci se zevním prostředím. Imunitní systém, který je jeho součástí, musí zajišťovat obranu před četnými patogenními organizmy a toxiny, které mohou narušit střevní integritu. Také musí odlišit záplavu antigenních stimulů od neškodných komenzálů a složek lidské výživy, které pro lidský organizmus nepředstavují žádné riziko. Imunitní systém trávicího traktu je integrální součástí bariéry mezi zevním a vnitřním prostředím lidského organizmu. Podílí se především na ochraně sliznice před proniknutím patogenních mikroorganizmů, napomáhá udržet integritu střevní stěny. Zásadní úlohou gastrointestinálního imunitního systému je vznik orální tolerance, kdy je utlumena potenciálně nežádoucí systémová imunitní odpověď na celou řadu potravinových antigenů, které, jak bylo prokázáno, pronikají střevní stěnou do oběhu v imunogenní podobě102 . Funkce gastrointestinálního 100 Postup tráveniny není zastaven ani chirurgickým odstraněním úseku střeva a jeho zpětným všitím na původní místo, je zablokován pouze, pokud je vyříznutý úsek na své místo všit opačným směrem. 101 Základní elektrický rytmus – Basic Electrical Rhythm (BER). 102 Není tedy pravdou, že veškeré komponenty lidské potravy se působením trávicích enzymů rozštěpí na neimunogenní peptidy. Zhruba 1–2 % potravinových antigenů tomuto štěpení uniká. Iveta Bryjová – Fyziologie I 141 systému je komplexní a lze ji s určitým zjednodušením rozdělit na imunitu vrozenou a imunitu získanou. Vrozená imunita má složku neimunologickou, kterou tvoří řada fyzikálních a chemických bariér, které váží a rozkládají patogenní substance a organizmy a brání jejich vstupu – kyselá žaludeční sekrece, trávicí enzymy, hlen, žlučové kyseliny a střevní mikroflóra spolu s dokonalou integritou střevní stěny a peristaltikou omezují nálož patogenů. Imunologická složka je tvořená buněčnými a solubilními elementy. V imunitních reakcích se uplatňují prakticky všechny intestinální buňky – zejména fagocyty, žírné, epiteliální a natural killer buňky. Tyto buňky se podílejí na eliminaci patogenů, pomocí solubilních mediátorů atrahují další komponenty obranných reakcí a podílejí se na likvidaci buněk alterovaných infekcí či nádorovým bujením. Vrozená imunita je zaměřena především proti antigenům, které jsou společné široké populaci patogenů, nejsou exprimovány hostitelským organizmem a jsou zásadní pro přežití mikroorganizmů. Adaptivní imunita reflektuje individuální expozici jednotlivým antigenům během života a pomocí humorální imunity, vycházející z B lymfocytů a reprezentované protilátkami zasahuje v extracelulárním prostředí. Buněčná imunita je odvozena od T lymfocytů a brání intracelulárním procesům, které jsou mimo dosah humorální imunity. Převzato z [46]. Trávení začíná v ústech a žaludku je dokončeno v lumen a ve slizničních buňkách tenkého střeva (Kapitola 7.8). Produkty trávení se vstřebávají spolu s tekutinou a většinou vitaminů. Přijímaná potrava i nápoje obsahuje jak organické, tak anorganické složky. Organické látky tělo využívá jako stavební součástí, nebo využívá jejich chemicky vázanou energii, proto jsou označovány jako živiny (cukry, tuky, bílkoviny). Složité organické látky musí být procesem trávení rozloženy na základní stavební jednotky (aminokyseliny, jednoduché cukry, mastné kyseliny apod.), teprve poté se mohou vstřebávat do tekutin vnitřního prostředí organismu103 (absorpce). Trávením se také odstraní potenciální toxicita některých látek a eliminují se jejich antigenní vlastnosti. Většina anorganických látek se v trávicím traktu pouze rozpouští a disociuje (Na+ , K+ , Ca2+ , Cl− , Fe2+ apod.). Některé organické molekuly (vitaminy, v časném období po narození i některé protilátky a antigeny) nejsou v trávicím traktu štěpeny a jejich vstřebávání vyžaduje jiný mechanismus. Přechod látek v trávicím traktu do tekutin vnitřního prostředí se označuje jako vstřebávání (absorpce), většinou však látky prostupují přes buňky střevní výstelky (transcelulární cesta) a dostávají se do krve či mízy. 103 Důvodem je snadnější vstřebávání jednoduchých molekul, které mohou prostupovat difuzí nebo přenášeny relativně malým počtem transportních systémů. Funkce gastrointestinálního traktu (GIT) 142 K ZAPAMATOVÁNÍ V TENKÉM STŘEVĚ SE ABSORBUJÍ ŽIVINY, VITAMINY, SOLI ŽLUČOVÝCH KYSELIN, ELEKTROLYTY A VODA. V TLUSTÉM STŘEVĚ SE DOKONČUJE VSTŘEBÁVÁNÍ VODY A ELEKTROLYTŮ Enterocyty (intestinální epitelové buňky) v tenkém střevě a intersticiální prostory mezi nimi tvoří funkční jednotku. Cytoplazma enterocytů obsahuje všechny nezbytné buněčné organely: V endoplazmatickém retikulu se tvoří proteiny transportních systémů, intracelulární enzymy, enzymy kartáčového lemu (viz Kapitola 7.8); Golgiho aparát dočasně uchovává a podobně jako lysozomy upravuje některé absorbované látky; četné mitochondrie nasvědčují o vysoké energetické náročnosti transportních a syntetických pochodů. Významnou úlohu mají také mikroklky na luminálním povrchu enterocytů, které kryje glykokalyx. Voda a některé ionty mohou difundovat přes těsná spojení (paracelulární absorpční cesta104). Absorpce vody a elektrolytů je absolutně nejvyšší v proximální části střeva, významná je i v tlustém střevě. Jednoduché cukry (glukóza, galaktóza, laktóza) jsou vstřebávány facilitovaným transportem zejména v duodenu a jejunu. Přecházejí do krve vrátnicového oběhu, dostávají se do jater a část je dále rozváděna do celého těla. Glukóza je vstřebávaná sekundárním aktivním transportem – kotransportem s Na+ . Za vytvoření elektrochemického gradientu sodíku odpovídá Na+ -K+ -ATPáza v bazolaterální membráně enterocytů. Vstřebávání glukózy nezávisí na přítomnosti inzulinu. Tuky jsou tráveny v žaludku pouze v kojeneckém období105 . S dalším vývojem se trávení tuků v žaludku stává nevýznamné. Prvním krokem při trávení tuků je emulgace, kterou umožňují soli žlučových kyselin. Tyto malé tukové kapénky s velkým povrchem jsou vystaveny působení pankreatické lipázy. Vznikají monoacylglyceroly a diacylglyceroly s mastnými kyselinami, fosfolipidy a cholesterolem, které původní kapénky obohacují a přeměňují je na micely. Ty se dostávají mezi mikroklky a jejich obsah se rozptýlí v pomalu se pohybující tekutině při jejich povrchu. Komponenty lipidů zde dosahují poměrně vysoké koncentrace a vzhledem ke svým hydrofobním vlastnostem difundují přes luminální membránu enterocytů. Shromažďují se ve veziklech hladkého endoplazmatického retikula, kde se z nich znovu tvoří molekuly lipidů a jejich povrch se pokrývá fosfolipidy a βlipoproteinem, který se tvoří v ribozomech enterocytů. Tyto tukové kapénky (chilomikrony) opouštějí buňku exocytózou do bazolaterálního prostoru. Jsou však příliš velké na to, aby prošly bazální membránou do krevních kapilár, proto vstupují do mízních kapilár a mízou se dostávají do krve. Většina tuku se vstřebává již v duodenu a jejunu. Zbývající žlučové kyseliny se vstřebávají hlavně v terminální části ilea. Vitamíny rozpustné v tucích (A, D, E a K) se dostávají do tukových micel a podobně jako další produkty trávení tuků 104 Tento krok nevyžaduje ATP, je proporcionální osmotickému, hydrostatickému a koncentračnímu spádu. 105 Umožňuje to secernovaná žaludeční lipáza, přibližně neutrální pH a skutečnost, že v mateřském mléce jsou tuky již v podobě emulze. Iveta Bryjová – Fyziologie I 143 vstupují difuzí do enterocytů a stávají se součástí chilomikronů. Vstřebávání některých vitaminů (např. E) napomáhají i žlučové kyseliny. Hlavní podíl na vstřebávání vápníku má duodenum a jejunum. Vstřebávání vápníku řídí vitamin D (kalcitriol) a parathormon. Vitamín D stimuluje transkripci RNA pro tvorbu všech bílkovin, které se na vstřebávání vápníku podílejí. Vitamíny rozpustné ve vodě se vstřebávají většinou v proximální části tenkého střeva. Pokud je jejich koncentrace ve střevním obsahu vyšší, přestupují stěnu střevní difúzí. Železo přítomné v potravě (15–20 mg za den) se vstřebává jen v malém množství díky regulačním mechanismům, které přestup železa do vnitřního prostředí upravují dle aktuální potřeby organismu. Dospělý muž vstřebá 0,5–1 mg, žena před menopauzou 1–1,5 mg, těhotné ženy a rostoucí děti ještě více. Nejlépe se vstřebává železo hemu, také Fe2+ se vstřebává lépe než Fe3+ , které má větší tendenci tvořit nerozpustné sloučeniny. Ve střevním obsahu je železo vázáno na protein (transferin) secernovaný buňkami sliznice duodena a jejuna. Železo, které zůstalo navázáno na cytoplazmatický feritin enterocytů, se při obnově epitelových buněk dostává opět do střevního obsahu a je z těla vyloučeno se stolicí. Voda se pohybuje přes stěnu GIT traktu v obou směrech (absorpce–sekrece) pouze pasivními procesy. Hnací silou, která pohyb vody umožňuje je osmotický gradient. V tlustém střevě je tok vody menší, vstřebávaná tekutina je hypertonická a střevní obsah se tak stává vůči plazmě hypotonický. Účinnost vstřebávání vody ve střevě mohou významně ovlivnit poruchy vstřebávání látek, které využívají kotransport se sodíkem (malabsorpce). Přítomnost nevstřebatelných, osmoticky aktivních látek ve střevním obsahu zvyšuje rychlost pasáže střevního obsahu. Absorpční procesy pak nemají dostatek času, zvyšuje se konečný obsah vody a stolice se stává řídkou (laxativní účinek solí hořčíku). Účinnost vstřebávání vody klesá při zvýšeném krevním tlaku v portálním oběhu → mění hydrostatickou rovnováhu v bazolaterálních prostorech střevní sliznice. DALŠÍ ZDROJE K FYZIOLOGII HOMEOSTÁZY TĚLESNÉ VODY, REGULACE OSMOLALITY A OBJEMU LZE DOSTUDOVAT NA HTTP://PFYZIOLKLIN.UPOL.CZ/?P=5063. 7.2 Gastrointestinální hormony Motilita, sekrece, krevní zásobení a růst jsou v trávicím traktu řízeny hormony, parakrinně působícími signálními látkami a nervově. V plexus myentericus a submucosus (enterický nervový systém) probíhají endogenní reflexy a aktivitu enterického nervového systému moduluje zevní inervace. Parakrinní účinky vykazují biologicky aktivní polypeptidy secernované nervovými a žlázovými buňkami ve sliznici. Většina gastrointestinálních hormonů se rozděluje do Funkce gastrointestinálního traktu (GIT) 144 dvou skupin: gastrinové skupiny (gastrin a cholecystokinin106 ) a sekretinové skupiny (sekretin, glukagon, glicentin107 , vazoaktivní intestinální peptid a žaludeční inhibiční polypep- tid108 (GIP, dříve enterogastron). Existují ale další hormony, které do těchto do dvou skupin nelze korektně zařadit. 7.2.1 GASTRIN Gastrin je produkován „G“ buňkami, který se nachází v laterálních stěnách žlázek antrálního úseku žaludeční sliznice. Na G buňkách jsou umístěny receptory, které zprostředkovávají gastrinové odpovědi na změny žaludečního obsahu. Druhým typem buněk jsou „TG“ buňky, které se rozptýleně nacházejí v žaludku a tenkém střevě. Gastrin se nachází109 také v předním a středním laloku hypofýzy, v hypotalamu a prodloužené míše, dále ve vagu a v ischiadických nervech. Gastrin také vyvolává kontrakce svaloviny, která uzavírá gastroezofageální spojení, tento účinek má však nejasný fyziologický význam. Dále stimuluje sekreci inzulinu a glukagonu. Sekrece gastrinu je ovlivňována obsahem žaludku, aktivitou vagu a faktory pocházejícími z krve. Sekreci gastrinu zvyšuje také přítomnost produktů trávení bílkovin v žaludku, zejména aminokyselin, které působí přímo na G buňky. Zvlášť účinné jsou fenylalanin a tryptofan. 7.2.2 CHOLECYSTOKININ-PANKREOZYMIN Cholecystokinin-pankreozymin (CCK-PZ nebo CCK) se nachází kromě endokrinních buněk a I-buněk v horním úseku střeva, které jej vylučují, také v nervech v distálním ileu a tračníku. Rovněž se nachází v neuronech mozku (ponejvíc v mozkové kůře) a v nervech v mnoha oblastech organismu. V mozku se pravděpodobně účastní řízení příjmu potravy a také má zřejmě vztah ke vzniku pocitu úzkosti a k analgezii. CCK vyvolává kontrakce žlučníku, sekreci pankreatických šťáv bohatých na enzymy, zvyšuje účinek sekretinu při aktivaci sekrece alkalické pankreatické šťávy. Inhibuje vyprazdňování žaludku, vykazuje trofický účinek na pankreas, zvyšuje sekreci enterokinázy a může posilovat motilitu tenkého střeva a tračníku. Gastrin a CCK stimulují sekreci glukagonu a jelikož sekreci obou těchto gastrointestinálních hormonů zvyšuje strava bohatá na bílkoviny, je jeden z nich nebo oba tím „střevním faktorem“, který stimuluje sekreci glukagonu. Sekrece CCK se zvyšuje kontaktem střevní sliznice s produkty trávení, zejména peptidy a aminokyselinami a také přítomnosti mastných kyselin. Žluč a pankreatická šťáva, které jsou vylučovány do pod vlivem CCK do duodena zvyšují trávení bílkovin a tuků. Produkty tohoto trávení stimulují další sekreci CCK. 106 CCK (cholecystokinin-pankreozymin; někdy se označuje jako CCK-PZ) 107 GLI (glicentin) 108 GIP (glucose-dependent insulinotropic peptide) 109 Ve fetálním období se gastrin nachází také v ostrůvcích pankreatu. Nádory produkující gastrin (gastronomy) se objevují v pankreatu, ale není úplně jisté, zda se gastrin vyskytuje i v pankreatu zdravých dospělých. Iveta Bryjová – Fyziologie I 145 7.2.3 SEKRETIN Sekretin poprvé prokázali Bayliss110 a Starling111 v roce 1902. Zjistili, že excitační účinek duodenální stimulaci na sekreci pankreatu je vyvolán právě sekretinem. Také vyslovili předpoklad, že mnohé chemické působky v organismu mohou být vytvářeny buňkami a uvolňovány do cirkulující krve, odkud ovlivňují orgány; Starling pro tyto „chemické posly“ zavedl termín hormon. Sekretin je vylučován buňkami „S“, které jsou umístěny hluboko v žlázách sliznice horního úseku tenkého střeva. Sekretin zvyšuje vylučování hydrogenkarbonátu buňkami vývodu pankreatu a biliárního traktu. Takto vyvolává sekreci vodnaté, alkalické pankreatické šťávy. Snižuje sekreci žaludeční kyseliny a může způsobit kontrakci pylorického svěrače. Produkty trávení bílkovin a kyselé prostředí zvyšují vylučování sekretinu. Uvolňování sekretinu kyselým prostředím je dalším příkladem zpětnovazebné regulace – sekretin způsobí vylití alkalické pankreatické šťávy do duodena, tím pak zneutralizuje kyseliny, které přitékají ze žaludku a tím také zastaví další sekreci hormonu. 7.2.4 GIP – ŽALUDEČNÍ INHIBIČNÍ POLYPEPTID GIP (Gastric Inhibotory Peptide) žaludeční inhibiční polypeptid je produkován K-buňkami sliznice duodena a jejuna. Sekrece GIP je stimulována přítomností glukózy a tuků v duodenu. Označení peptid inhibující žaludek dostal pro velké dávky, kterými inhibuje žaludeční sekreci a motilitu. GIP stimuluje také sekreci inzulinu – stejně tak jako gastrin, CCK, sekretin a glukagon – GIP je z nich však jediný, který vyvolává sekreci inzulinu i v dávkách, které vyvolají koncentraci v krvi srovnatelnou s tou, jaká je vyvolána glukózou podanou perorálně. Z tohoto důvodu se mu také říká inzulínotropní polypeptid závislý na glukóze. 7.2.5 VIP – VAZOAKTIVNÍ INTESTINÁLNÍ PEPTID VIP se nachází v nervech trávicího ústrojí, ale také v krvi, ve které má poločas rozpadu ~2 min. Mimo to také v mozku a mnoha vegetativních nervech112 . Ve střevě výrazně stimuluje sekreci elektrolytů a tím i vody. Dále VIP relaxuje hladkou svalovinu střeva včetně svěračů, vazodilataci periferních krevních cév a tlumí sekreci kyseliny chlorovodíkové v žaludku. 110 Sir William Maddock Bayliss, (narozen 2. května 1860, Wolverhampton, Staffordshire, Anglie; zemřel 27. srpna 1924, Londýn), britský fyziolog, spoluobjevitel hormonů (s britským fyziologem Ernestem Starlingem); vedl průkopnický výzkum v hlavních oblastech fyziologie, biochemie a fyzikální chemie. 111 Ernest Henry Starling, (narozen 17. dubna 1866, Londýn; zemřel 2. května 1927, Kingston Harbour, Jamajka), britský fyziolog, který přispěl k modernímu pochopení tělesných funkcí, zejména k udržování rovnováhy tekutin ve tkáních, regulační roli endokrinních sekrecí a mechanickému řízení srdeční činnosti, a stal se tak jedním z nejvýznamnějších vědců své doby. 112 V mozku a vegetativních nervech se s ním setkáváme často ve stejných neuronech jako s acetylcholinem. Funkce gastrointestinálního traktu (GIT) 146 7.2.6 MOTILIN Motilin113 je uvolňován enetrochromafinními buňkami a Mo buňkami v žaludku, tenkém střevě a tračníku. Stimuluje receptor spojený s proteinem G, který je umístěn na eneterických neuronech v duodenu a tračníku, po injekčním podání vyvolá kontrakci hladkého svalstva žaludku a střev. 7.2.7 DALŠÍ GASTROINTESTINÁLNÍ HORMONY Z dalších gastrointestinálních hormonů můžeme zmínit neurotenzin, který je produkován neurony a buňkami, které se nacházejí hojně ve sliznici ilea. Jeho uvolňování je stimulováno mastnými kyselinami. Jeho účinek tlumí gastrointestinální motilitu a zvyšuje průtok krve ileem. Dále substanci P, která se nachází v endokrinních a nervových buňkách trávicího traktu. Zvyšuje motilitu tenkého střeva. Somatostatin je hormon inhibující růstový hormon, původně izolovaný z hypotalamu. Somatostatin je secernovaný do cirkulace δbuňkami ostrůvku pankreatu a obdobnými δ-buňkami trávicího ústrojí. Inhibuje sekreci gastrinu, VIP, GIP, sekretinu a motilinu. Somatostatin je, stejně jako další gastrointestinální hormony, uvolňován do žaludeční dutiny ve větších dávkách, než do krevního oběhu. Inhibuje exokrinní sekreci pankreatu, žaludeční kyseliny, motilitu žaludku, kontrakci žlučníku a resorpci glukózy, aminokyselin a triacylglycerolů. Kromě toho také parakrinně zprostředkovává cestou žaludečních šťáv sekreci gastrinu vyvolaného kyslinou. Guanylin je gastrointestinální peptid secernovaný buňkami střevní sliznice. Většina guanylinu působí pravděpodobně parakrinně a je produkován v buňkách od pyloru po rektum. Kromě toho byly guanylinové receptory nalezeny také v játrech, ledvinách a v ženských reprodukčních orgánech, zřejmě tak guanylin řídí pohyb tekutin také v těchto tkáních. Buňky secernující gastrointestinální hormony mohou tvořit nádory. 50 %těchto nádorů jsou gastronomy a 25 % glukagonomy a jiné nádory. 7.3 Ústní dutina a jícen Lidská ústní dutina obsahuje jazyk a zuby. Vpředu je ohraničena rty, zatímco vzadu se napojuje na hltan, společný prostor dýchacího i zažívacího traktu, a je proto zapojena do procesu trávení i dýchání. Ústní dutina se také významně podílí na tvorbě řeči. Vstupem do dutiny ústní (cavum oris) je ústní štěrbina (rima oris). Dutina ústní je ohraničena následujícími strukturami: labium superius et inferius (horní a dolní ret; jejich přechod = angulus oris). 113 Erytromycin (antibiotikum) se váže na motilinové receptory a látky od této sloučeniny odvozené, tak může mít význam při léčbě nemocných se sníženou gastrointestinální motilitou. Iveta Bryjová – Fyziologie I 147 V ústní dutině se potrava promíchává se slinami a posouvá do jícnu. Peristaltické vlny v jícnu posouvají potravu do žaludku. Hlavní úlohou jícnu je jeho transportní funkce potravy. V horní třetině jícnu je příčně pruhovaná svalovina, v dolních dvou třetinách převládá hladká svalovina inervovaná negangliovými vlákny nervu vagu. Polykání vyžaduje koordinaci svalů úst, nosohltanu, hltanu, jícnu, žaludku a dýchacích svalů. DALŠÍ ZDROJE PRO ANIMACI ORGÁNŮ TVOŘÍCÍ PRVNÍ ÚSEK TRÁVICÍHO TRAKTU – ÚSTNÍ DUTINA, HLTAN A JÍCEN – DOPORUČUJEME ZHLÉDNOUT ANIMACI DOSTUPNOU ZDE. 7.3.1 ŽVÝKÁNÍ, SLINNÉ ŽLÁZY, SLINY A IONTOVÉ SLOŽENÍ SLIN Žvýkáním (mastikací) se velké části potravy rozmělňují a mísí se sekrety slinných žláz. Takto zvlhčená a homogenní směs potravy usnadňuje polykání a trávení. Ve slinných žlázách se uvolňují sekreční granula (zymogen), která obsahují slinné enzymy. Pro člověka jsou charakteristické tři páry slinných žláz: příušní žlázy jsou žlázy serózní114 a produkují přibližně 20 % z celkové produkce slin (cca 1,5 l/den) vodnatého sekretu; submandibulární žlázy jsou histologicky smíšené (serózní i mukózní) a relativní podíl celkové produkce slin činí 70 % mírně viskózního sekretu; sublingvální žlázy jsou histologicky žlázy mukózní115 a jejich produkce činí 5 % viskózního sekretu. Zbylých 5 % objemu slin připadá na jazykové a ostatní malé žlázky dutiny ústní. Denně se secernuje asi 1500 ml slin a jejich pH je <7,0z, ale v průběhu aktivní sekrece pH vystoupá až k 8,0. Sliny obsahují enzymy lipázu a amylázu. Žlázky jazyka secernují lingvální lipázu; slinné žlázy secernují slinnou α-amylázu. Sliny obsahují glykoprotein mucin, který činí potravu kluzkou a chrání ústní sliznici. Kromě mucinu obsahují sliny také lysozym, který narušuje bakteriální stěnu; laktoferin, který váže železo a má bakteriostatický účinek a proteiny bohaté na prolin, které chrání zubní sklovinu a vážou toxické taniny. Sliny usnadňují polykání, udržují ústní dutinu vlhkou, slouží jako rozpouštědlo pro molekuly, které stimulují chuťové pohárky. Sliny rovněž působí antibakteriálně, u nemocných s poruchou slin (xerostomie) je větší výskat zubního kazu. 114 Serózní buňky secernují ptyalin. Ptyalin je enzym obsažený ve slinách, který štěpí polysacharidy např. škrob na jednodušší cukry. Podobný amyláze ze slinivky břišní; řec. ptyalon slina. 115 Mukózní buňky secernují glykoprotein mucin (hlen, sliz). Produkt hlenových žlázek a buněk roztroušených ve sliznici řady orgánů trávicích, dýchacích aj.; lat. mucus hlen. Funkce gastrointestinálního traktu (GIT) 148 V iontovém složení slin existují značné rozdíly. Obecně je slina secernována v acinu116 přibližně izotonická117 s koncentrací Na+ , K+ , Cl− a HCO− 3 (přibližně stejnou jako v plazmě). Exkreční vývody, které do slinných žláz ústí upravují složení slin extrahováním Na+ a Cl− a přidáním K+ a HCO− 3. Vývody jsou relativně nepropustné pro vodu a sliny se tak ve vývodním systému stávají hypotonickými. Pokud je rychlost produkce slin malá, vtékají do dutiny ústní sliny hypotonické, alkalické, bohaté na K+ a relativně chudé na Na+ a Cl− . Sliny zůstávají hypotonické, i když se jejich tok zrychluje, neboť ve vývodech slinných žláz je na změnu iontového složení velmi málo času. Sliny jsou – byť u člověka stále hypotonické – více izotoničtější a mají vyšší koncentraci Na+ a Cl− . Aldosteron zvyšuje ve slinách koncentraci K+ a snižuje koncentraci Na+ obdobným mechanismem jako v ledvinách. U Addisonovy choroby je ve slinách vysoký poměr Na+ /K+ z důvodu deficitu aldoste- ronu. 7.3.2 ŘÍZENÍ SEKRECE SLIN Sekrece slin je řízena nervově. Stimulace parasympatického nervového zásobení vyvolává profúzní sekreci vodnatých slin s relativně nízkým obsahem organických látek. S touto sekrecí nastává významná vazodilatace ve žlázách, o níž se soudí, že závisí na lokálním uvolňování VIP (vazoaktivní intestinální peptid). VIP je kotransmiterem s acetylcholinem v některých postgangliových parasympatických neuronech. Atropin a další cholinergní blokátory sekreci slin snižují. Stimulace sympatického nervového zásobení vyvolává vazokonstrikci a u člověka také sekreci malého množství slin. Potrava v ústech podnítí reflexní sekreci slin, čímž stimuluje aferentní vlákna vagu na žaludečním konci jícnu. U člověka vyvolává sekreci slin zrakový a čichový vjem potravy (podmíněné reflexy slinné žlázy, I. P. Pavlov) a dokonce i pouhá představa. 7.3.3 POLYKÁNÍ Polykání je reflexní odpověď, která je spouštěna aferentními impulsy n. trigeminus118 , n. glossofaryngeus119 a n. vagus120 . Polykání je zahájeno volním nahromaděním rozmělněné potravy nebo tekutiny na jazyku a jejím posunutím dozadu do hltanu, měkké patro se 116 Na stavbě slinných žláz se podílí vazivová složka a žlázový parenchym, který zahrnuje sekreční oddíly a vývody. Sekreční oddíly slinných žláz jsou dvojího druhu: serózní aciny a mucinózní tubuly. Serózní aciny jsou okrouhlé nebo ovoidní útvary s centrálně uloženým a luminem. Stěna acinů se skládá z bazální membrány a serózních buněk. 117 Roztoky, které mají stejný osmotický tlak, se označují jako izotonické (izoosmotické); roztoky s nižší koncentrací solutů jsou hypotonické; s vyšší koncentrací solutů jsou hypertonické. V lékařství se izotonickými roztoky obvykle míní roztoky se stejným osmotickým tlakem jako má krevní plazma, např. 0,9 % roztok NaCl (9 g.l−1 = 154 mmol.l−1 ). 118 Trojklanný nerv, pátý hlavový nerv. 119 Nervus glossopharyngeus, devátý hlavový smíšený nerv s motorickou, senzitivní a parasympatickou slož- kou. 120 Nervus vagus, bloudivý nerv, n. X. je největší součástí postranního smíšeného systému. Je to nerv smíšený – obsahuje vlákna visceromotorická, somatomotorická, somatosenzitivní, viscerosenzitivní a vlákna chuťová. Iveta Bryjová – Fyziologie I 149 zvedne a oddělí dutinu nosní od hltanu. Toto posunutí spustí ve svalech hltanu vlnu kontrakce, která postrčí sousto do jícnu. Součástí reflexní odpovědi je i útlum dýchání a uzávěr hrtanové záklopky (glottis). Následuje peristaltická vlna, která proběhne po jícnu a posune sousto do žaludku. Mimo polykací fázi je jícen uzavřen trvalým stahem horního svěrače. Tím je zabráněno proudění vzduchu do a z jícnu při změnách nitrohrudního tlaku provázejících dýchání. Polykací reflex má centrum v oblasti jader IX. a X. hlavového nervu. Pokud jsou ústa otevřená, je polykání obtížné (např. hromadění slin v hrdl při stomatologickém vyšetření dutiny ústní). Zdravý dospělý polyká často i během jídla, polykání pokračuje také mezi jídly121 . Sání je prvotní fáze příjmu tekuté potravy u kojenců. Stah svaloviny rtů a rytmické pohyby jazyka a svaloviny tváří vytvářejí podtlak, který dopravuje mléko z ústí mlékovodů do dutiny ústní. Po určitém naplnění dutiny ústní je spuštěn polykací reflex. Celý tento děj je zpočátku řízen mechanismem nepodmíněného reflexu (sací reflex), který se postupně mění na reflex podmíněný a později se stává volní činností. 7.3.4 DOLNÍ JÍCNOVÝ SVĚRAČ, MOTORICKÉ PORUCHY JÍCNU Na rozdíl od ostatní části jícnu má svalovina gastroezofageálního spojení aktivní tonus (dolní jícnový svěrač), který povolí při polykání. Aktivní tonus zabrání v období mezi jídly refluxu žaludečního obsahu do jícnu. Tonus je řízen nervově uvolněním acetylcholinu z vagových zakončení, což vyvolá kontrakci vnitřního svěrače a vyvolá relaxaci. Kontrakce krurální122 části bránice inervované frenickými nervy je koordinována s dýcháním a kontrakcemi hrudních a břišních svalů. Takto fungují vnitřní i zevní svěrač společně a umožňují tím postupný přísun potravy do žaludku a současně zabraňuje refluxu žaludečního obsahu do jícnu. Velké dávky gastrinu zvyšují tonus dolního jícnového svěrače, ale dávky gastrinu nutné pro vyvolání tohoto účinku jsou nesrovnatelně vyšší než ty, které se objeví v cirkulaci po jídle. Mezi motorické poruchy jícnu patří achalazie, což je stav, kdy se potrava hromadí v jícnu a ten se výrazně dilatuje. Příčinou je zvýšený klidový tonus dolního jícnového svěrače. Opačný stav je nedostatečnost dolního jícnového svěrače, který umožňuje reflux kyselého žaludečního obsahu do jícnu, jedná se o gastroezofageální reflux. Jedná se o poměrně častou situaci vyvolávající pálení žáhy a zánět sliznice jícnu, což může vést ke vzniku peptického vředu a k striktuře123 v důsledku jizvení. 121 Celkový počet polknutí za den je asi 600:200 při jídle a pití, 350 mezi jídly v bdělém stavu a 50 polknutí v průběhu spánku. 122 Z funkčního pohledu lze rozdělit bránici na část krurální a kostální. Kostální část je zodpovědná za dýchání, zatímco krurální čast tvoří dolní jícnový svěrač a brání tak gastroesofageálnímu refluxu. Během polykání, rozšíření jícnu nebo zvracení, musí tyto části bránice pracovat v rozdílném čase s rozdílnou inervací. 123 Chorobné zúžení průsvitu dutého orgánu zejména zjizvením. Funkce gastrointestinálního traktu (GIT) 150 7.3.5 AEROFAGIE A STŘEVNÍ PLYNY Osoby, které hyperventilují, spolykají občas větší množství vzduchu, jehož určitá část je spolykána zcela nevyhnutelně v průběhu jídla a pití (aerofagie124). Nejčastější příznak aerofagie jsou říhání (regurgitace části spolykaného vzduchu), plynatost125 a nadýmání a jsou velmi podobné příznakům jiných poruch trávení. U některých jedinců plyn ve střevech způsobuje křeče, borborygmus (kručení v břiše) a břišní obtíže. Je běžné, že při mluvení, jídle nebo smíchu je nějaký vzduch polknut, ale u aerofagií je spolykáno takové množství vzduchu, které vyvolává nepříjemné trávicí potíže, jako jsou distenze žaludku, nadýmání, říhání nebo plynatost. 7.4 Žaludek, žaludeční sekrece Žaludeční sliznice obsahuje mnoho hlubokých žlázek, které v pyloru a kardii secernují hlen. V těle žaludku včetně fundu obsahují žlázky parietální (sekreční) buňky, které secernují kyselinu chlorovodíkovou (HCl) a zypogenní (peptické) buňky, které secernují pepsinogen. Tyto sekrety se mísí s hlenem secernovaným buňkami krčku žlázek. Některé žlázky vyúsťují do žaludeční jamky (jakási společná komůrka) a tyto jamky potom vyúsťují na povrchu sliznice. Hlen je secernován spolu s HCO− 3 hlenovými buňkami, které se nacházejí na povrchu epitelu mezi žaludečními žlázkami. Žaludek má velmi bohaté zásobení krevními a lymfatickými cévami. Parasympatické nervové zakončení přichází cestou vagu a sympatické nervové zakončení z plexus coeliacus. Buňky žaludečních žlázek vylučují cca 2 500 ml žaludeční šťávy za den126 . Obsahuje kationty Na+ , K+ , Mg2+ , H+ ; anionty Cl− , HPO2− 4, SO2− 4, pepsiny, lipázu, hlen, vnitřní faktor. Žlázky těla žaludku secernují HCl127 , která hubí mnoho požitých bakterií, napomáhá trávení bílkovin, udržuje pH nutné pro to, aby pepsin mohl zahájit trávení bílkovin a stimuluje vylučování žluči a pankreatické šťávy. Hlen je secernován buňkami žlázek a buňkami povrchu sliznice v těle (antru) žaludku a ve fundu. V ostatních částech žaludku je tvořen glykoprotein mucin. Hlen vytváří měkký pružný gel, který kryje sliznici. 124 Roemheldův syndrom (gastrokardiální syndrom, neboli abdominální angina pectoris): nadměrné rozepjetí žaludku plyny (např. polykanými = aerofagie nebo vzniklými interně, např. laktózová intolerance; dále pozorována při aterosklerózy aorty s přechodem na ústech, vředové choroby a nádorů žaludku, slinivky břišní, hiátová hernie, nejzřetelněji vyjádřenou v klinice na koronárních a mezenterických cév) dráždí bránici a způsobuje bolesti imponující jako infarkt myokardu. 125 Část plynů se ze spolykaného vzduchu resorbuje, ale značné množství prochází až do tračníku, kde se resorbuje část kyslíku, ke zbylým plynům se přimísí voda, sirovodík, CO2 a metan, které vznikají z cukrů a dalších látek činností střevních bakterií. Tyto plyny jsou vypuzeny jako flatus. Zápach je způsoben sírany. 126 Žaludeční sekreci a motilitu ovlivňují také psychické stavy /hlavně prostřednictvím vagu). Wiliam Beaumont během svých pozorování na Alexisu St. Martinovi (Kanaďan s trvalou žaludeční píštěli po střelné ráně) zjistil, že strach a pocit nepřátelství je spojen s turgorem, hyperémií a hypersekrecí žaludeční sliznice. 127 HCl je natolik koncentrována, že může způsobit poškození tkáně, ale u zdravých jedinců není žaludeční sliznice drážděna ani natrávena z části díky tomu, že žaludeční šťáva obsahuje také hlen. Iveta Bryjová – Fyziologie I 151 Obsah elektrolytů v žaludeční šťávě se liší podle mohutnosti sekrece. Při menší úrovni sekrece je koncentrace Na+ vysoká, kdežto koncentrace H+ je nízká; jak vzrůstá kyselá sekrece, koncentrace Na+ klesá. Potrava se hromadí v žaludku, mísí se s kyselinou chlorovodíkovou, hlenem a pepsinem a přechází v regulovaném rovnoměrném množství do duodena. V období příjmu potravy má hladká svalovina žaludku nízký tonus – receptivní relaxace – spouštěna signály z mechanoreceptorů stěny žaludku, podrážděných prvními sousty a udržována příchodem peristaltických vln po jícnu při polykání. Po několika minutách od ukončení příjmu potravy přestává tento inhibiční vliv působit a je aktivován pacemaker žaludeční aktivity v proximální části velkého zakřivení. Základní rytmus žaludeční aktivity jsou přibližně tři peristaltické vlny za minutu. Peristaltické vlny se šíří zejména po podélné svalovině a pronikají také do cirkulární vrstvy. Acetylcholamin a další signální molekuly (gastrin, substance P, metenkefalin) zvýší amplitudu a frekvenci kontrakcí. Peristaltická vlna v antru žaludku způsobuje také krátkou relaxaci pylorického svěrače a přesun malého množství žaludečního obsahu (cca 5–10 ml) do duodena. Obsah žaludku účinně rozmělňují silné stahy antra při současné kontrakci pyloru. Doba, po kterou je přijata potrava v žaludku, závisí na jejím množství a složení. Vyprazdňování žaludku zpomaluje potrava bohatá na tuky, bílkoviny a osmoticky aktivních látek jejich působením na chemoreceptory duodena a převážně humorální zpětnou vazbou na žaludek (sekretin, cholecystokinin). Když je obsah žaludku téměř vyprázdněn, intenzivní peristaltické vlny a účinná relaxace pylorického svěrače vypudí ze žaludku nestrávené větší kusy potravy. 7.4.1 ŽALUDEČNÍ A STŘEVNÍ FÁZE Žaludeční fáze: Receptory ve stěně žaludku a ve sliznici reagují na potravu napětím a chemickými podněty (zejména aminokyseliny a příbuzné produkty trávení). Vlákna z těchto receptorů přicházejí do submukózního plexu, kde se nacházejí buněčná těla receptorových neuronů. Neurony jsou synapticky spojeny s postgangliovými parasympatickými neurony, které končí na parietálních buňkách a stimulují sekreci HCl. Výsledkem sekrece HCl je reflexní odpověď, a reflexní oblouk prochází celou žaludeční stěnou. Také produkty bílkovin vyvolávají zvýšenou sekreci gastrinu a zesilují uvolňování HCl. Střevní fáze: Hlavním úkolem pohybů tenkého střeva je promíchávání střevního obsahu tak, aby trávení a vstřebávání sliznicí bylo co nejúčinnější. Po příchodu tráveniny ze žaludku do duodena a tenkého střeva se nejprve objevují lokální vlny kontrakce hladké svaloviny, které jsou spouštěny vlastními pacemakery střevní stěny. Se zvyšující se náplní tráveniny amplituda kontrakcí narůstá a jejich výskyt začne být koordinován kývavými pohyby. Rostoucí tlak střevního obsahu zlepšuje procesy vstřebávání. Při dalším zvýšení obsahu žaludku a tlaku ve střevě se objevují koordinované peristaltické pohyby a střevní ob- Funkce gastrointestinálního traktu (GIT) 152 sah se tak účinněji posouvá. Mechanické působení tráveniny spouští stahy svaloviny sliznice a střevních klků, čemuž napomáhají i lokálně uvolňované signální molekuly vilikininu. Přesun tráveniny z ilea do tlustého střeva řídí ileocekální sfinkter a jeho chlopeň. Pohyby tlustého střeva jsou oproti pohybům tenkého střeva méně výrazné. Segmentace má podobu naplňování a vyprazdňování výdutí tlustého střeva (haustrální pohyby), které střevním obsahem pohybují oběma směry a facilitují vstřebávání vody. Haustrální pohyby posunují střevní obsah směrem k rektu128 . Motilita tlustého střeva se zvyšuje po náplní žaludku, tzv. gastrokolický reflex129. Výsledkem gastrokolického reflexu je výrazný posun střevního obsahu, který obvykle vyvolá defekační reflex. Tuky, cukry a kyselá reakce v duodenu vedou k útlumu sekrece pepsinu a HCl prostřednictvím nervových a hormonálních mechanismů. Sekrece HCl se zvyšuje po odstranění větší části tenkého střeva130 , zřejmě pro odstranění zdroje hormonů tlumících HCl. Sekreci pepsinu a HCl stimuluje také hypoglykémie. Mezi další stimulační podněty patří alkohol a kofein působící přímo na sliznici. Stimulační vliv na trávní má také malé množství alkoholu na chuť k jídlu a trávení je znám od starověku. 7.5 Exokrinní část pankreatu Část pankreatu, která secernuje pankreatickou šťávu, je svým složením alveolární žláza, která svou stavbou připomíná slinnou žlázu. Granula obsahující trávicí enzymy (zymogenní granula) jsou tvořena v buňkách a vyprazdňována exocytózou z apikálních částí buněk do lumen pankreatických vývodů. Malé rozvětvené vývody se spojují do jediného vývodu ductus pancreaticus Wirsungi131, který se obvykle připojuje ke společnému žlučovému vývodu a tvoří Vaterovu papilu vyúsťující duodenální papilou a kolem jejího ústí do Oddiho svěrače (musculus sphincter ampullae hepatopancreaticae). Pankreatická šťáva je alkalická, má značně vysoký obsah hydrogenkarborátů a enzymů, které mají při procesu trávení rozhodující význam. Sekrece pankreatické šťávy je regulována zčásti reflexním mechanismem a zčásti gastrointestinálními hormony sekretinem132 a CCK. Denní množství secernované pankreatické šťávy se pohybuje okolo 1 500 ml. Spo- 128 Informace o naplnění terminálních úseků tlustého střeva je rovněž předána do také do příslušných oblastí senzorické mozkové kůry. Při vzájemné spolupráci obou oddílu CNS (volní kontrola reflexu) je aktivována výkonná složka reflexu vedoucí k relaxaci svěračů, k zesílení peristaltiky a případně stahům svalů břišní stěny (břišní lis). 129 Gastrokolický reflex má komponentu neuronální (parasympatikus) a složku humorální (gastrin). 130 Navazuje na žaludek jako trubice o průměru kolem 3–4 cm, dlouhá na živém a těsně po smrti 3–5 m. Skutečnou délku střeva nelze zjistit, protože závisí na stupni kontrakce nebo uvolnění svaloviny stěny, v souvislosti s tím i na době od smrti a na technice měření. Části tenkého střeva jsou: duodenum, jejunum a ileum. 131 U některých jedinců se nachází přídatný pankreatický vývod (ductus Santorini), který ústí do duodena proximálněji. 132 Sekretin působí na pankreatické vývody a vyvolává mohutnou sekreci silně alkalické pankreatické šťávy bohaté na hydrogenkarbonáty a chudé na enzymy. Sekretin stimuluje i tvorbu žluči. Iveta Bryjová – Fyziologie I 153 lečně s rovněž neutrální nebo alkalickou žlučí a střevní šťávou neutralizují kyselou žaludeční šťávu a zvyšují pH duodenálního obsahu (na pH 6,0–7,0). Když se trávenina dostane do jejuna, je její reakce téměř neutrální, ale střevní obsah je jen zřídka alkalický. Účinné enzymy pankreatické šťávy štěpící bílkoviny jsou secernovány jako inaktivní proenzymy. Trypsinogen je přeměňován enetropeptidázou133 (enterokinázou) na aktivní trypsin134 ; trypsin konvertuje chymotrypsinogeny na chymotrypsiny. Aktivaci pankreatické proteázy v lumen duodena znázorňuje Obrázek 58. K ZAPAMATOVÁNÍ I MALÉ MNOŽSTVÍ UVOLNĚNÉHO TRYPSINU DO PANKREATU BY VEDLO KE VZNIKU AKTIVNÍCH ENZYMŮ, KTERÉ BY MOHLY NATRÁVIT PANKREAS. PROTO PANKREAS OBSAHUJE INHIBITOR TRYPSINU. Dalším enzymem aktivovaným trypsinem je fosfolipáza A2. Tento enzym odštěpuje mastné kyseliny z lecitinu a tvoří lyzolecitin, který poškozuje buněčnou membránu. Aktivace fosfolipázy v pankreatických vývodech s tvorbou lyzolecitinu135 z lecitinu, který je normální složkou žluči je akutní pankreatitida, která nezřídka může mít fatální důsledek. U akutní pankreatitidy pronikají pankreatické trávicí enzymy (amyláza, lipáza) v krvi výrazně stoupá136 . U cystické fibrózy je objem pankreatické šťávy i obsah hydrogenkarbonátu snížen zvýšená → incidence chronické pankreatitidy. 133 Nedostatek enteropeptidásy se vyskytuje u kongenitální abnormality a vede k proteinové malnutrici. 134 Trypsin může sám aktivovat trypsinogen, jakmile se trypsin jednou vytvoří, dochází k autokatalytické řetězové reakci. 135 Lyzolecitin způsobí porušení pankreatické tkáně a nekrózu okolního tuku. 136 Menší množství pankreatických trávicích enzymů běžně pronikají do cirkulující krve, u akutní pankreatitidy však výrazně stoupají. Funkce gastrointestinálního traktu (GIT) 154 Obrázek 58 Aktivace pankreatické proteázy v lumen duodena. 7.6 Játra a žlučová systém Žluč je secernována jaterními buňkami do žlučovodu, který ústí do duodena. Duodenální ústí tohoto vývodu je mezi jídly uzavřeno a žluč teče do žlučníku, kde se shromažďuje. Když je potrava v ústech, svěrač kolem duodenálního ústí relaxuje; v momentě, kdy obsah žaludku postoupí do duodena, hormon CCK ze střevní sliznice vyvolá kontrakci žlučníku. 7.6.1 ANATOMIE A FUNKCE JATER Játra – největší žláza v tělě – jsou anatomicky uspořádaná do jednotlivých jaterních lalůčků, uvnitř kterých, kolem jaterních buněk (hepatocytů), protéká krev. Středem každého lalůčku je cévní svazek obsahující terminální větve portální žíly, hepatické arterie a žlučovodů. Krev teče z cévního svazku do terminálního jaterního větvení umístěných na vnější straně lalůčku. Buňky, které jsou umístěné nejblíže cévnímu svazku, dostávají nejvíce okysličenou krev, kdežto buňky na periferii lalůčku méně, a jsou tak hůře zásobené kyslíkem, a proto citlivější na anoxické poškození. Každý hepatocyt je v kontaktu s několika žlučovými kanálky, které ústí do intralobulárních žlučovodů, ty se dále spojují do interlobulárních žlučovodů a nakonec vytvářejí pravý a levý ductus hepaticus communis. Ten se spojuje s ductus cysticus137 , který vede ze žlučníku, za vzniku společného žlučovodu. Společný žlučovod ústí do duodena v duodenální papile. Kolem jeho vyústění je Oddiho svěrač 137 U primátu je sliznice ductus cysticus také zřasena a tvoří tzv. spirální chlopně. trypsinogen trypsin chymotrypsinogeny chymotrypsiny proelastáza elastáza prokarboxypeptidáza karboxypeptidáza enteropeptidáza trypsin trypsin trypsin Iveta Bryjová – Fyziologie I 155 a před vústěním do duodena se společný žlučovod obvykle spojuje s hlavním pankreatickým vývodem. Stěny extrahepatálních žlučových vývodů a žlučníku obsahuje pojivovou tkáň a hladké svaly. Sliznice obsahují mukózní žlázky a je lemována vrstvou cylindrických buněk. Ve žlučníku je sliznice hojně zřasena; tím se zvětšuje povrch žlučníku a jeho vnitřní část vypadá jako plástev medu. Mezi hlavní funkce jater patří: – Tvorba a sekrece žluči – Metabolismus jednotlivých živin a vitamínů o Glukóza a další cukry o Aminokyseliny o Tuky (mastné kyseliny, cholesterol, lipoproteiny) o Vitamíny rozpustné v tucích o Vitamíny rozpustné ve vodě – Inaktivace různých substancí o Toxiny o Steroidy o Další hormony – Syntéza plazmatických proteinů o Bílkoviny akutního stavu o Albumin o Koagulační faktory o Steroidy a jiné hormony vázající proteiny – Imunita o Kupfferovy buňky Funkce gastrointestinálního traktu (GIT) 156 Mnohé z bílkovin syntetizovaných v játrech jsou bílkoviny akutního stavu (→ bílkoviny syntetizované a secernované do plazmy při expozici stresujícím podnětům), jiné transportují steroidy a jiné hormony v plazmě a další se účastní srážení krve jako koagulační faktory. 7.7 Žlučník Žlučník (vesica fellea) je uložen na spodní ploše jater ve žlučníkové jamce. Dno žlučníku směřuje směrem k přednímu okraji jater138 . Délka žlučníku činí asi 8–14 cm, šířka 3– 5 cm, obsah 40– 80 cm3 . Má poměrně tenkou stěnu, skládá se ze tří vrstev – serózy, svaloviny a sliznice. Svalovina je zesílená v oblasti krčku. Sliznice je pokryta jednovrstevným cylindrickým epitelem, v podslizniční vrstvě jsou uloženy žlázky. Žlučník kontaktuje s duodenem a pravým ohbím tlustého střeva. Žlučové cesty lze rozdělit na intrahepatální žlučové cesty (uvnitř jater) a extrahepatální žlučové cesty (mimo jaterní parenchym; společný jaterní vývod, vývod žlučníku a společný žlučovod). U zdravých lidí vtéká žluč do žlučníku, pokud je uzavřen Oddiho svěrač. Ve žlučníku je žluč koncentrována resorpcí vody. Jsou-li ductus choledochus a ductus cysticus uzavřeny svorkou, stoupá intrabiliární tlak cca na 320 mm žluči během 30 min a sekrece žluči ustává. Pokud je však ductus choledochus uzavřen a ductus cysticus zůstává otevřený, je voda ve žlučníku zpětně resorbována a intrabiliární tlak stoupá během několika hodin na cca pouhých 100 mm žluči. Další funkcí žlučníku je okyselování žluči. Incidence konkrementů ve žlučníku (cholelitiáza) narůstá s věkem. Konkrementy jsou buďto cholesterolové nebo kalciumbilirubinátové. Cholesterolové vznikají: (1) stázou žluči; (2) zvýšenou koncentrací cholesterolu ve žluči. 7.7.1 ŽLUČ, ŘÍZENÍ SEKRECE ŽLUČI Žluč je tvořena žlučovými solemi, barvivy a dalšími látkami rozpuštěnými v alkalickém elektrolytovém roztoku (podobný jako pankreatická šťáva). Denně se vyloučí cca 500 ml žluči. Některé její složky jsou zpětně resorbovány ze střeva a poté znovu vylučovány játry → enterohepatální oběh. Žlutozlatou barvu žluči vytvářejí žlučová barviva (bilirubin a biliverdin), jež jsou rozpadové produkty hemoglobinu. Jakmile se potrava dostane do úst, sníží se odpor Oddiho svěrače. Mastné kyseliny a aminokyseliny v duodenu vedou k vyplavení CCK (viz poznámka pod čarou 106), který 138 Palpace žlučníku Iveta Bryjová – Fyziologie I 157 vyvolá kontrakci kontrakce žlučníku. Látky, které kontrakce žlučníku vyvolávají, se nazývají cholagoga. Produkce žluči je zvyšována podrážděním vagu a hormonem sekretinem, který zvyšuje obsah vody a HCO− 3 ve žluči. Látky, které zvyšují sekreci žluči, se nazývají choleretika139. Zpětně resorbované žlučové soli ze střeva tlumí ihned syntézu nových žlučových kyselin, samy jsou rychle secernovány a tímto značně zvyšují objem vytékající žluči. Žlučové soli jsou sodné a draselné soli žlučových kyselin spojené s deriváty cystinu glycinem a taurinem. Žlučové kyseliny jsou syntetizované z cholesterolu. Z lidské žluče jsou izolovány: kyselina cholová, kyselina chenodeoxycholová, kyselina deoxycholová, kyselina litocholová. Dvě primární (hlavní) žlučové kyseliny, které se vytvářejí v játrech, jsou kyselina cholová a kyselina chenodeoxycholová. V tračníku konvertují bakterie kyselinu cholovou na deoxycholovou a chenodeoxycholovou na litocholovou. Sekundární žlučové kyseliny jsou kyselina deoxycholová a kyselina litocholová, jelikož se vytvářejí působením bakterií. Žlučové soli140 snižují povrchové napětí, ve spojení s fosfolipidy a monoacylglyceroly umožňují emulgování tuků jako přípravu pro jejich trávení a vstřebávání v tenkém střevě. V tenkém střevě je resorbováno cca 90–95 % žlučových solí. Zbylých 5–10 % žlučových solí se dostává do tračníku, kde jsou konvertovány na soli kyseliny deoxycholové a kyseliny litocholové. Soli kyseliny litocholové jsou relativně nerozpustné a jsou většinou vylučovány ve stolici, jen 1 % je resorbováno. Soli kyseliny deoxycholové jsou resorbovány. Resorbované žlučové soli jsou transportovány portálním oběhem zpět do jater a následně znovu vyloučeny do žluče (enterohepatální oběh). Ty, které byly ztraceny vyloučením ve stolici, jsou nahrazeny novými syntézou v játrech. Celkové množství žlučových kyselin cirkulujících opakovaně v enterohepatálním oběhu141 je asi 3,5 g. 7.7.2 METABOLISMUS BILIRUBINU A ŽLOUTENKA Většina bilirubinu v těle vzniká rozpadem hemoglobinu ve tkáních. Bilirubin se v krvi váže na albumin. Část je vázaná pevně, ale většina snadno podléhá disociaci v játrech a uvolněný bilirubin vstupuje do jaterních buněk, kde se váže na cytoplazmatické bílkoviny. Každá molekula bilirubinu reaguje s dvěma molekulami kyseliny uridindifosfoglukuronidu za vzniku bilirubindiglukuronidu (tento glukuronid je ve vodě rozpuštěnější než volný bilirubin, a je poté transportován proti koncentračnímu gradientu do žlučových kanálků). Malé množství bilirubindiglukuronidu uniká do krve, kde je jeho vazba na albumin méně pevná než vazba volného bilirubinu, a je poté vylučována do moči. Proto celkové množství 139 Žlučové soli patří mezi fyziologicky nejdůležitější choleretika. 140 Žlučové soli jsou amfipatické, tzn., že obsahují jak hydrofobní, tak hydrofilní skupinu. 141 Pokud by se ze střeva odstranila žluč, až 50 % všech tuků obsažených v chymu se objeví ve stolici. Navíc vznikne těžká malabsorpce vitaminů rozpustných v tucích. Také onemocněním nebo resekcí terminálního ilea se zvýší obsah tuku ve stolici (je znemožněna zpětná resorpce žlučových solí), protože je-li přerušen enterohepatální oběh, játra nedokážou dostatečně zvýšit produkci žlučových solí tak, aby uhradila jejich ztráty. Funkce gastrointestinálního traktu (GIT) 158 bilirubinu v plazmě zahrnuje jak volný bilirubin, tak malé množství konjugovaného bilirubinu. Většina ilirubindiglukuronidunse se však do střeva dostává žlučovými cestami. Pro konjugovaný bilirubin je střevní sliznice relativně nepropustná, ale pro nekonjugovaný bilirubin a pro urobilinogeny ano. Proto je část žlučových barviv a urobilinogenů resorbována zpět do portálního oběhu. Část zpětně resorbovaných látek je opět játry enterohepatálním oběhem vyloučena, ale malé množství urobilinogenů se dostává do celkového oběhu a je vyloučeno močí. Když se volný nebo konjugovaný bilirubin nahromadí v krvi, vznikne žloutenka (ikterus). Kůže, skléry a sliznice zežloutnou. U žloutenky obvykle nacházíme vyšší hladinu celkového plazmatického bilirubinu (vyšší než 2 mg/100 ml, tj. 34 μmol/l). Tato zvýšena hladina (hyperbilirubinémie) může být způsobena buď: (1) nadprodukcí bilirubinu (hemolytická anémie); (2) sníženým vychytáváním bilirubinu hepatocyty; (3) poruchou intracelulární vazby na bílkovinu nebo poruchou konjugace; (4) poruchou sekrece konjugovaného bilirubinu do žlučových kanálků či (5) obstrukcí intrahepatálních nebo extrahepatálních žlučových cest. Zvýšenou hladinu bilirubinu nacházíme u (1), (2) a (3), kde koncentrace volného bilirubinu stoupá. U (4) a (5) regurgituje bilirubinglukuronid zpět do krve, v plazmě se zvýší především koncentrace konjugovaného bilirubinu. 7.7.3 JINÉ LÁTKY VYLUČOVANÉ ŽLUČÍ Žlučí jsou také vylučovány cholesterol a alkalická fosfatáza. Pokud je žloutenka způsobena obstrukcí intra— nebo extrahepatálních žlučovodů, hladiny cholesterolu a alkalické fosfatázy v krvi stoupají. Menší vzestup je pozorován u žloutenky způsobené onemocněním postihujícím hepatocyty bez obstrukce. Také hormony kůry nadledvin a jiné steroidy jsou vylučovány do žluče, a poté zpětně resorbovány (enterohepatální oběh). 7.8 Tenké střevo V tenkém střevě se mísí střevní obsah se sekrety slizničních buněk, s pankreatickou šťávou a se žlučí. Do tenkého střeva se dostává za den asi 9 l tekutin, z toho 2 l přichází s potravou a 7 l je obsaženo v gastrointestinálních šťávách, ale pouze 1–2 l z nich přecházejí až do tračníku. V tenkém střevu se vstřebává část vody a další potřebné látky. Obranné systémy tenkého střeva jsou při zpracování potravy aktivovány a brání průniku bakterií a antigenně aktivovaných látek. Průchod potravy tenkým střevem je relativně rychlý a trvá jen několik hodin. První část duodena (bulbus duodena) je oblast, která přichází do styku s kyselým žaludečním obsahem142 a je také častým místem vzniku peptického vředu. Duodenum přechází 142 Kyselý žaludeční obsah vypuzuje pylorus. Iveta Bryjová – Fyziologie I 159 (v místech úponu Treitzova ligamenta) v jejunum. Horních 40 % tenkého střeva za duodenem se označuje jako jejunum a dolních 60 % jako ileum, ačkoliv mezi nimi neexistuje žádná ostrá anatomická hranice. Místo, kde končí ileum a přechází v tračník, se označuje jako ileocekální chlopeň. U živých lidí je vzdálenost od pyloru k ileocekální chlopni cca 285 cm, zatímco při nekropsii143 až 700 cm. Po celé délce tenkého střeva vybíhá jeho sliznice v četné klky a každý z nich je pokryt jednoduchou vrstvou cylindrického epitelu, obsahuje síť kapilár a lymfatickou cévu (lakteál). Volné okraje epitelových buněk klků jsou rozděleny na drobné mikroklky. Mikroklky jsou pokryty glykokalyxem (amorfní vrstvou bohatou na neurální glykosaminy) a společně vytvářejí kartáčový lem. Klky, mikrokly a valvulae conniventes144 zvětšují resorpční povrch tenkého střeva cca 600krát145 . Vrstva hlenu na sliznici tenkého střeva činí sliznici kluzkou, váže některé bakterie a udržuje na místě imunoglobuliny tak, aby se mohly navázat na patogeny. Hustý alkalický hlen v duodenu secernují Brunnerovy žlázky, hlen mimo jiné chrání duodenální sliznici před působením HCl. Sekreci střevní šťávy stimulují hormony jako je VIP. Stran střevní motility existují tři typy pohybů střeva: peristaltické vlny, segmentační kontrakce a tonické kontrakce. Úkole peristaltiky je posunovat střevní obsah do tlustého střeva. Segmentační kontrakce jsou prstencové kontrakce a pohybují tráveninu tam a zpět a zvyšují tak jeho expozici slizničnímu povrchu. Tonické kontrakce jsou relativně dlouho trvající kontrakce, které ve svém důsledku oddělují jeden segment tenkého střeva od sousedního. Oba typy pohybů střeva zpomalují transport tenkým střevem tak, že posun trvá déle po jídle než mezi jídly. Peristaltické rázy jsou velmi intenzivní peristaltické vlny, ale u zdravého jedince se nevyskytují, mohou se objevit při obstrukci střeva. 7.9 Tračník Hlavní funkcí tračníku je resorpce vody, Na+ a dalších minerálů. Odstraněním cca 90 % tekutiny se v tračníku přeměňuje 1000–2000 ml isotonické tráveniny, což odpovídá 200– 250 ml polotuhé stolice, které denně přichází z ilea. Průměr tračníku je větší než průměr tenkého střeva. Délka je asi 100 cm (při nekropsii až 150 cm). Ve sliznici tlustého střeva nejsou klky. Žlázky tračníku jsou mělké vchlípeniny sliznice secernující hlen. V céku a červovitém přívěsku se nacházejí solitérní lymfatické uzlíky. 143 Tenké střevo je za živa kratší než po smrti, kdy se v důsledku relaxace hladké svaloviny prodlužuje. 144 Řasy podobné chlopním nacházející se v epitelu tenkého střeva. 145 Vnitřní plocha povrchu sliznice tenkého střeva je cca 3 300 cm2 , valvulae conniventes zvětšují tuto plochu na cca 10 000 cm2 , klky na 100 000 cm2 a mikroklky až na 2 miliony cm2 . Funkce gastrointestinálního traktu (GIT) 160 7.9.1 MOTILITA A SEKREČNÍ ČINNOST TRAČNÍKU Část ilea obsahující ileocekální chlopeň se mírně vyklenuje do céka, takže zvýšení tlaku v céku chlopeň uzavírá, kdežto zvýšení tlaku v ileu ji otevírá. Tímto mechanismem je účinně zabráněno refluxu obsahu tračníku do ilea. Ileocekální chlopeň je normálně uzavřena, když k ní dorazí peristaltická vlna, krátce se otevře a malé množství chymu z ilea přejde do céka. Když potrava opouští žaludek, cékum se relaxuje a pasáž chymu ileocekální chlopní se zvyšuje (gastroileální reflex). Podrážděním sympatiku se kontrakce chlopně zvyšují. Pohyby tračníku zahrnují – podobně jako v tenkém střevě – segmentační kontrakce a peristaltické vlny. Segmentační kontrakce mísí obsah tračníku a kontaktem obsahu se sliznicí usnadňuje resorpci. Peristaltické vlny posunují obsah směrem k rektu. Propulsivní pohyby jsou třetím pohybem, typické pouze pro tračník. Jsou to velmi silné kontrakce hladkého svalstva zasahující simultánně rozsáhlé oblasti. Tyto kontrakce posunují velké množství obsahu tračníku z jedné oblasti do druhé. Také posunují obsah tračníku do konečníku a naplnění rekta poté spouští defekační reflex. První část jídla dosáhne céka asi za čtyři hodiny a všechny nestrávené části se do tračníku dostanou za 8–9 hodin. První zbytky potravy dosáhnou jaterního ohbí za šest hodin, slezinného ohbí za devět hodin a intrapelvické části tračníku za 12 hodin. Odtud je transport ke konečníku mnohem pomalejší. Ještě za 72 hodin může zůstat v rektu až 25 % zbytku jídla. Úplné vyloučení všech zbytků z rekta trvá více než týden. 7.9.2 RESORPCE TRAČNÍKU Značná resorpční kapacita tračníku umožňuje podávání léku (zejména u dětí) per rektum. Mnohé sloučeniny včetně anestetik, sedativ, ataraktik146 a steroidů, se mohou takto velmi rychle resorbovat. K ZAPAMATOVÁNÍ CAVE! PŘI KLYZMATU JE ČÁST VODY VSTŘEBÁVANÁ A JE-LI MNOŽSTVÍ INSTALOVANÉ VODY PŘÍLIŠ VELKÉ, RESORPCE MŮŽE BÝT TAK RYCHLÁ, ŽE VEDE K INTOXIKACI VODOU. Sodíkové ionty jsou přenášeny aktivně a voda pak přechází podle takto vzniklého osmotického gradientu. Do tračníku je normálně secernováno něco málo K+ a HCO− 3. 146 Léky přinášející uklidnění Iveta Bryjová – Fyziologie I 161 7.9.3 STOLICE A STŘEVNÍ BAKTERIE Stolice obsahuje anorganické látky, nestrávená rostlinná vlákna, bakterie a vodu. Její složení (Tabulka 13) je relativně neovlivněno změnami ve složení a množství potravy, protože velká část stolice z potravy nepochází. I v průběhu déle trvajícího hladovění odchází poměrně velké množství stolice. Hnědá barva stolice je způsobena pigmenty, které se tvoří ze žlučových barviv působením střevních bakterií. Pokud do střeva nepřitéká žluč, je stolice bílá (acholická stolice). Činností bakterií se vytvářejí některé plyny ve flatu. Tabulka 13 Přibližné složení stolice při běžné stravě Složka % celkové hmotnosti Voda 75 Pevné látky 25 % z celkového množství pevných látek Celulóza a jiná nestravitelná vlákna proměnlivé Bakterie 30 Anorganické látky (vápník a fosfáty) 15 Tuk a jeho deriváty 5 Odloupané slizniční buňky, hlen a malé množství trávicích enzymů. Chymus v jejunu obsahuje normálně jen málo nebo dokonce vůbec žádné bakterie. V ileu je více mikroorganismů, ale jedině tračník obsahuje běžně velké množství bakterií. Mikroorganismy přítomné v tračníku nezahrnují pouze bakterie typu Escherichia coli a Enterobacter aerogenes, ale také polymorfní organismy, jako Bacteroides fragilis, různé typy Funkce gastrointestinálního traktu (GIT) 162 koků a další organismy, jako je např. aerobakter, které mohou ve tkáních, mimo tračník způsobit vážná onemocní. Velké množství bakterií odchází se stolicí. Při narození je tračník sterilní, jeho osídlení mikrobiotou nastává v raných stádiích života. V tračníku vzniká a je také resorbován čpavek. Při onemocnění jater není amoniak z krve odstraňován a hyperamonémie vede k závažné neurologické symptomatologii (hepatální encefalopatie). Množství vytvářeného amoniaku je možné snížit podáním osmotických projímadel (např. laktulóza). 7.9.4 DEFEKACE Roztažením rekta stolicí je podnětem k reflexní kontrakci svaloviny a pocitu nucení na stolici. Na vnitřní straně análního svěrače vyvolá sympatikus excitační účinek, zatímco parasympatikus má účinek inhibiční. Svěrač se uvolňuje při distenzi rekta. Inervace příčně pruhovaného svalstva zevního análního svěrače jde cestou nervus pudendalis. Pocit nucení na stolici se poprvé dostavuje, když tlak v rektu stoupne cca na 18 mmHg, jakmile dosáhne 55 mmHg, povolí zevní i vnitřní svěrač a obsah rekta je vypuzen. Takto funguje reflexní vyprázdněné rekta i u osob a zvířat po přerušení míchy. Defekace je spinální reflex, který může být vůli potlačen udržením zevního svěrače v kontrahovaném stavu nebo naopak usnadněn jeho relaxací a kontrakcí břišního svalstva. Roztažení žaludku přijatou potravou vyvolá kontrakci rekta a obvykle i pocit nucení na stolici, tento děj se nazývá gastrokolický reflex. Díky tomuto reflexu je defekace po jídle běžná u dětí. U dospělých má gastrokolický reflex významnou úlohu při určování, kdy nastane defekace, návyk a civilizační faktory. Při průjmu se velké množství Na+ , K+ a vody vyplavují z tračníku a tenkého střeva, což vede k dehydrataci, hypovolémii, případně až k šoku a kardiovaskulárnímu kolapsu. Těžký průjem zeslabuje organismus a zejména u novorozenců může skončit fatálně. Velmi zrádnou komplikací chronického průjmu je – i při zachování rovnováhy tekutin – těžká hypokalémie. Perorálním podáním Na+ a glukózy, které jsou pak resorbovány přes SGLT, lze účinně snížit ztráty solí a tekutin. V redukci ztrát tekutin stolicí se jako účinný ukázal salicylát vizmutnatý. SHRNUTÍ KAPITOLY VÝŽIVA Dostatečná výživa musí tělu dodávat potřebnou energii, minimální množství bílkovin a sacharidů a minerální látky včetně stopových prvků, esenciální aminokyseliny, esenciální mastné kyseliny a vitaminy. Dále musí člověk přijímat dostatečné množství vody. Pro zabezpečení normální doby pasáže, zejména tlustým střevem, musí potrava obsahovat také tzv. balastní látky, tj. nestravitelné součástí rostlin (celulóza, lignin aj.). Iveta Bryjová – Fyziologie I 163 Energetické nároky jsou hrazeny třemi základními živinami: bílkovinami (proteiny), tuky a sacharidy. Minimální potřeba bílkovin nutná pro udržení vyrovnané dusíkové bilance je ~0,5 g/kg tělesné hmotnosti a den (tj. bilanční minimum). Zároveň musí být zajištěn dostatečný přívod esenciálních aminokyselin (histidin, izoleucin, leucin, lyzin, methionin, fenylalanin, treonin, tryptofan, valin a u dětí navíc arginin), z nichž přibližně polovina musí být živočišného původu (živočišné bílkoviny: maso, ryby, vejce). Rostlinné bílkoviny neobsahují esenciální aminokyseliny v dostatečném množství. Zbývající část energetické potřeby hradí cukry (škroby, disacharidy, glykogen) a tuky (živočišné a rostlinné tuky a oleje). Tuky, z nichž přibližně 1/3 jako esenciální mastné kyseliny, je přiváděno v průměru 25– 30 % energie. U velmi těžce pracujících se tento podíl zvyšuje až na 40 %. Tělo potřebuje také celou řadu anorganických minerálních látek, zejména dostatečné množství vápníku (800 mg/den), železa (10–20 mg/den), a jodu (0,15 mg/den). Stejně důležité jsou další stopové prvky (As, F, Cu, Si, V, Sn, Ni, Se, Mn, Mo, Cr, Co). Jejich nadměrný přísun však může být naopak pro organismus toxický. Vitaminy (A, B1, B2, B6, B12, C, D2, D3, E, H, K1, K2, kyselina listová, niacinamid, kyselina pantoteová) jsou organické sloučeniny, které tělo potřebuje pro svůj metabolismus (zejména koenzymy). Projevy nedostatku (avitaminóza) některých vitaminů: vitamin A = šeroslepost, vitamin C = kurděje, vitamin D = křivice, vitamin B12 = anemie, vitamin B1 = beri-beri, vitamin K = porucha srážení krve). Naopak nadměrný přívod některých vitaminů, např. A a D má za následek toxické projevy. ENERGETICKÁ PŘEMĚNA Metabolismus převádí chemickou energii živin na energii tělu vlastních látek (kreatinfosfát a zejména adenozitrifosfát). Jsou-li živiny zcela oxidovány („spáleny“), tj. odbourány za přítomnosti O2 na CO2 a H2O, odpovídá jejich biologicky využitelný energetický obsah jejich fyzikálnímu spalnému teplu. Tuky a sacharidy se v organismu spolu s O2 beze zbytku odbourávají na CO2 + H2O. Jejich fyziologické spalné teplo je shodné s fyzikálním spalným teplem. Naproti tomu bílkoviny nejsou v lidském těle úplně odbourávány. Produktem jejich odbourávání je močovina. Největší zásobárnou energie v těle jsou zásoby tuku. Mají-li být tyto zásoby stálé (mechanismus lipostázy), musí být dlouhodobě přesně sladěny příjem a spotřeba energie. Neboť řízení této energetické homeostázy je totožné s řízením tělesné hmotnosti. Tělesná hmotnost se obvykle určuje pomocí BMI147 . GASTROINTESTINÁLNÍ TRAKT, FUNKCE TRÁVICÍ SOUSTAVY A JEJÍ STAVBA, METABOLIS- MUS Funkce trávicí soustavy 147 Index tělesné hmotnost, body-mass index. Určuje se jako BMI = tělesná hmotnost (kg) / tělesná výška (m)2 . Funkce gastrointestinálního traktu (GIT) 164 – příjem potravy – trávení (=chemické a mechanické zpracování potravy) – vstřebávání živin, vody, vitamínů – odstraňování nestrávených zbytků potravy Dutina ústní: – chuť, žvýkání, tvorba sousta – význam zubů: mechanické zpracování potravy, řeč – jazyk: mechanické zpracování potravy, polykání, chuťové receptory, řeč – slinné žlázy: příušní, podjazykové, podčelistní – sliny obsahují hlenovité látky muciny (hlen, důležitý pro tvorbu sousta) a enzym αamyláza – ptyalin zahajuje trávení škrobů již v ústech (trávicí enzym, štěpí polysa- charidy) – sliny obsahují málo NaCl, jsou hypotonické, jsou uzpůsobeny pro intermitentní oplachování chuťových receptorů NaCl během přijímání potravy – kojenec potřebuje sliny pro utěsnění rtů během kojení Hltan: – místem křížení dýchací a trávicí soustavy – polykací reflex (reflex je činnost, kterou vůlí neovlivníme) – spouštění dotekem na čípky a zadní část jazyku, uzavírá se hrtanová záklopka Jícen: – transport chymu – trubice vedoucí do žaludku – podélná a okružní svalovina (hladké svaly) – peristaltická vlna je pohyb svaloviny a potravy i proti gravitaci Žaludek: – vakovitý orgán o obsahu 2–3 litry Iveta Bryjová – Fyziologie I 165 – proximální žaludek skladuje potravu – distální žaludek zpracovává a dávkuje chymus – stěna žaludku = svalovina podélná, okružní i šikmá (pochopitelně také hladká); sliznice se žlázkami, které produkují žaludeční šťávy (HCl, pepsinogen), hlen – HCl vytváří kyselé prostředí, denaturuje (částečně rozkládá) bílkoviny, má imunitní schopnost (ničí choroboplodné zárodky přijaté s potravou) – pepsinogen: neaktivní forma enzymu, vlivem HCl se mění na aktivní pepsin, který štěpí bílkoviny – hlen: chrání sliznici žaludku před pepsinem a HCl – česlo a vrátník = svěrače ohraničující žaludek Játra: – žluč (vylučování, trávení tuků) – metabolismus – detoxikace Žlučník: – zásobárna žluči Pankreas (exokrinní): – trávicí enzymy – HCO− 3 jako nárazník pro H+ Tenké střevo: – chemické trávení a vstřebávání živin – dvanáctník: první krátký úsek tenkého střeva, vývod slinivky břišní: trávicí enzymy štěpící bílkoviny sacharidy a tuky, také vývod jater: žluč → může se hromadit ve žlučníku → emulguje tuky (rozptyluje na kapénky), játra jsou důležitá pro zpracování živin → látkový metabolismus → přeměna živin (látková přeměna), detoxikace organismu → odbourávání toxických jedovatých látek (např. alkohol). – lačník a kyčelník (dohromady asi 5 m): následují po dvanáctníku, obsah střev (trávenina) posouván peristaltickými pohyby, trávení pomocí enzymů slinivky břišní, Funkce gastrointestinálního traktu (GIT) 166 vstřebávání živin přes stěnu střeva do krve (cukry, bílkoviny), mízy (tuky), povrch střeva zvětšen výběžky = klky pro lepší vstřebávání Tlusté střevo: – vstřebávání – dělí se na vzestupný, příčný a sestupný tračník – slepé střevo + červovitý přívěšek slepého střeva (apendix) – postupují jím nestrávené zbytky potravy, pomalý pohyb – kvašení zbytků (bakterie) → uvolňování vody; vstřebávání vody, minerálních látek, vitamínů a některých dalších látek; uvolňování plynů (CO2) → plynatost Konečník (anus): – za normálních okolností je uzavřen – hromadí a vypuzuje stolici (faeces) (zahuštěné nestrávené zbytky potravy), v průměru se vylučuje 60–80 g/den stolice; je tvořena 1/4 sušinou z níž 1/3 jsou bakterie tlustého střeva – má určitou kapacitu, při naplnění nucení na stolici – řitní otvor má dva svěrače: jeden z hladké a druhý z příčně pruhované svaloviny Pro pokrytí potřebného přívodu látek a energie pro organismus, musí být potrava polknuta, zpracována a rozštěpena (trávení) a nakonec vstřebána ze střeva (resorpce). Trojvrstevná svalovina trávicího ústrojí slouží k promíchávání a posunu obsahu. Pevná potrava je nejdříve rozžvýkána a při tom jsou sousta promíchána se slinami, které na nich vytvoří kluzký film a také obsahují obranné látky a enzymy. Jícen (oesophagus) rychle transportuje sousta do žaludku. Dolní jícnový svěrač se při tom otevírá jen nakrátko, normálně však brání refluxu žaludeční šťávy. Proximální žaludek slouží především k uskladnění potravy, jeho tonus zajišťuje posun do distálního žaludku, kde je potrava upravena, a žaludeční šťávou jsou natráveny proteiny. Distální žaludek také dávkuje chymus (tráveninu). V tenkém střevě se štěpí enzymy pankreatu. HCO− 3 z pankreatické šťávy neutralizují kyselý chymus. Pro trávení tuků jsou nezbytné soli žlučových kyselin přiváděné žlučí. Produkty trávení (monosacharidy, aminokyseliny, dipeptidy, monoacylglyceroly a volné mastné kyseliny) jsou vstřebávány v tenkém střevě spolu s vodou, minerálními látkami a vitaminy. Iveta Bryjová – Fyziologie I 167 Žluč secernovaná v játrech obsahuje odpadní produkty (např. bilirubin), které jsou potom vylučovány stolicí. Tlusté střevo je posledním místem pro resorpci vody a iontů. Je osídleno bakteriemi a v céku a rektu představuje prostor pro hromadění stolice (faeces), takže i při hojném příjmu potravy probíhá defekace relativně méně často. IMUNITNÍ OCHRANA Součástí slin (muciny, IgA a lysozym) tlumí pronikání mikroorganismů. Žaludeční šťáva působí baktericidně a Peyerovy pláty představují vlastní imunokompetentní lymfatickou tkáň gastrointestinálního traktu. Specializované membranózní buňky, tzv. M-buňky ve slizničním epitelu zajišťují přenos luminálních antigenů k lymfocytům Peyerových plátů, které ve spolupráci s makrofágy mohou reagovat uvolňováním IgA. KREVNÍ ZÁSOBENÍ Krevní zásobení žaludku, střev, jater, pankreatu a sleziny obstarávají tři hlavní větve břišní aorty. Prokrvení střev je regulováno místními reflexy, vegetativním nervovým systémem a hormony. Je nezávislé na kolísání systémového krevního tlaku (autoregulace), silně stoupá po jídle (acetylcholin, VIP) a klesá při tělesné práci (noradrenalin, aj.). Venózní krev obsahující látky resorbované ze střeva se dostává vrátnicovou (portální) žilou do jater. Část resorbovaných tuků (chylomikrony) prostupuje do střevní lymfy a dostává se do systémového oběhu, aniž prošla játry. NERVOVÁ A HORMONÁLNÍ INERVACE Všechny endokrinní (= přivádění k cílovým buňkám systémovým krevním oběhem) hormony GIT jsou peptidy tvořené v endokrinních buňkách sliznice. Gastrin, CCK, sekretin, GIP, motilin a parakrinně účinné signální látky jsou přehledně uvedeny na Obrázek 59. Motilita, sekrece, krevní zásobení a růst jsou v GIT řízeny hormony, parakrinně působícími signálními látkami a nervově. Endogenní reflexy (lokální) probíhají v plexus myentericus a submucosus (tj. enterický nervový systém). Endogenní reflexy jsou prostorově úzce ohraničeny a jsou vyvolány drážděním baroreceptorů ve stěně jícnu, žaludku a střeva; nebo chemoreceptorů ve slizničním epitelu. Aktivitu enterického nervového systému moduluje zevní inervace. Zevní inervaci GIT zajišťuje od dolního jícnu až po colon ascendens parasympatikus; v sympatických nebo parasympatických nervech potom sympatikus a viscerální aferentní vlákna. Neurotransmitery – vegetativní nervový systém v GIT uvolňuje noradreanlin a acetylcholin. Funkce gastrointestinálního traktu (GIT) 168 Obrázek 59 Hormony trávicího systému a jejich důležité účinky [44]. Iveta Bryjová – Fyziologie I 169 OTÁZKY 1. Popište nervový systém střeva 2. Kde se nachází Auerbachův plexus 3. Co je peristaltika? 4. Jako funkci mají Cajalové intersticiální buňky? 5. Popište jednotlivé fáze migrujícího motorického komplexu 6. Co jsou eneterocyty? 7. Jsou v žaludku tráveny tuky? a) Ano, ale pouze v kojeneckém období b) Ne, tuky nejsou v žaludku tráveny ani v dětství, ani v dospělosti 8. Které hormony řídí vstřebávání vápníku? ______________________________ 9. Popište řízení sekrece slin. 10. Jak vzniká většina bilirubinu? 11. Popište gastrokolický reflex. 12. Gastrin a cholecystokinin patří do skupiny: a) sekretinové skupiny b) gastrinové skupiny 13. Uveďte centrum polykacího reflexu: Správné odpovědi: 7a; 8 kalcitriol a parathormon; 10 rozpadem hemoglobinu ve tkáních; 12b, 13 IX. a X. hlavového nervu. Funkce gastrointestinálního traktu (GIT) 170 PRACOVNÍ LISTY Iveta Bryjová – Fyziologie I 171 Funkce gastrointestinálního traktu (GIT) 172 Iveta Bryjová – Fyziologie I 173 Funkce gastrointestinálního traktu (GIT) 174 Iveta Bryjová – Fyziologie I 175 Funkce gastrointestinálního traktu (GIT) 176 Iveta Bryjová – Fyziologie I 177 LITERATURA [1] Ontogeneze člověka. Informační systém Masarykovy univerzity [online]. Brno [cit. 2021-7- 30]. Dostupné z: https://is.muni.cz/el/fsps/podzim2019/np4051/Ontogeneze_cloveka.pdf. Prezentace vytvořena v programu Microsoft PowerPoint. [2] Ontogeneze a evoluce. Laboratory of growth regulators: Laboratoř růstových regulátorů [online]. Olomouc: Univerzita Palackého v Olomouci a Ústavu experimentální botaniky AV ČR [cit. 2021-7-30]. Dostupné z: http://www.rustreg.upol.cz/_materials/vbi/10_Vyskot_Evodevo.pdf. Prezentace vytvořena v programu Microsoft PowerPoint. [3] MACHÁČEK, T. a et al. BIOMACH, výpisky z biologie: Buněčná a molekulární biologie. Biomach [online]. 2005– [cit. 2021-7-30]. Dostupné z: http://www.biomach.cz/biologie-bunky [4] Genetika – Biologie: Embryo. ŠÍPEK, Antonín. Genetika – Biologie: Váš zdroj informací o genetice a biologii [online]. 2014 [cit. 2021-7-30]. Dostupné z: http://www.genetika-biolo- gie.cz/embryo [5] Přispěvatelé Wikipedie, Postnatální vývoj člověka [online], Wikipedie: Otevřená encyklopedie, c2021, Datum poslední revize 26. 05. 2021, 09:12 UTC, [citováno 2. 06. 2021] < > [6] Vznik a vývoj lidského jedince: Přehled GMH – Biologie člověka [online]. Praha: Gymnázium Milady Horákové [cit. 2021-7-30]. Dostupné z: http://www.gymh.cz/vyuka/biologie/pre- hledy/4clo_14_vyvoj_jedince.pdf [7] GANONG, William F. Přehled lékařské fyziologie: dvacáté vydání. Praha: Galén, c2005. ISBN 80-7262-311-7. [8] NOVÁK, Ivan. Homeostáza a jak s ní zacházíme. MEDICAL TRIBUNE CZ: Tribuna lékařů a zdravotníků [online]. 06.03.2018 [cit. 2021-7-30]. Dostupné z: https://www.tribune.cz/cla- nek/42983-homeostaza-a-jak-s-ni-zachazime [9] File:Cell Structure , Cell Diagram.png. (2020, October 15). Wikimedia Commons, the free media repository. Retrieved 08:38, June 15, 2021 from https://commons.wikimedia.org/w/in- dex.php?title=File:Cell_Structure_,_Cell_Diagram.png&oldid=490108266. [10] ÚSTAV HISTOLOGIE A EMBRYOLOGIE. Obecné znaky epitelové tkáně. Lékařská fakulta Masarykovy univerzity [online]. Brno [cit. 2021-7-30]. Dostupné z: https://www2.med.muni.cz/histology/MedAtlas_2/OH_txt4-1.htm. Výuková materiál. [11] HARDJA, Glenna. Epitelová tkáň. SlidePlayer - Nahrávejte a Sdílejte své PowerPoint prezentace< [online]. [cit. 2021-7-30]. Dostupné z: https://slideplayer.cz/slide/14713747/. Prezentace vytvořena v programu Slide Player. [12] Anti Aging Strategie (2) – Mitochondrie, ZOMBIE BUŇKY, stárnutí a pohyb. Mindset Academy kurzy [online]. [cit. 2021-7-30]. Dostupné z: https://www.mindset.cz/prispevky/9212-anti- aging-strategie-2-mitochondrie-starnuti-zombie-bunky-pohyb/ 178 [13] File:Animal mitochondrion diagram cs.svg. (2020, September 12). Wikimedia Commons, the free media repository. Retrieved 14:35, June 15, 2021 from https://commons.wikimedia.org/w/in- dex.php?title=File:Animal_mitochondrion_diagram_cs.svg&oldid=456859838. [14] ŠAJDÍKOVÁ, Martina. Funkce buněk a lidského těla: Funkční morfologie buněk. Kolektiv autorů. Funkce buněk a lidského těla [online]. [cit. 2021-7-30]. Dostupné z: http://fblt.cz/skripta/istruktura-bunky/1-funkcni-morfologie-bunek/. Multimediální skripta. [15] Britannica, The Editors of Encyclopaedia. „Lysosome“. Encyclopedia Britannica, 12 Sep. 2019, https://www.britannica.com/science/lysosome. Accessed 16 June 2021. [16] Biology: Cell Structure I Nucleus Medical Media: Overview of cell structure. YouTube [online]. [cit. 2021-7-30]. Dostupné z: https://www.youtube.com/watch?v=URUJD5NEXC8 [17] DRÁBEROVÁ, Eduarda. Cytoskelet - dynamická síť: Cytoskelet není jen buněčná kostra, ale také pohybový a organizační systém. Vesmír: věda, příroda, člověk, společnost – časopis s tradicí od roku 1871 [online]. 2008, 5. 8. 2000, 79(438) [cit. 2021-7-30]. ISSN 1214-4029. Dostupné z: https://vesmir.cz/cz/casopis/archiv-casopisu/2000/cislo-8/cytoskelet-dynamickasit.html#&gid=1&pid=7. Snímek E. Dráberová na fluorescenčním mikroskopu OLYMPUS AX 70 Provis. [18] W3SCHOOLS. Centrosomes And Centrioles. W3schools - Best Place for Online Tutorials [online]. © Copyright 2022 W3schools.blog. All rights reserved. February 9, 2020 by admin [cit. 2022-01-30]. Dostupné z: https://www.w3schools.blog/centrosomes-and-centrioles [19] The cell. More information. Cilia and flagella. Atlas of Plant and Animal Histology. Inicio. Atlas de histología Vegetal y Animal [online]. © Copyright 2022 W3schools.blog. All rights reserved. [cit. 2022-01-30]. Dostupné z: https://mmegias.webs.uvigo.es/02-english/5-celulas/ampli- aciones/7-cilio-flagelo.php [20] „File: ProteinTranscription+Synthesis.svg.“ Wikimedia Commons, the free media repository. 8 Sep 2020, 19:56 UTC. 28 Jun 2021, 08:57 . [21] ĎURECH, Michal, Bořivoj VOJTĚŠEK a Petr MÜLLER, 2012. Role molekulárních chaperonů a ko-chaperonů v biologii nádorů. Klin Onkol [online]. Care Comm, 25(Suppl 2), 2S45-2S49 [cit. 2022-01-23]. ISSN 1802-5307. Dostupné z: https://www.linkos.cz/files/klinicka-onkolo- gie/174/4127.pdf [22] Hrubé endoplazmatické retikulum. In: Střední zdravotnická škola Karviná [online]. [cit. 2022-01-23]. Dostupné z: https://www.sszdra-karvina.cz/bunka/bi/03eu/ererhr.htm [23] KYLAROVÁ, Dana. Hepatocyt v TEM. In: Laboratoř mikroskopických metod: LF UP v Olomouci [online]. Olomouc: Lékařská fakulta Univerzity Palackého [cit. 2022-01-23]. Dostupné z: http://ultrastruktura.upol.cz/v%C3%BDuka/AtlasEM/tr/slides/tr010.html [24] MIHULKA, Stanislav, 2009. Umělý Golgiho aparát na mikročipu. Osel: Objective Source ELearning [online]. Osel [cit. 2022-01-23]. ISSN 1214-6307. Dostupné z: https://www.osel.cz/4550-umely-golgiho-aparat-na-mikrocipu.html Iveta Bryjová – Fyziologie I 179 [25] BERÁNKOVÁ, Silvie a Mgr. Martin ŠMÍD. Eukaryota – buněčná stavba. SlidePlayer [online]. © 2022 SlidePlayer.cz Inc. All rights reserved. [cit. 2022-01-11]. Dostupné z: https://slideplayer.cz/slide/3070283/ [26] FELLNEROVÁ, I. Skripta: Obecná fyziologie: Buněčný transport. Katedra zoologie a ornitologická laboratoř UP [online]. [cit. 2022-01-30]. Dostupné z: https://zoolo- gie.upol.cz/old/osoby/fellnerova/pdf_nuevo/Bunecny_TRANSPORT_2015_9.pdf [27] KODÍČEK, Milan, 2004. Biochemické pojmy: výkladový slovník. Praha: Vysoká škola chemicko-technologická v Praze. ISBN 80-7080-551-x. [28] SITNÁ, Dagmar a Renata KŮSTOVÁ. BIOLOGIE- studijní text pro žáky 1. ročníku SZŠ Nymburk: Buňka (cellula) [online]. 2016. Nymburk: Střední zdravotnická škola a Vyšší odborná škola zdravotnická Nymburk, 2016 [cit. 2022-01-11]. ISBN 978-80-88058-92-2. Dostupné z: https://pu- bli.cz/books/294/03.html [29] INSTITUT GALENUS. Buněčné jádro: Odborný článek zabývající se strukturou buněčného jádra, popisem funkce obou forem jádra a významem chromatinu při reprodukci. Institut Galenus [online]. [cit. 2022-01-30]. Dostupné z: https://www.galenus.cz/clanky/biochemie/biochemie- bunka-bunecne-jadro [30] https://docplayer.cz/8959155-Bunka-v-jadro-bunecny-cyklus-a-bunecne-deleni-mitosa-ustav- histologie-a-embryologie-1-lf-uk.html [31] ČECH, S. Nervová tkáň. LÉKAŘSKÁ FAKULTA, MASARYKOVA UNIVERZITA. Ústav histologie a embryologie [online]. Brno [cit. 2022-01-30]. Dostupné z: https://www2.med.muni.cz/histology/MedAtlas_2/OH_txt7.htm [32] ŠTEFELA, Jakub. Struktura nervové tkáně. Úvod do centrální nervové soustavy [online]. Praha: 3. lékařská fakulta pod záštitou Anatomického ústavu 3. LF UK [cit. 2022-01-24]. Dostupné z: http://www.cnsonline.cz/?p=271 [33] Vedantu: Questions & Answers. Vedantu [online]. [cit. 2022-01-11]. Dostupné z: https://www.vedantu.com/question-answer/name-different-types-of-neurons-and-give-one-class- 12-biology-cbse-5f8377fea6aa52304a [34] PENZES, Peter, Kevin M. WOOLFREY a Deepak P. SRIVASTAVA, 2011. Epac2-mediated dendritic spine remodeling: Implications for disease. Molecular and Cellular Neuroscience [online]. 46(2), 368-380 [cit. 2022-01-24]. ISSN 10447431. Dostupné z: doi:10.1016/j.mcn.2010.11.008 [35] JONÁŠ, Josef, 2022. Nervový systém a detoxikace [online]. In: ©DocPlayer.cz. [cit. 2022- 01-24]. Dostupné z: https://docplayer.cz/29747645-Nervovy-system-a-detoxikace.html [36] KIRANYAZ, Serkan, Turker INCE, Alexandros IOSIFIDIS a Moncef GABBOUJ, 2020. Operational neural networks. Neural Computing and Applications [online]. 32(11), 6645-6668 [cit. 2022-01-24]. ISSN 0941-0643. Dostupné z: doi:10.1007/s00521-020-04780-3 [37] PEREDA, Alberto E., 2015. Neurobiology: All Synapses Are Created Equal. Current Biology [online]. 25(1), R38-R41 [cit. 2022-01-24]. ISSN 09609822. Dostupné z: doi:10.1016/j.cub.2014.11.029 180 [38] PEREDA, Alberto E. Electrical synapses and their functional interactions with chemical synapses. Nature Reviews Neuroscience [online]. 2014, 15(4), 250-263 [cit. 2021-7-30]. ISSN 1471-003X. Dostupné z: doi:10.1038/nrn3708 [39] LANGMEIER, Miloš. Základy lékařské fyziologie. Praha: Grada, 2009. ISBN 978-80-247- 2526-0. [40] kční potenciál: Index of /~zfisar/bp. 1. lékařská fakulta Univerzity Karlovy [online]. [cit. 2022-01-30]. Dostupné z: https://www1.lf1.cuni.cz/~zfisar/bp/1.6.old.htm [41] VOHÁŇKA, Stanislav, 2017. Léky a nervosvalový přenos. Neurol. praxi [online]. 02.02.2017, 18(1), 11-14 [cit. 2022-01-30]. ISSN 1803-5280. Dostupné z: https://www.neurolo- giepropraxi.cz/pdfs/neu/2017/01/03.pdf [42] By John A Beal, PhDDep't. of Cellular Biology & Anatomy, Louisiana State University Health Sciences Center Shreveport - http://www.healcentral.org/healapp/showMetadata?metadataId=40566 (Internet Archive of file description page), CC BY 2.5, https://com- mons.wikimedia.org/w/index.php?curid=891480 [43] BERNACIKOVÁ, Martina, Miriam KALICHOVÁ a Lenka BERÁNKOVÁ. Základy sportovní kineziologie: e-learningová učebnice. Informační systém Masarykovy univerzity [online]. [cit. 2022-01-30]. Dostupné z: https://is.muni.cz/do/1451/e-learning/kineziologie/elportal/in- dex.html [44] SILBERNAGL, Stefan a Agamemnon DESPOPOULOS, 2004. Atlas fyziologie člověka. 6. vyd., zcela přeprac. a rozš., Vyd. 3. české. Praha: Grada. ISBN 978-80-247-0630-6. [45] Histologická stavba přední části trávicí trubice: Zhoubná onemocnění foregutu. Společnost pro gastrointestinální onkologii ČLS JEP [online]. [cit. 2022-01-16]. Dostupné z: https://www.sgo-cls.cz/onkologie-horni-casti-traviciho-traktu/obecna-cast/histologicka-stavba-a- embryonalni-vyvoj-predni-casti-travici-trubice/histologicka-stavba-predni-casti-travici-trubice/ [46] ZÁVADA, Filip, 2010. Gastrointestinální imunitní systém. Med. Pro Praxi [online]. 7(6 a 7), 268–269 [cit. 2022-01-16]. ISSN 1803-5310. [47] Hemostáza: Funkce buněk a lidského těla. Skripta Funkce buněk a lidského těla [online]. [cit. 2022-01-16]. Dostupné z: http://fblt.cz/skripta/v-krev-a-organy-imunitniho-systemu/4-hemostaza/ [48] Glykolýza, 2008 - 2022. Institut Galenus [online]. Institut Galenus [cit. 2022-01-16]. Dostupné z: https://www.galenus.cz/clanky/biochemie/biochemie-sacharidy-glykolyza Iveta Bryjová – Fyziologie I 181 SHRNUTÍ STUDIJNÍ OPORY Studijní opora Fyziologie I je koncipována jako podpůrný studijní materiál, který slouží k prohloubení znalostí funkční vědy zkoumající a vysvětlující činnost organizmu – fyziologie. Fyziologie je obor lékařské vědy, který je neobyčejně rozsáhlý a obsáhlý. Proto nebylo možné mnohdy redukovat text na nezbytné minimum. Fyziologie nám umožňuje pochopit biochemické, fyzikální a biologické principy jednotlivých dějů v živém organizmu. Fyziologii lze zařadit mezi interdisciplinární obory, jelikož stanovit hranici například mezi biochemii, molekulární biologií, genetikou, imunologií či biofyzikou je téměř nemožné. Tato studijní opora je prvním dílem a přináší pohled do problematiky prvních sedmi témat:  Fáze ontogenetického vývoje člověka. Funkce buňky. Tělní tekutiny. Ho- meostáza.  Integrační funkce CNS, smyslové funkce.  Hybnost člověka a její řízení.  Funkce žláz s vnitřní sekrecí, základní účinky hormonů.  Krev, lymfa. Kardiovaskulární funkce, krevní kapiláry, funkce a řízení.  Ventilační a respirační funkce.  Funkce gastrointestinálního traktu (GIT). Studentům doporučujeme jak studium četných poznámek pod čarou, tak stěžejní literaturu [7, 39, 44]. Přiložené pracovní listy slouží k doplnění a přehlednosti vybraných témat, lze je vytisknout a barevně odlišit jednotlivé částí systémů, které jsou popsány přiřazením písmen abe- cedy. Název: Fyziologie I Autor: Ing. Iveta Bryjová Vydavatel: Slezská univerzita v Opavě Fakulta veřejných politik v Opavě Určeno: studentům SU FVP Opava Počet stran: 182 Tato publikace neprošla jazykovou úpravou.