Osmoregulace
- Hospodaření s vodou
- Hospodaření s ionty
(Na+, K+, Ca2+, Cl-, HCO3
-,…)
- Exkrece
(dusíkaté metabolity, toxiny,…)
Transport molekul
- Transcelulární
- Paracelulární
Transcelulární transport
- Prostá difůze
- Usnadněná difuze
- Prostup iontovými kanály
- Primární aktivní transport
- Sekundární aktivní transport
Transcelulární transport
- Prostá difůze
- Usnadněná difuze
- Prostup iontovými kanály
- Primární aktivní transport
- Sekundární aktivní transport
Transport látek -> koncentrační gradient lázek -> osmosa/osmotický tlak
Nejvýznamější osmoregulační orgány
- Ledviny
- Žábra ….(„plíce –CO2 <=> HCO3
-“)
- Trávicí trakt – střevo
- Kůže
Podobné principy, na základě potřeby pod dohledem CNS
změny v expresi, lokalizaci a aktivitě příslušných
transportních mechanismů.
Ledviny – základní jednotka nefron: glomerulus, Bowmanů váček, kanálky
1 nefron 10-50 nefronů 1 000 000 nefronů
Vývoj nefronu a střeva v závislosti na životním prostředí/skupině organismů.
Nefrony ryb, plazů a ptáků nejsou schopné vytvářet
zakoncentrovanou moč – jsou krátké a chybí Henleova klička.
U dospělých obojživelníků, plazů a ptáku
je moč produkována do kloaky.
U některých plazů a u většiny
ptáků je v kloace moč zakoncentrována
resorbcí elektrolytů a vody.
Ledviny savců
H2O
+
solventy
Množství transmembránových proteinů, odpovědných za přenos různých látek
mezi lumen a vnějškem kanálků nefronu.
Kortikální
a juxtaglomerulární nefrony
Různé poměry dle dostupnosti vody
- Kortikální (KN(: filtrace a resorpce
- Juxtamedulární (JN): koncentrace a ředění
Glomerulus KN malý, JN velký
A./A.E. ratio – poměr průměru aferentních a eferentních cév
glomerulu
Tarbík
Laboratorní potkan
Nártoun
Kočkodan
C – kortikal, J – juxtaglomerular, t - celkově
Celkové objemy jednotlivých nefronů (– dle dostupnosti vody)
Sezónní změny v hospodaření s vodou u osmáka
Žáberní epitel ryb – ionocyty (MR (mitochondria rich) - na mitochondrie bohaté buňky)
- buňky respiračního epitelu
Žáberní epitel ryb – ionocyty (MR (mitochondria rich) - na mitochondrie bohaté buňky)
Sladkovodní ryby
KS cell – K+ secreting
SLC26 cell –
NCC cell - Na+/Cl- cotransporter
NaR cell – Ca2+ uptake, Na+/K+-ATPase-rich
HT cell – H+-ATPase-rich
Sladkovodní x mořské ryby
Tilapia acclimated freshwater (FW), seawater (SW)
and hypersaline water (HSW).
Žábra
Různé druhy, různé typy ionocytů?
Kyselina močová
Solubility in water: 0.6 mg/100 mL (at 20 °C)
Močovina
Solubility in water
1079 g/L (20 °C)
1670 g/L (40 °C)
Toxicity LD50 15g/L
NH3
Solubility in water
47% w/w (0 °C)
31% w/w (25 °C)
18% w/w (50 °C)[4]
Exkrece dusíku
Amoniak (NH4
+ ) problematický produkt metabolismu aminokyselin
Amonotelní, urikotelní, ureotelní živočichové
2 NH3 + CO2 + 3 ATP + 3 H2O → urea + 2 ADP + AMP + 4 Pi
NH3
V játrech (syntéza)
glutamic acid + NH3 + ATP → glutamin + ADP + Pi
V ledvinách (hydrolýza)
glutamine + H2O → glutamic acid + NH3 (vyloučen močí)
2 glutamic acid + 2 formic acid + CO2 + aspartic acid + glycine + 6 ATP→
→ inosine + 2 glutamic acid + fumaric acid + 5 ADP + AMP + 5Pi + PPi
Uvolnění NH3 žábry
PV – pavement cell
MR – mitochondria rich cell
Rhbg/Rhcg – transmembránové
transportní proteiny
Ornitinový cyklus
Syntéza močoviny
2 glutamic acid + 2 formic acid + CO2 + aspartic acid + glycine + 6 ATP→
→ inosine + 2 glutamic acid + fumaric acid + 5 ADP + AMP + 5Pi + PPi
Syntéza
kyseliny močové
Přěměna kyseliny močové na močovinu
- kyselina močová je antioxidant
Řízení osmoregulace a exkrece
Hypothalamus => adenohypofýza (ACTH)
=> neurohypofýza (ADH/Vasopresin, Oxytocin)
Nadledviny => kortikoidy, katecholaminy
Ledviny => renin (+ angiotensinogen z jater)
Parathyroidea a thyroidea => parathormon, kalcitonin (kůže/ledviny – kalcitrol)
Tkáňové hormony (srdce, střevo) => ANP, BNP,..
Lokálně => viz. regulace krevního tlaku
Stanniusova tělíska, urofýza,…. => stanniocalcin, urotensin
Hypothalamus – liberiliny + inhibiny(statiny) + ADH, oxytocin
Adenohypofýza – ACTH
Neurohypofýza – ADH(vazopresin), oxytocin
Nadledviny, adrenální žlázy
dřeň nadledvin (chromafinní tkáň)
- neurální tkáň, homolog ganglií sympatiku
- A buňky – adrenalin (epinephrin)
- NA buňky – noradrenalin (norepinephrin)
kůra nadledvin – adrenokortikální tkáň
- mezodermální původ
- produkce steroidních hormonů
- mineralokortikoidy (zg), glukokortikoidy (zf), androgeny(zr)
ACTH => ALDOSTERON + KATECHOLAMINY
ACTH– udržování struktury kůry nadledvin, hotovost a tvorba hormonálních prekurzorů
(adenohypofýza)
Mineralokortikoidy (ZG) – Aldosteron, kortikosteron, 11-deoxykortikosteron
- zvýšení resorpce Na+ a tím i vody v distálním tubulu a sběrném kanálku ledviny,
vylučování K+ , stimulace hyponatrémií (↓Na+), hyperkalémií (↑K+), zmenšením
objemu krve, uvolňování stimulováno angiotenzinem II + částečně i samotným ACTH.
Glukokortikoidy (ZF) – kortizol
- glukoneogeneze, z bílkovin (proteokatabolický efekt), potlačení i syntézy
bílkovin (aminokyseliny), částečně inhibice transportu glukósy do buněk
a její utilizace, štepení triacylglycerolů – zvýšení koncentrace mastných kyselin v krvi,
senzibilizace cév svaloviny pro katecholaminy (přesun krve do svalů), snížení
glomerulární filtrace a vylučování vody
- potlačení imunitních funkcí (zánět atd.), nedostatek i nadbytek poruchy psychiky
Androgeny (ZG) – dehydroepiandrosterol (DHEA, docosahexaenoic acid ethyl ester),
u žen většina produkce pohlavních steroidů, muži 1/3, zbytek testes
Denní rytmicita produkce ACTH a kortizolu u člověka
Macropus giganteus
Vombatus hirsutus
dostatek Nanedostatek Na
Dopad dostupnosti „Na“ (a vody) na strukturu kůry nadledvin
hmotnost (kg) podíl na celku (10E3) dreň
(mg)
kůra
(mg)
poměr
kur 2 0,1 100 100 1:1
pes 15 0,1 250 1250 1:5
kočka 3 0,123 20 350 1:17,5
potkan 0,2 0,21 2 40 1:20
králík 3 0,137 10 400 1:40
morče 0,5 1 8 500 1:62,5
Srovnání velikosti nadledvin u různých druhů
Primáti během embryogeneze „fetalní zóna“ mezi dření a kůrou
- produkce dehydroepiandrosterone sulfate (DHEAS),
v placentě je přeměňován na estrogen – regulace gravidity
Někteří hlodavci během dospívání (samci) a během gravidity tzv.
X-zonu / přechodnou zónu (pod kontrolou LH), produkce
steroidů ale neznámá
Obecně u mnoha druhů změny ve struktuře a aktivitě v závislosti
na stadiu embryogeneze, pohlavním dospívání, graviditě
- často úloha LH nebo FSH
- přeměna NA buněk na A buňky
- vysoké hladiny steroidů indukují přeměnu NA na A
(phenylethanolamine-N-methyltransferase)
Renin - angiotenzin
potkan
skokan
Juxtaglomerulární aparát (ledviny)
- produkce reninu (v důsledku poklesu objemu
plasmy a krevního tlaku)
renin – proteáza pro angiotenzinogen (z jater)
Juxtaglomerulární aparát
1. Granulární buňky – modifikované hladkosvalové buňky,
syntetizují, uskladňují a produkují renin
2. Macula densa – recepce hladiny NaCl, modulace
renálních arterií
3. Extraglomerulární mesangialní buňky - fagocyty
Juxtaglomerulární aparát (juxtaglomerulární buňky, macula densa, polkissen) – jen savci,
náznak u ptáků, ostatní (plazi, obojživelníci, většina ryb) jen juxtaglomerulární buňky
s granulemi barvitelnými dle Bowieho. Chondrostei a Holostei nemají, i když renin ano.
plně - renin
přerušovaně - juxtaglomerulární granule
Parathyroidea a ultimobranchyální tělíska
- objevují u obojživelníků a dále jsou přítomna u plazů, ptáků savců
- buď samostatné struktury nebo spojené s tyroideou
- vyskytují se v 1-3 párech
- krokodýli 1 pár, želvy a hadi 2 páry, ještěři 1-3 páry
- ptáci a savci 1-2 páry
- původ z žaberních oblouků -> ryby a vodní larvy obojživelníků je nemají
Parathyroidea – přístitná tělíska – parathormon (PTH, 84 AA)
- Metabolismus Ca2+, PTH – zvýšení resorbce Ca2+ a jeho uvolňování z kostí
(osteoklasty)
Kalcitonin (32mer peptid) – parafolikulární buňky tzv. C buňky tyroidei
- Stimulace ukládání Ca2+ zejména do kostí Kalcitrol
(1,25-(OH)2-cholecalciferol)
- z vit D (UV na kůži, potrava)
- hlavní regulace posledním
krokem syntézy 1a-hydrolázou
v ledvinách
- lipofilní, steroidům podobný
- indukce zejména Ca2+ vázajícího
proteinu (CaBP) a Ca2+-ATPazy
- resorpce a ukládání Ca2+
- cílové orgány: ledviny, střevo,
kosti, placenta, mlečné žlázy,..
- Předávkování => podpora PTH
Stanniusova tělíska
- na povrchu ledvin Holostei (kaproun, jehlice) a Teleostei, Chondrostei (jeseter)
a ostatní obratlovci je nemají
- oválné žlázy v počtech od 1-2 (Teleostei) po až 50 (kaproun)
- původem snad z pronefros / mesonefros
- z buněk typu I (převažují) a typu II
- buňky typu I (se sekrečními zrny), produkce stanniocalcinu (hypocalcin, teleocalcin)
-> snižování Ca2+ v plasmě, krvi
- indukce přenesením ryb (euryhalinních) ze sladké vody do slané
- někdy snad další glykoproteiny s funkcí hormonu
–> teleocalcin, reninu podobný protein
- stanniocalcin byl nově detekován v plasmě žraloků, mloků, i člověka a potkanů
(imunohistochemicky v buňkách ledviných tubulů)
mRNA v lidských ováriích, prostatě, thyroidei, mozku,
svalech, plicích, STC1 a STC2, předpokládá
se zejména parakrinní aktivita
+ reabsorbce fosfátů barramunda
Urofýza
- známé pouze u kostnatých ryb
- funkce ne úplně jasná, pravděpodobně regulace osmoregulace a svalové kontrakce
hladké svaloviny urogenitálního traktu
- podobně jako neurohypofýza složeno z nervové tkáně, těla nervů v míše
- axony v kontaktu s cévami procházejícími ledvinami
–> neurohemální spojení (sekrece do krevního oběhu)
- hormony urotensin I a II (peptidy), zdá se, že v jednom typu buněk, hormony jsou
podobné kortikotropin-uvolňujícímu hormonu (I) a somatostatinu (II) mění:
- permeabilitu membrán pro vodu a sodík
- zvyšují krevní tlak (u potkana snižují ???)
- indukují kontrakci hladké svaloviny (zejména urogenitální trakt)
- u paryb pravděpodobně v podobě jednotlivých neurosekrečních neuronů
(20x větších něž normální motoneurony), tzv. Dahlgrenovy buňky
- malé Dahlgrenovi buňky u Holostei, Chondrostei a Dipnoi,
náznaky nebo nic u kruhoústých
Urotensin II
- U savců v srdci, cévách, mozku, endokrinní tkáně
- nejsilnější savčí peptidový vasokonstriktor, funkce ale není úplně známá
- aktivní peptid je 11 AMK peptid odštepovaný z dvou isoforem prepro-urotensinu II
(prepro-urotensin II má 124 a 139 AMK, pro člověka)
- Koncový cyklický hexamer ((-CYS*-TRY-LYS-TRP-PHE-CYS*-), (*bridged CYS residues))
je konzervován od latimérie po člověka (odhadem 560mil. let)
Squalus acanthias
Raja batis
Torpedo ocellata
Trygon violacea
Příklady hormonů asociovaných s tkání a ne přímo s konkrétní žlázou
- uvolňují se do oběhu a působí tak na velké vzdálenosti
- peptidové i steroidný typy
Pro osmoregulaci:
Srdce - atriální natriuretický peptid (ANP), syntéza svalem předsíně
- mozkový natriuretický peptid (BNP), syntéza svalem komory
- stimulace vylučování Na+, antagonistické k renin-angiotensin
- adrenomedullin (také v dřeni nadledvin a v endoteliích cév)
- stimulace vasodilatace, vylučování Na+, vody
Hormony odvozené od aminokyselin
Katecholaminy (adrenalin x noradrenalin = epinephrin x norepinephrin, dopamin)
- odvozeno od katecholu, základem je molekula tyrosinu
- adrenalin častěji systémové účinky, noradrenalin častěji neurotansmiter
- hormony a neurotransmitery v mozku a sympatickém nervovém systému
- produkce tzv. chromafinní tkání
- tzv. adrenergní účinky
a1-adrenergní -> konstrikce hladké svaloviny (cévy + některé svaly), snížení
uvolňování reninu, u některých druhů zvýšení jaterní
glykogenolyze a produkce potních žlaz
a2-adrenergní -> konstrikce hladké svaloviny a snížení uvolňování inzulinu
b1-adrenergní -> posílení srdeční kontrakce, zvýšení produkce reninu
b2-adrenergní -> uvolnění hladké svaloviny (bronchi, cévy), zvýšení glykogenolyze
b3-adrenergní receptor – lipolýza a oxidace mastných kyselin
- receptory jsou spojeny s G-proteiny a mají 7 transmembránových domén
- tyto receptory patří do rodiny receptorů pro: kalcitonin, glucagon, sekretin,
vasoaktivní intesticiální peptid, vasopresin, oxytocin
Podíl noradrenalin na celkových katecholaminech (%)
velryba 83 prase 49
kur domácí 80 ovce 33
žralok 68 tur 26
mořská želva 60 člověk 17
holub 55 potkan 9
Xenopus 55 králík 2
ropucha 55 morče 2
Syntéza nor- a adrenalinu
Melatonin (MT; N-acetyl-5methoxytryptamine)
- produkován zejména v epifýze pinealocyty
- produkce se rytmicky se střídáním dne a noci
(tma indukuje jeho produkci)
- nositel informace o střídání denní a roční doby
pro ostatní žlázy a tkáně, regulace pigmentace
obojživelníků (distribuce melaninu v melanocytech)
- výskyt také v retině, v střevě, v Harderianově žláze
a některých dalších tkáních
Dopamin
- faktor inhibující uvolnění prolaktinu – PIF (produkce hypotalamem, statin)
- obecně utlumující hormon v rámci
endokrinního systému, podobné
somatostatinu
- katecholamin, prekurzoch
adrenalinu a noradrenalinu
Peptidové hormony neurohypofýzy
1. antidiuretický hormon -ADH (arginine-vasopresin AVP) – zvýšení resorbce
vody v ledvinách a snížení tvorby moči
2. oxytocin – kontrakce dělohy a iniciace ejekce mléka, u samců snad ejakulace
oxytocin
arginin (8)
fenylalanin (3)
antidiuretický
hormon
Homologní hormony (~ 12) u všech obratlovců, u savců a ptáků často produkovány
i ovárii a testes. Substituované molekuly v poyici 2, 3, 4, 8.
arginine vasopresin – savci
arginine vasotocin (kruh oxytocinu a postranní řetězec vasopresinu) – ostatní obratlovci
oxytocinu podobný peptid – 8 variant (u savců vzácně)
mesotocin (Ile na 8) – ptáci, plazi, obojživelnící, plicnaté ryby, klokani
isotocin (Ile na 8, serin na 4) – mnohé kostnaté ryby
... glumitocin, valitocin, aspargtocin, asvatocin, fasvatocin (paryby)
Polymorfismus u nepřežvýkavých sudokopitníků (Suiformes)
- mnozí vasopresin s lyzinem místo argininu (pozice 8) tzv. lyzin vasopresin
prase domácí má lyzin vasopresin a oxytocin, ostatní mohou mít oba
vasopresiny, případně jeden z nich (homozygoti, heterozygoti)
Hormony neurohypofýzy u různých
skupin obratlovců
Evoluce hormonů neurohypofýzy
A – aspargtocin
AS – asvatocin
AT – arginin vasotocin
AV – arginin vasopresin
G- glumitocin
LV – lyzine vasopresin
M – mesotocin
O – oxytocin
PP – phenypressin
PV – phasvatocin
m ~ miliony let
Fylogeneze nadledvin
- vždy v zadní části těla v blízkosti ledvin
- s fylogenezí integrace chromafinní tkáně (dřeň) se steroidogenní tkání (kůra)
chromafinní
katecholaminogenní
tkáň
steroidogenní
tkáň
ledviny
obojživelníci plazi
ptáci savci
příčné řezy
příčné řezy