11. 12. 2017 1 Obecná fyziologie smyslů Receptorové buňky jsou brány, kterými vstupují signály do NS Exteroreceptory x interoreceptory Buněčné „oči“ a „uši“ Motorický NS Vegetativní NS Hormonální S Kůra telencefala Vnější podněty: zvuky, vůně… Vnitřní podněty: hladina Glc, apoptotický signál, tah v membráně… VĚDOMÍ PODVĚDOMÍ Reflexní, automatické řízení Buněčná recepce a komunikace Motorický NS Vegetativní NS Hormonální S Kůra telencefala Vnější podněty: zvuky, vůně… Vnitřní podněty: hladina Glc, apoptotický signál, tah v membráně… VĚDOMÍ PODVĚDOMÍ Reflexní, automatické řízení Buněčná recepce a komunikace Klasické smysly propojené s kůrou, mechanismy ale stejné 11. 12. 2017 2 Nervový systém vsadil na elektricky předávané informace. Kanály jsou odpovědné za regulaci membránového napětí a tedy klíčové pro vznik a přenášení nervových signálů. Nervový systém tedy „vidí“ jen to, co změní kanálovou propustnost. Pro vstup do NS podstatné to, co se děje mezi receptory a kanály Kanály v molekulární fyziologii smyslů Transdukce Transformace Receptorová buňka převádí energii podnětu na změnu iontové propustnosti. Receptorová buňka převádí energii podnětu na změnu iontové propustnosti podobně jako se tvoří potenciál na postsynaptické membráně. 11. 12. 2017 3 Vlastnosti membrány a cesta signálu ke kanálu jsou klíčem pro transdukci. Intenzita podnětu a intenzita odpovědi. Logaritmická závislost je dobrý kompromis mezi potřebou citlivosti a rozsahem. Trvání podnětu a trvání odpovědi. Většina exteroreceptorů se v různé míře adaptuje. 11. 12. 2017 4 Laterální inhibice: vyšší rozlišovací schopnost zesílení kontrastů Smyslové dráhy • Paralelní dráhy (co vidím se zpracovává odděleně od kde) • Specializace analyzátorů smyslové dráhy (od jednoduchých rysů po komplexní) • Úloha mozku integrovat do celku a interpretovat (zkušenost) Chuť 11. 12. 2017 5 Různě složité transdukční cesty 5 základních chutí. Čich Specifita srovnatelná s imunitní Cis/trans rozlišení Specializace receptorů Kombinace cca 350 receptorů člověka 3.000-100.000 vůní (?) Ale: 21 MARCH 2014 VOL 343 SCIENCE 1012 – trilion vůní 11. 12. 2017 6 Čichový lalok koncového mozku Mapa vůní – vzorec aktivovaných glomerulů Konvergence neprostorového parametru na prostorový Drosophila savec 11. 12. 2017 7 Mechanorecepce Bolest, dotek, Propriorecepce, Zvuk, gravitace, Pohyb, Vlhkost ? Magnetické pole? Jednotné molekulární schéma Kožní citlivost - hmat Periferní detektor směru pohybu 11. 12. 2017 8 Somatosensorické vnímání Plošky hmatových chlupů hmyzu Smysl pro rovnováhu – Statocysta nebo kanálek Vlásková buňka obratlovců – specialista na jemný pohyb 11. 12. 2017 9 Vlásková buňka – specialista na jemný pohyb Proudový smysl Kanálek přepažený kupulou s receptory Ryba animace Vestibulární aparát a sluchový orgán 11. 12. 2017 10 Evoluce smyslových polí tvořených vláskovými buňkami. Sluchový orgán 11. 12. 2017 11 Cortiho orgán: 25.000 vláskových buněk ve dvou řadách Sluchový aparát savců 11. 12. 2017 12 Sluchový aparát savců Vnitřní ucho Animace ear. http://highered.mcgraw- hill.com/olc/dl/120108/bio _e.swf Zvukové vlny způsobí posuny tektoriální a basilární membrány a tím i ohýbání vlásků. Tektoriální membrána - animace Výška tónu se promítá do prostorově lokalizovaného maxima. 11. 12. 2017 13 Vyostření maxima – laterální inhibice Vyostření maxima – laterální inhibice Fotorecepce 11. 12. 2017 14 Inverzní oko Světlo musí projít přepojovacími dráhami než dorazí k recepční membráně RGB čípky, ale jen RG ve fovei. Tyčinky jsou velmi štíhlé 2-5um, čípky v periferii 5-8 mm, ve fovei ale pouze 1,5 um. 11. 12. 2017 15 Fototransdukce světelného kvanta na změnu potenciálu Fototransdukce světelného kvanta na změnu potenciálu Animace rhodopsin. Cis trans animace Fotorepce a chemorecepce – podobný princip Fototransdukce světelného kvanta na změnu potenciálu 11. 12. 2017 16 Fototransdukce světelného kvanta na změnu potenciálu Zpracování začíná už v sítnici. Laterální inhibice První analýza kontrastů Modifikovatelná konvergence Laterální inhibice: Na sekundárních neuronech je zesílen kontrast. Změna velikosti a struktury receptivního pole. Bipolární buňky jsou první rysové analyzátory 11. 12. 2017 17 Ve zrakové dráze jsou gangliové buňky, které jsou naladěny na určitý jednoduchý obrazec – koncentrickou kruhovou plošku. Ta má buď světlý nebo tmavý střed. Jsou to první rysové analyzátory. Z těchto nejjednodušších rysů se postupně ve zrakové dráze skládají složitější tvary a na každý existuje specializovaný neuron rozeznávající svůj obrazec. „Grandmother’s cells“ Na tvář selektivní buňky Proč ty šedé flíčky? 11. 12. 2017 18 Barevné vidění založeno na různě absorbujících pigmentech. Trichromatické kódování, Young-Helmhotz Oponentní kódování, Hering R,G,B a Bl,Wh se konvertuje na R/G, B/Y a Bl/Wh 11. 12. 2017 19 Prostorové vidění (co je blíže a co dál) založeno na schopnosti měřit odlišnosti v zobrazení pravé a levé sítnice. Další metody konstrukce prostoru. Jsou stejně malí, ale … 11. 12. 2017 20 Zraková dráha Z primární zrakové kůry dvě cesty: Kde dráha a Co dráha • Iluze osvětlení – světelná stálost Hnědá čokoláda za jasného dne odráží méně světla než papír za šera, ale stejně ji vnímáme jako tmavou. Automatické předpoklady našeho vnímání 11. 12. 2017 21 Biologické rytmy Rytmické děje jsou přirozenou součástí funkce organizmu. Předpovídají pravidelné změny bez ohledu na přechodné výkyvy denní nebo sezónní. Rytmické děje jsou přirozenou součástí funkce organizmu. Bez vnějších korelátů: nervové vzruchy, srdeční rytmus, dechový rytmus... 11. 12. 2017 22 Rytmické děje jsou přirozenou součástí funkce organizmu. Bez vnějších korelátů: nervové vzruchy, srdeční rytmus, dechový rytmus... Negativní zpětná vazba je zdrojem kmitů – regulace homeostázy. Rytmické děje jsou přirozenou součástí funkce organizmu. Bez vnějších korelátů: nervové vzruchy, srdeční rytmus, dechový rytmus... Negativní zpětná vazba je zdrojem kmitů. Rytmicita s vazbou na prostředí Cirkadiánní = asi 24 hod perioda 11. 12. 2017 23 S vnějšími koreláty: Synchronizátory (Zeitgebery): Silné, slabé 24 hodinové, lunární, anuální Bez synchronizace se vnitřní rytmus rozejde s vnějším. Jak se měří? Běhací kolo (mlýnek) 11. 12. 2017 24 Suprachiasmatické jádro a řízení motorické aktivity. Po vyřazení SCN se rytmus rozpadá Molekulární hodiny a zpětnovazebná smyčka synchronizovaná světlem. „Zeitgeber“ – synchronizátor, většinou fotosensitivní element 11. 12. 2017 25 Molekulární hodiny a zpětnovazebná smyčka synchronizovaná světlem. Timing to Perfection: The Biology of Central and Peripheral Circadian Clocks, DOI: 10.1016/j.neuron.2012.04.006 11. 12. 2017 26 Molekulární hodiny a zpětnovazebná smyčka synchronizovaná světlem. Clock-Bmal dimer aktivuje transkripci per a tim. TIM PER dimer tlumí transkripci per a tim Světlo rozbíjí TIM PER dimer prostřednictvím fotosensitivního CRY1 DROSOPHILA http://www.bio.tamu.edu/USERS/phardin/research.html Ve zpětnovazebné smyčce jsou pozitivními elementy transkripční faktory CLOCK and BMAL1. Ty dimerizují a iniciují transkripci genů Period a Cryptochrome. Negativní zpětná vazba je zajištěna PER:CRY dimery, které translokují zpátky do jádra, kde potlačují svou vlastní transkripci působením na CLOCK:BMAL1 komplex, kterému brání v dimerizaci. Jiná regulační smyčka je indukována CLOCK:BMAL1 heterodimery aktivujícími transkripci jaderných receptorů Rev-erbα a Rorα. REV-ERBα and RORα potom zpětně regulují Bmal1 promotor. MYŠ Cyklující faktory řídí transkripci regulačních Ccg genů. Ty zajišťují downstream efekty. 11. 12. 2017 27 Autoregulační smyčce trvá asi 24 hod ukončit cyklus a tvoří tak základ molekulárních hodin. Generování ∼24-h molekulárního rytmu je řízeno posttranslačními modifikacemi, jako je fosforylace a ubiquitinace. Tyto procesy významně přispívají k přesnosti savčích hodin tím, že ovlivňují stabilitu a obrat klíčových hodinových proteinů. 11. 12. 2017 28 T. Merbitz-Zahradnik, E. Wolf / FEBS Letters 589 (2015) 1516–1529 Centrální a periferní oscilátory Centrální a periferní oscilátory Circ. hodiny jsou v různých orgánech odpovědných za řízení metabolismu a pohybu. Master clock v SCN je synchronizuje. SCN a pineální orgán citlivé na světlo. 11. 12. 2017 29 Synchronizace světlem monitorovaným zrakem nebo i mimo zrakovou dráhu (pineální orgán) Význam hodin pro orientaci v prostoru Orientovat se podle Slunce, znamená znát přesný čas. Solární kompas využívali mořeplavci a využívají živočichové Chronobiologie Chronopatologie Pracovní výkon, učení soustředění, ale i účinnost léků závislá na denní době. Při konfliktu hodin nebezpečí poruch spánku (jet lag), příjmu potravy (obezita, diabetes), psychiky, onkologických poruch… Imbalanced and dysfunctional states can lead to diseases like metabolic syndrome, obesity, diabetes, cardiovascular disease, cancer, depression and sleep disorders. 11. 12. 2017 30 Příklady testovacích otázek ke zkoušce z Fyziologie živočichů http://www.sci.muni.cz/ksfz/texty/fyztest.htm Základnístudijní literatura:skripta Srovnávacífyziologie živočichů 1. Vysvětlete existenci klidového membránového potenciálu. Zmiňte roli K+ a Na+. Příklad správné odpovědi na plný počet bodů: Hlavní roli mají ionty Na+, K+, Cl- a intracelulární fixní anionty bílkovin. Klidový potenciál je asi –90mV. Příčiny vzniku: A) Elektrogenní Na/K pumpa čerpá 2 K+ dovnitř buňky a 3 Na+ ven. B) Propustnost membrány – Sodíková propustnost je nízká, zavřené kanály nedovolují Na+ vracet se do buňky. Elektrickái koncentrační síla působí vysokouhnací sílu sodíku. Draslíková propustnost je vysoká, jeho elektrická a protichůdná koncentrační síla se vyrovnávají – je blízko svému rovnovážnému potenciálu. 2. Popište děje při přenosu vzruchu mezi dvěma neurony přes synaptické spojení. Příklad správné odpovědi na plný počet bodů: AP dorazí na synaptický knoflík. Depolarizace způsobí otevření napěťově vrátkovaných Ca kanálů. Nárůst intracelulárního Ca2+ vyvolá přesun a exocytózu vezikul s mediátorem do štěrbiny synapse. Mediátor se naváže na receptory postsynaptické membrány. Zde se otevřou kationtové kanály (přímo nebo přes kaskáduG-protein – adenylát cykláza – cAMP). Vzniklá depolarizacezvyšuje pravděpodobnost vzniku nového AP na iniciálním segmentu. Mediátor je ze štěrbiny odstraněnenzymaticky nebo endocytózou. 3. Jaké jsou možné adaptační strategie živočichů na změnu vnějších podmínek? Charakterizujte je. Příklad správné odpovědi na plný počet bodů: A) Uteč. Např. migrace, diapauza, encystace. Zejména malé organizmy (relativně velký povrch) s měkkým tělem nemající izolační nebo regulační mechanizmy nemohou aktivně žít v nevhodném prostředí. B) Akceptuj. Zejména středně velcí s exoskeletem nemohou příliš regulovat vnitřní prostředí, ale mohou přežívat mimo optimum. C) Vyreguluj. Velcí živočichové mohou udržet konstantní optimální vnitřní prostředí. 4. Které hormony mohou ovlivňovat energetický metabolizmus. Jmenujte hlavní z nich, zmiňte místo sekrece a způsob působení. Příklad správné odpovědi na plný počet bodů: A) Trijodtyronin a Tyroxin ze štítné žlázy zvyšují oxidační děje v mitochodriích a tak i metabolizmus, proteosyntézu, zrání, růst. B) Somatotropin (růstový h.) z adenohypofýzy zvyšuje využívání lipidů a růst. C) Somatostatin z D buněk pankreasu snižuje využívání živin (tlumí sekreci inzulínu a glukagonu, resorpci ve střevě). D) Katecholaminy ze dřeně nadledvin mobilizují energetické rezervy, zvyšují svalový výkon. Podobně E) kortizol z kůry nadledvin.