Upozornění pro čtenáře a uživatele této knihy

Všechna práva vyhrazena. Žádná část této tištěné či elektronické knihy nesmí být reprodukována a šířena v papírové, elektronické či jiné podobě bez předchozího písemného souhlasu nakladatele. Neoprávněné užití této knihy bude trestně stíháno.

Prof. PharmDr. Petr Babula, Ph.D., prof. MUDr. Marie Nováková, Ph.D., a kolektiv

VYBRANÉ KAPITOLY Z FYZIOLOGIE

Hlavní autoři a editoři:

Prof. PharmDr. Petr Babula, Ph.D., Fyziologický ústav Lékařské fakulty Masarykovy univerzity v Brně

Prof. MUDr. Marie Nováková, Ph.D., Fyziologický ústav Lékařské fakulty Masarykovy univerzity v Brně

Autoři:

Doc. MUDr. Markéta Bébarová, Ph.D., Fyziologický ústav Lékařské fakulty Masarykovy univerzity v Brně

† Prof. MUDr. Pavel Bravený, CSc., Fyziologický ústav Lékařské fakulty Masarykovy univerzity v Brně

Ksenia Budinskaya, Ph.D., Fyziologický ústav Lékařské fakulty Masarykovy univerzity v Brně

MUDr. Zuzana Nováková, Ph.D., Fyziologický ústav Lékařské fakulty Masarykovy univerzity v Brně

Doc. MUDr. Milena Šimurdová, CSc., Fyziologický ústav Lékařské fakulty Masarykovy univerzity v Brně

Recenzenti: prof. MUDr. Bohuslav Ošťádal, DrSc.; prof. MUDr. Anna Vašků, CSc.

Vydání odborné knihy schválila Vědecká redakce nakladatelství Grada Publishing, a.s.

© Grada Publishing, a.s., 2022

Cover Design © Grada Publishing, a.s., 2022

Ilustrace na obálce (Einthovenův trojúhelník) prof. MUDr. Pavel Bravený, CSc.

Obrázky 3.1, 3.3 a 3.4 nakreslil Mgr. Jan Kacvinský, obrázky 3.5 a 3.6 nakreslila Jana Nejtková. Obrázek 6.1 pochází z fotobanky Depositphotos.com. Ostatní obrázky dodali autoři nebo je podle podkladů od autorů upravil a překreslil Jan Šístek.

Vydala Grada Publishing, a.s.

U Průhonu 22, Praha 7

jako svou 8475. publikaci

Odpovědná redaktorka Mgr. Viola Těšínská

Sazba a zlom Jan Šístek

Počet stran 168

1. vydání, Praha 2022

Vytiskla tiskárna TNM PRINT s.r.o., Nové Město

Názvy produktů, firem apod. použité v knize mohou být ochrannými známkami nebo registrovanými ochrannými známkami příslušných vlastníků, což není zvláštním způsobem vyznačeno.

Postupy a příklady v této knize, rovněž tak informace o lécích, jejich formách, dávkování a aplikaci jsou sestaveny s nejlepším vědomím autorů. Z jejich praktického uplatnění však pro autory ani pro nakladatelství nevyplývají žádné právní důsledky.

ISBN 978-80-271-4836-3 (ePub)

ISBN 978-80-271-4835-6 (pdf)

ISBN 978-80-271-2010-9 (print)

Seznam zkratek použitých v knize

ACTH

adrenokortikotropní hormon

ADH

antidiuretický hormon

ADP

adenozindifosfát

Ach

acetylcholin

AMH

antimülleriánský hormon

AMP

adenozinmonofosfát

ANT

adeninnukleotidtranslokáza

ATP

adenozintrifosfát

AV

atrioventrikulární

BMP

kostní morfogenní protein (bone morphogenetic protein)

BPG

bisfosfoglycerát

cADPR

cyklická adenozindifosfátribóza

CAMK

kalmodulin-dependentní kináza

cAMP

cyklický adenozinmonofosfát

CaSR

receptor pro vápenaté ionty (calcium-sensing receptor)

CD

cluster of differentiation

Cer

ceramid

cGMP

cyklický guanozinmonofosfát

CNG

vrátkovaný cyklickým nukleotidem (cyclic nucleotide-gated)

CNS

centrální nervový systém

CO 2

oxid uhličitý

CREB

cAMP response element-binding protein

CRH

kortikoliberin, hormon uvolňující kortikotropin (corticotropin-releasing hormone)

DA

Botallova dučej (ductus arteriosus Botalli)

DAG

diacylglycerol

DHEA

dehydroepiandrosteron

DHPR

dihydropyridinový receptor

DNA

deoxyribonukleová kyselina

DV

ductus venosus

ECF

extracelulární tekutina (extracellular fluid)

EGF

epidermální růstový faktor (epidermal growth factor)

ELDIF

epidermální faktor diferenciace lymfocytů

ER

endoplazmatické retikulum

ERF

efektivní refrakterní fáze

FGF

fibroblastový růstový faktor (fibroblast growth factor)

FO

foramen ovale

FSH

folikulostimulační hormon

GABA

kyselina gama-aminomáselná

GIT

gastrointestinální trakt

GnRH

gonadotropin (gonadotrophin-releasing hormone)

GSH

glutathion

GSSG

glutathiondisulfid

Hb

hemoglobin

HbA

hemoglobin dospělých

HbF

fetální hemoglobin

hCG

lidský choriový gonadotropin

hCS

lidský choriový somatomamotropin

HIF

faktor indukovaný hypoxií

HLA

lidský leukocytární antigen (human leucocyte antigen)

H 2S

sulfan (sirovodík)

I A

přechodný K + proud

I Ca-L

L-typ (long-lasting) Ca 2+ proudu

I Ca-T

T-typ (transient) Ca 2+ proudu

I f

nespecifický proud směřující do buňky, aktivovaný hyperpolarizací

I K1

K + proud pozadí

I K,Ach

K + proud citlivý vůči acetylcholinu

I K,ATP

K + proud citlivý vůči adenozintrifosfátu

I Kr

rychlá (rapid) složka opožděného K + proudu

I Ks

pomalá (slow) složka opožděného K + proudu

I Kur

velmi rychle se aktivující opožděný K + proud

I Na

Na + proud

I NaCa

proud doprovázející aktivitu Na +/Ca2+ výměníku

I to

přechodný K + proud z buňky (transient outward)

ICF

intracelulární tekutina

IFN

interferon

Ig

imunoglobulin

IGF

inzulinu podobný růstový faktor (insulin-like growth factor)

IL

interleukin

IP 3

inozitoltrifosfát

IP 3R

inozitoltrifosfátový receptor

KH

kyselina hyaluronová

LH

luteinizační hormon

MAPK

mitogenem aktivovaná proteinkináza

M-CSF

makrofág faktoru stimulujícího kolonie

MCU

mitochondriální Ca 2+ uniporter

MDN

maximální diastolické napětí

MHC

hlavní histokompatibilní komplex

miRNA

mikroRNA (malá nekódující RNA)

MITF

transkripční faktor spojený s mikrooftalmií (microphthalmia-associated transcription factor)

mNCX

mitochondriální Na +/Ca2+ výměník

mPTP

mitochondriální pór přechodné propustnosti

mRNA

mediátorová (informační) RNA

mRyR

mitochondriální ryanodinový receptor

MSH

hormon stimulující melanocyty

NAADP

adenindinukleotidfosfát kyseliny nikotinové

NAD

nikotinamidadenindinukleotid

NADPH

nikotinamidadenindinukleotidfosfát

NFAT

nukleární faktor aktivující buňky T

NMDA

N-metyl-D-aspartát

NMF

přírodní hydratační faktor (nature moisture factor)

NO

oxid dusnatý

OPG

osteoprotegerin

pCO 2

parciální tlak oxidu uhličitého

PCOS

syndrom polycystických ovarií

PGE 2

prostaglandin E 2

PI 3K

fosfatidylinozitol-3-kináza

PLC

fosfolipáza C

PMCA

plazmatická Ca 2+-ATPáza

PNS

periferní nervový systém

pO 2

parciální tlak kyslíku

POMC

proopiomelanokortin

PTH

parathormon

PTHrP

parathormonu podobný peptid

RANK

receptorový aktivátor nukleárního faktoru kapa-B (NF-κB)

RANKL

ligand receptorového aktivátoru nukleárního faktoru kapa-B

RDS

syndrom respirační tísně (respiratory distress syndrome)

RCH

dýchací řetězec

RNA

ribonukleová kyselina

RNS

reaktivní/volné dusíkaté radikály (reactive nitric species)

ROC

receptorem řízené vápníkové kanály

ROS

reaktivní/volné kyslíkové radikály (reactive oxygen species)

RyR

ryanodinový receptor

SA

sinoatriální

SALT

lymfoidní tkáň asociovaná s kůží (skin associated lymphoid tissue)

SC

stratum corneum

SERCA

Ca 2+-ATPáza endo-/sarkoplazmatického retikula

SG

stratum granulosum

SOC

zásobami řízené vápníkové kanály

S 1P

sfingozin-1-fosfát

SR

sarkoplazmatické retikulum

T reg

pomocný regulační lymfocyt T

Tc

cytotoxický lymfocyt T

TEWL

transepidermální ztráta vody

TGF-β

transformující růstový faktor (transforming growth factor) beta

Th

pomocný (helper) lymfocyt T

TNF

tumor nekrotizující faktor (tumour necrosis factor)

TRP

přechodný receptorový potenciál (transient receptor potential)

TSPO

translokátorový protein

UV

ultrafialový

VDAC

aniontový kanál závislý na napětí

VDR

receptor vitaminu D

VOC

napětím řízené vápníkové kanály

Předmluva

Každý učitel časem zjistí, že v jeho oboru existují témata, která se studentům hůře učí (nebo možná obtížněji chápou). Veden zdravou sebekritikou začne přemýšlet, zda je to jeho chyba, zda to není způsobeno tím, že dané téma neumí dobře vysvětlit, nedokáže studenty zaujmout nebo není schopen zvolit vhodnou formu komunikace. Občas takové úvahy vyústí v pokus sepsat vlastní text, který by při studiu těchto témat pomohl. Také naše pohnutky k vytvoření souboru úvah na vybraná témata z lékařské fyziologie vycházely z požadavků studentů na straně jedné a z našeho pocitu, že při zkoušení narážíme u určitých témat na stále stejné problémy, na straně druhé. Nejde ani tak o neschopnost studentů naučit se detaily nebo naproti tomu i složité koncepty, spíše jde o nedostatek nadhledu a schopnosti hledat ve spleti informací sjednocující prvky, klíčové struktury a funkce a vzájemné vztahy.

Tato kniha je souborem textů, které sepsali učitelé Fyziologického ústavu Lékařské fakulty Masarykovy univerzity v Brně. Jednotlivé kapitoly se zabývají tématy, která jsou dle našeho názoru trochu opomíjena či nedostatečně zdůrazňována v klasických učebních textech. Snažíme se na tato témata dívat jiným způsobem, z jiného úhlu pohledu. Původním záměrem bylo ponouknout čtenáře k přemýšlení v širších souvislostech, některé texty ovšem nakonec vyznívají přece jen spíše „klasicky“ edukativně. Jednotlivé kapitoly tak odrážejí různorodost přístupů k výuce i k vytváření výukových pomůcek, která vždy charakterizuje vysokoškolské tvořivé prostředí.

Určitým sjednocujícím činitelem tohoto souboru textů měl být prof. MUDr. Pavel Bravený, CSc., dlouholetý vynikající fyziolog a skvělý učitel, jehož profesní kariéra byla s Fyziologickým ústavem LF MU spojena po více než půl století. Ti, kdo ho znali a měli možnost s ním pracovat, oceňovali jeho úžasnou schopnost postihnout v daném tématu to klíčové a vyjádřit to jak slovně, tak případně i grafickou či jinou názornou formou. Pan profesor nás bohužel opustil ve fázi diskuzí o této knížce, v době, kdy se jednotlivé texty této knihy teprve začínaly rodit. Ještě stihl sepsat krátký úvod, v kterém shrnul výsledky našich rozhovorů o tom, jak by tato knížka měla vypadat a k čemu by měla sloužit. Staršími texty a diskuzemi přispěl především k prvním dvěma kapitolám této knihy.

Nezbývá nám než doufat, že – jak bylo naším hlavním úmyslem – čtenáře tyto texty přimějí k zamyšlení nad smyslem popisovaných dějů a vzbudí jejich zvědavost do té míry, že si aktivně některé části fyziologie prostudují detailněji v klasických učebnicích, kterých je na trhu dostatek.

Za kolektiv autorů Marie Nováková a Petr Babula

Pár slov úvodem

Když dychtivý student poprvé otevře učebnici fyziologie, je nejspíš ohromen rozsahem předkládaných vědomostí a představou, že by se to všechno měl naučit. Nejspíš se nenaučí. V záplavě údajů a dat je hlavní a podstatné porozumět principům, smyslu a významu fyziologie, oboru pro medicínu klíčového. Budoucí lékař s ním bude ve styku po celý život.

Lékařská fyziologie ve svém vývoji vycházela z anatomie, jíž dala nový rozměr: tvaru přidala funkce, tedy děj, pohyb, zkrátka život. Rozdíl mezi anatomií a fyziologií vypadá jako rozdíl mezi dokonalou sbírkou hudebních nástrojů a koncertem vyspělého orchestru.

Od počátku se fyziologie představovala jako obor experimentální, exaktní, opřený o fakta. Těžila z (bio)fyziky, (bio)chemie, ze spřízněné biologie a v poslední době nadšeně srůstá i s genetikou. Fyziologie má normativní charakter. To znamená, že lékař vždy hodnotí funkční poruchu jako odchylku od zdraví, tedy od normy, kterou musí nejdřív poznat právě studiem fyziologie (stejně jako studiem anatomie).

Od „úsvitu“ fyziologie jsou jejím objektem funkce a poruchy různých orgánů; medicína se pak jimi začala jednotlivě zabývat. Časem se ukázalo, že každý orgán je složen z celé řady různých tkání s různou funkcí a tkáně jsou zase tvořeny velkým počtem buněk. Moderní ultramikroskopy dokázaly, že každá buňka je malý živý svět molekul. Fyziologie postupně objasňovala nejen funkce orgánů, nýbrž také jednotlivých tkání, buněk a jejich organel.

Naproti analytickému postupu poznání od jednotlivých orgánů k buňkám se musel nezbytně objevit i postup syntetický. Vychází z poznatku, že jednotlivé orgány a jejich komponenty nejsou sobecké, ale spolupracují, podporují se a pomáhají si. Vytvářejí se tak funkční systémy, jako například kardiovaskulární (k němuž patří i plíce), gastrointestinální, urogenitální, endokrinní, motorický, systém tělesných tekutin atd. a nade všemi nejkomplikovanější a nejdokonalejší systém nervový. A vždy ty systémy pracují pospolu a řízeně (jako zmíněný orchestr), tvoříce organismus. Je to jeden ze zázraků přírody.

Bezprostřední podmínkou pro životní děje je nejen přiměřená dodávka energie, ale též trvalý objem a složení tělesných tekutin, obsah kyslíku v krvi a tělesná teplota. Stabilita těchto veličin – homeostáza – se udržuje celkem snadno v klidu, když se nic neděje. Ovšem každý tvor se kromě doby hlubokého spánku a odpočinku pohybuje, shání potravu, prchá před nepřítelem, bojuje a zuří (dnešní člověk ještě k tomu těžce pracuje a pěstuje nejrůznější sporty). Tehdy nároky na udržení životních podmínek mnohonásobně vzrostou. Musí to řešit celý roj regulačních mechanismů. K těm základním, automatickým regulacím buněčným, které udržují homeostázu v první linii, přibudou regulace mnohem náročnější, sofistikovanější – nervové a humorální (endokrinní). Až zvýšené nároky organismu pominou, regulační systémy se podle potřeby jednotlivých komponent postupně navracejí do klidového stavu. Takové řídicí systémy nejsou specifické jen pro tělesnou námahu a stres. Například potřebu probudit náročnou regulaci funkcí způsobí také vychýlení zažívacího traktu hladem nebo (častěji) přejedením. Je zřejmé, že fyziologické regulace a autoregulace mají při vší mnohotvárnosti společný cíl či smysl: vyhovět při zátěži nárokům organismu jako celku ve všech složkách, ale udržet přitom rovnováhu vnitřního prostředí, a to s maximální úsporností. To, že celý systém dokonale pracuje, je výsledek evoluce od jednoduchých forem života k člověku.

Mezi integrovanými systémy nalezneme jeden poněkud opomíjený, ale stejně důležitý. Je to obrana organismu. Jednoduchým příkladem je obrana kůže proti přílišnému slunečnímu záření zvýšenou pigmentací. Obranou proti chladu (ale též proti ohrožení) je u člověka už jen rudimentární naježené ochlupení. Komplexní obrana je zřejmá na změně krevního toku v podkožních kapilárách. Obranu známe též v prostoru tracheálním a bronchiálním (který není ani vnější, ani vnitřní), kde řasy odstraňují drobné cizí částice. Ty větší odstraní reflexně kašel. Podobný je prostor trávicí trubice, chráněné na jedné straně zvracením a na druhé průjmem. Ovšem daleko významnější je obrana vnitřní, extracelulární, obsáhle studovaná a do hloubky již poznaná jako imunita. Je to – stručně řečeno – boj organismu s bakteriemi, viry a mutovanými buňkami, například nádorovými. V principu cizorodý, organický element – antigen – začne produkovat protilátky proti vetřelcům, a tak je likviduje. Bitva, zpravidla úspěšná, se odehrává na mezibuněčném poli. Zbraněmi jsou makrofágy a celá armáda lymfocytů. Existuje však také imunita vrozená, uskladněná již v genomu. Imunita je stále ve střehu a plnou silou vyráží až při útoku antigenů. Těmito procesy se sice již zabývá samostatný, prudce se rozvíjející obor, imunologie, ale povstaly z fyziologie.

Základní veličina dějů je čas. V lidském organismu se všechny děje odehrávají od milisekundových elektrických signálů přes sekundové, jako je srdeční rytmus, a denní, cirkadiánní rytmy až po děje celoživotní. I ty patří do fyziologie. Lidský život má své vyhraněné etapy, kritické periody, zpravidla ohraničené vývojovými skoky. Nejnápadnější a nejdivočejší vývojový skok je narození. Během několika sekund se novorozenci rozepnou plíce, začne dýchat a úplně se přestaví krevní oběh. Během několika dnů se změní výživa dítěte, když matčinu krev nahradí její mléko. Další významný vývojový skok (i když poměrně pozvolný) představuje přechod z tekuté stravy na tuhou výživu zcela jiného složení. V druhém decenniu se probudí plejáda reprodukčních hormonů a rozpoutá se divoká puberta. Do té doby němé hormony přemění děti ve fyzicky dospělé lidi. Kdysi se mělo za to, že dítě je prostě zmenšený dospělý. Pochopení toho, že dítě je úplně jiný člověk než dospělý, dalo vzniknout před téměř sto lety pediatrii.

Pro velkou část dospělého života se kritické periody týkají především žen. Po všech stránkách je změní těhotenství, porod i laktace. Žena se dočasně změní nejen fyzicky, ale i psychicky tím, že se stává matkou. Všechno to má „na svědomí“ hormonální přestavba. Poslední vývojový skok je přechod, menopauza, opět podstatně význačnější u žen, způsobená vyhasnutím tvorby reprodukčních hormonů (u mužů má změny v tomto věku „na svědomí“ spíš náhlý přechod do důchodu).

Všem funkčním systémům je nadřazena soustava nervová, jmenovitě mozek. Je to orgán tvořený miliardami buněk (neuronů), houští přejemných sítí a množstvím gliových buněk. Fylogeneze mozku ukazuje vývoj od primitivních oblastí, které od úsvitu historie ovládají vegetativní (autonomní) nervový systém. Mnohem rozsáhlejší jsou mozkové oblasti motorické, které řídí pohyby kosterních svalů, od siláckých po ty nejjemnější na prstech klavíristovy ruky. Nejvyšší etáž mozkových struktur, fylogeneticky nejmladší, je v mozkové kůře. Zde se zpracovávají signály a informace všeho druhu, jak ty vnější smyslové (zrakové, sluchové, čichové), tak ze všech oblastí těla (bolest, teplota, hmat, pohyby svalů), a vysílají se do cílových efektorů. Lidský mozek pracuje velmi podobně jako nejvýkonnější počítače, ale nesrovnatelně dokonaleji. Příslušná centra mozkové kůry již byla obrovským úsilím vědců v podstatě zmapována, a to včetně oblastí, kde se rodí komunikace, učení, paměť, kde se formují myšlenky, city, odpovědnost, přátelství, pravda (a bohužel i lež). Zatím jen víme, že tyto mozkové oblasti existují a věda má ještě mnoho co zkoumat.

Lékařská fyziologie je věda o dění ve zdravém, tedy normálním organismu. Má jasný, důležitý smysl a poslání. Musí neustále přihlížet k tomu, že je východiskem k pochopení nemoci. Nemůže být proto samolibá, uspokojená jen úžasnými vědeckými objevy. Fyziologie, obor zdánlivě čistě teoretický, má i druhou, velmi zřetelnou lidskou stránku.

Pavel Bravený

Kapitola 1

REGULACE A ADAPTACE

Marie Nováková

Aříká jedna buňka druhé…

Lidský organismus je mnohobuněčný, vysoce organizovaný systém. Jednotlivé parametry charakterizující jeho funkce musí být neustále korigovány, respektive jejich hodnoty udržovány vrámci určitého rozmezí. Ktomu slouží poměrně složitý komplex fyziologických regulací. Ještě než se ale budeme věnovat možnostem regulace vživých systémech, je nutné trochu se zaměřit na terminologii.

Pojem regulace bývá totiž často zaměňován za pojem řízení. Je to ale velmi nesprávné. Vpřípadě regulace je známa žádoucí hodnota regulovaného parametru aaktuální hodnota je stouto hodnotou neustále porovnávána. Následná regulace je reakcí na aktuální situaci scílem přiblížit hodnotu parametru zpět kžádoucí hodnotě. Vpřípadě řízení je vyslán signál ke změně určitého parametru bez ohledu na to, jaká je jeho aktuální hodnota.

Rozdíl mezi řízením aregulací si můžeme vysvětlit na konkrétním příkladu – na změnách srdeční frekvence. Na začátku fyzické aktivity (či dokonce ještě před jejím započetím vrámci tzv. anticipační reakce) sympatický nervový systém uplatní svůj pozitivně chronotropní (frekvenci zvyšující) vliv bez ohledu na to, jaká je aktuální hodnota srdeční frekvence. Jde tedy otypický příklad řízení. Na druhou stranu zvýšení srdeční frekvence při ortostatické reakci, kdy při změně polohy těla zlehu nebo sedu do stoje náhle poklesne krevní tlak, je ilustrativním příkladem regulační odezvy parametru (srdeční frekvence) na změnu jiného parametru (krevního tlaku). Regulačním okruhem je vtomto případě baroreflex.

Proč otom vlastně mluvit?

Souhrnnou kapitolu oregulacích všech fyziologických funkcí vučebnicích fyziologie vpodstatě nelze nalézt. Neznamená to ovšem, že by to byla kapitola málo významná či dokonce zcela nevýznamná. Právě naopak. Regulace rozmanitých funkcí od molekulární úrovně až po úroveň celého organismu hrají zásadní úlohu ve fyziologii av medicíně představují klíčové téma pro pochopení dějů vlidském organismu. Selhání těchto principů totiž vede ktzv. dysregulaci, která má za následek dysbalanci vdaném parametru či funkci ačasto vede až konemocnění. Celá patologická fyziologie je vpodstatě založená na studiu avysvětlení dysregulací, přičemž jejich důkladné pochopení nám otevírá nové diagnostické možnosti apopřípadě umožňuje vhodně terapeuticky zasáhnout. Vtéto kapitole vkrátkém přehledu shrneme obecné principy fyziologických regulací apozastavíme se uněkterých jejich zajímavých aspektů.

Především je třeba zdůraznit, že principy regulací vživých systémech (vše, očem zde hovoříme, platí pro celou živočišnou říši, na jejímž pomyslném vrcholu stojí člověk) jsou vpodstatě stejné jako regulace vtechnických oborech. Předmět, který se zabývá regulacemi obecně, se nazývá kybernetika azjednodušeně lze říct, že studuje automatické řídicí systémy. Biokybernetika pak studuje tuto problematiku vživých systémech, zabývá se především srovnáním nervového systému smechanicko-elektronickými komunikačními systémy. Vlastnosti regulačních ajiných biokybernetických systémů představují funkční rezervy organismu ve vztahu kproměnlivým podmínkám jeho existence. Výstupy zbiokybernetických studií amodelování slouží především vintenzivní medicíně, při tvorbě reanimačních programů av „zátěžové“ medicíně (například kosmická medicína, vysokohorská adaptace, potápění).

Ikdyž by se mohlo zdát, že studium regulací je záležitost relativně recentní – vždyť kybernetika jako věda se etablovala až vpolovině dvacátého století –, opak je pravdou. První fyziologická regulace na základě negativní zpětné vazby byla studována již před více než půldruhým stoletím – vroce 1868 Hering aBreuer popsali reflexně podmíněnou ochranu plic před nadměrnou inspirací, když zjistili, že naplnění plic inhibuje neurony n. phrenicus.

Vraťme se nyní na začátek našich úvah, do úvodu této kapitoly, auvědomme si, proč jsou vlastně regulace vnašem organismu nezbytné. Je tomu tak proto, že živé systémy, člověka nevyjímaje, jsou systémy otevřené. Čile si sokolím vyměňují látky, energie (třeba teplo) ainformace. Jedná se okontinuální, obousměrný tok, který má za následek neustálé vychylování vnitřního prostředí živého systému zrovnováhy, tzv. homeostázy.

Homeostáza, nebo též stálost vnitřního prostředí, je udržována jak pasivními, tak aktivními procesy. Obvykle máme na mysli stálost určitých parametrů vtělesných tekutinách, přesněji řečeno vextracelulárním kompartmentu. Vužším slova smyslu lze homeostatické principy vysledovat iv dalších kompartmentech, tedy kromě extracelulárního prostoru také vprostoru intracelulárním, vkompartmentech představovaných jednotlivými organelami apod. Neustálé změny vnitřního prostředí jsou způsobeny interakcí svnějšími vlivy (např. změny tělesné teploty vprostředí svyšší či nižší teplotou, příjem potravy apod.), vlivy vnitřními (např. metabolické děje) nebo kombinací obojího (např. fyzická aktivita).

Obecně lze tedy shrnout, že systém fyziologických regulací slouží kzajištění homeostázy, tedy kudržení regulované proměnné ve vnitřním prostředí vrozmezí kompatibilním se životem. Druhým – neméně významným – úkolem fyziologických regulací je redukce šumu během přenosu informací ve fyziologických systémech (ašum vzniká vždy, to je třeba mít na paměti – zde opět vidíme obdobu stechnickými obory, kde problematika odstranění šumu ze signálu patří kčasto diskutovaným tématům).

Každou veličinu, která je vživém systému regulována, lze charakterizovat několika parametry: žádoucí hodnota, minimální amaximální fyziologická hodnota, minimální amaximální neletální hodnota aminimální amaximální letální hodnota. Ikdyž některé znich jsou uváděny vsoučasných doporučeních odborných společností as odkazem na ně léčíme pacienty (například „normální“ hodnoty glykemie), jedná se ohodnoty spíše orientační. Nelze totiž pominout interindividuální variabilitu, která vysvětluje, proč je například pro některého jedince určitá hodnota daného parametru již letální apro jiného ještě ne.

Aby mohla být veličina regulována, musí být vregulačním okruhu umístěný senzor, který detekuje aktuální hodnotu proměnné. Ta je pak porovnávána stzv. set-pointem, tedy žádanou hodnotou, které by mělo být regulací dosaženo. Takto je vživých systémech regulována řada veličin klíčových pro udržení homeostázy – z„jednoduchých“ veličin je to například tělesná teplota (senzorem jsou zde centrální aperiferní termoreceptory), zveličin komplexnějších například krevní tlak (senzorem jsou zde baroreceptory ve stěně elastických arterií). Do regulačních okruhů ovšem často vstupují také informace zdalších systémů (například detekce bolesti při dotyku shorkým či velmi studeným povrchem) atyto informace celý systém modulují. Arozhodně platí, že žádný reálný regulační okruh nereguluje ideálně. Je nutné, aby si čtenář uvědomil, že živý organismus je mnohem komplexnější než nejdokonalejší kybernetické modely aže algoritmy, využívané biokybernetikou kpopisu regulačních okruhů vživých systémech, nemohou nikdy dokonale abeze zbytku postihnout realitu. Jinak řečeno – sebelepší matematický model nikdy stoprocentně neodpovídá reálné situaci vživém organismu.

Základem většiny regulací je negativní zpětná vazba: změna na výstupu regulované veličiny ovlivní její vstup vopačném smyslu (tedy zvýšení na výstupu bude mít za následek snížení na vstupu anaopak). Výsledkem regulace daného parametru tedy je, že odchylka tohoto parametru od žádoucí hodnoty detekovaná jako přebytek se utlumí anedostatek se naopak doplní. Negativní zpětná vazba tedy vpodstatě kompenzuje odchylku regulované veličiny od žádané hodnoty, jinými slovy minimalizuje rozdíl mezi skutečnými hodnotami regulované veličiny ahodnotou žádanou. Základní vlastností všech negativních zpětných vazeb je, že indukují oscilace regulovaného parametru. Vysvětlení tohoto jevu je jednoduché – nějakou dobu trvá, než systém detekuje aktuální hodnotu parametru anásledně zareaguje. Vdůsledku tohoto malého zpoždění aktuální hodnota regulovaného parametru lehce překročí set-point, čímž se aktivuje opačný děj, vedoucí kmenší výchylce opačným směrem, atak to jde až do okamžiku, kdy se aktuální hodnota regulovaného parametru dostane do jeho fyziologického rozmezí (jinak řečeno co nejblíže kset-pointu). Oscilace hodnoty regulovaného parametru obvykle nejsou pozorovatelné, alespoň ne běžnými přístupy, používanými například vklinické praxi. Pokročilé metody analýzy průběhu různých funkcí (EKG, kontinuální záznam krevního tlaku apod.) ovšem odhalí ijemné oscilace vhodnotě regulovaného parametru či funkce. Neobvykle dlouhé zpoždění vregulačním okruhu může vést až kextrémním oscilacím daného parametru či funkce. Je jasné, že vtakové situaci hrozí ztráta regulační schopnosti.

Zpětná vazba může existovat ve dvou podobách – jednoduché (té se také někdy říká přímá) asložité (nepřímé). Zpětná vazba nemusí stát osamoceně, naopak může být ačasto také bývá více zpětných vazeb spojeno dohromady, ato buď vsérii, nebo paralelně (obr. 1.1).

Obr. 1.1 Typy zpětných vazeb azpůsoby jejich zapojení

Typickým příkladem jednoduché zpětné vazby je regulace produkce hormonu podle změny vchemickém složení krve, vyvolané hormonem – regulace kalcemie kalcitoninem, regulace glykemie hormony endokrinního pankreatu nebo regulace osmolality plazmy antidiuretickým hormonem. Zjednodušeně lze říci, že vtěchto regulačních okruzích jsou zapojeny ty žlázy svnitřní sekrecí, které nepodléhají hypofyzární regulaci.

Složité zpětné vazby se naopak uplatňují užláz shypofyzární regulací, přičemž regulačním faktorem je buď samotná plazmatická koncentrace hormonu vylučovaného danou žlázou, nebo koncentrace hormonu vylučovaného hypofýzou. Jako příklad složité zpětné vazby můžeme uvést regulaci vyplavování glukokortikoidu kortizolu: ten negativní zpětnou vazbou tlumí sekreci jak hypofyzárního adrenokortikotropního hormonu (ACTH), tak hypotalamického kortikoliberinu (CRH). Zde se jedná odvě jednoduché zpětné vazby zapojené paralelně. Navíc se knim druží ještě jedna jednoduchá negativní zpětná vazba, ato mezi adenohypofýzou ahypotalamem – ACTH tlumí vyplavování CRH.

Obdobné schéma složitých negativních zpětných vazeb vidíme také ugonadálních steroidů umužů (testosteron, inhibiny, aktiviny), které tlumí obě gonádám nadřazené struktury, tedy hypotalamus aadenohypofýzu. Užen je situace komplikovanější: negativní zpětnovazebné tlumení produkce řídicích hormonů vose hypotalamus-adenohypofýza-vaječníky se děje na několika úrovních. Zatímco aktiviny ainhibiny uplatňují svůj tlumivý efekt pouze na adenohypofýzu (tedy jednoduchá negativní zpětná vazba), estrogeny aprogestiny působí jak na adenohypofýzu, tak na hypotalamus. Aaby to bylo ještě komplikovanější, jejich efekt může být ipozitivní – ale otom až později.

Jak již bylo řečeno, fyziologické regulace se odehrávají na všech úrovních organismu amají pestrý obraz. Vzásadě je lze rozdělit na regulace systémové aregulace lokální.

Systémové regulace

Komplexní děje probíhající vživém systému jsou zajištěny regulacemi systémovými. Jedná se například ozabezpečení funkce orgánových systémů (gastrointestinálního traktu, kardiovaskulárního systému apod.) nebo oudržování tělesné teploty (ta sama osobě představuje jednoduchý parametr, jehož změna je relativně jednoduše detekována, ale je neustále vychylována celou škálou procesů aodpověď organismu na toto vychýlení je velmi různorodá, zahrnující řadu efektorových systémů). Tyto „velké“, „celotělové“ regulace mohou být realizovány dvěma způsoby – regulací nervovou aregulací endokrinní (pomocí hormonů).

Nervová regulace je uskutečňována především vegetativním (autonomním) nervovým systémem. Zvýšené nároky na řadu funkcí organismu při zátěži různého typu (například fyzická aktivita, stres) zohledňuje aktivační sympatický systém (systém adrenergní). Často bývá také nazýván systémem ergotropním (tedy „ten, kdo se stará oorganismus vdobě, kdy pracuje“). Systém parasympatický, cholinergní (někdy označovaný jako systém trofotropní, snadsázkou řečeno „ten, kdo se stará oorganismus vdobě, kdy tráví“) má funkci opačnou, tlumivou, tedy zklidnění anávrat kvýchozímu stavu. Oba systémy fungují vurčité rovnováze – pokud jeden zvýší svůj tonus, druhý je utlumen, anaopak. Velmi dobře je tato situace patrná například při regulaci mechanické aktivity gastrointestinálního traktu. Porušení této rovnováhy vede ktzv. vegetativní dysbalanci (neurovegetativní dystonii) spestrou škálou příznaků (různé formy dysmotility gastrointestinálního traktu, neurovegetativní synkopy atd.).

Přenos informace vnervovém systému obecně se děje pomocí akčních potenciálů. Vznikají podle zákona „vše nebo nic“ vexcitabilních buňkách, tedy vtakových buňkách, které jsou – na základě různých podnětů – schopné excitace, tj. jsou schopné odpovědět na podnět depolarizací avznikem akčního potenciálu. Základní podmínkou pro takovou signalizaci je semipermeabilní membrána, vybavená specifickými iontovými kanály afunkční Na+/K+-ATPázou, na které je díky výše zmíněným skutečnostem udržováno klidové membránové napětí. Právě jeho vychýlením dochází ke vzniku akčního napětí jako základní jednotky informace vexcitabilních tkáních. Informace je poté „zakódována“ do frekvence vznikajících akčních potenciálů (jak již bylo zmíněno, akční potenciál vzniká podle zákona „vše nebo nic“, kódování pomocí změny amplitudy akčního potenciálu zde tedy nepřichází vúvahu). Analogii tohoto způsobu kódování apřenosu informace vidíme voblasti technických věd vbinárních systémech využívaných vpočítačové vědě – jeden bit představuje akční potenciál vživém systému (zjednodušeně řečeno: nula – jedna, klidový potenciál – akční potenciál).

Další možnost systémové regulace představuje regulace humorální, tedy prostřednictvím chemických látek. Vprůběhu evoluce se tento typ přenosu informací rozvinul do několika úrovní analézáme ho vživočišné říši již upoměrně jednoduchých organismů. Místo elektrických signálů – akčních potenciálů – se informace přenášejí chemickými působky, které fungují jako signální molekuly. Informace je tedy zakódována vchemické struktuře daného působku. Je pochopitelné, že tyto regulace jsou významně pomalejší než regulace nervové. Humorální způsob přenosu informace je fylogeneticky starší než přenos nervový – ten totiž vyžaduje existenci specializovaných buněk/tkání (excitabilních), případně vytvoření specializovaného systému – centrální aperiferní nervové soustavy. Vjisté podobě (často primitivní ve srovnání stím, co nacházíme například usavců) vidíme takové struktury iu nižších živočichů, nicméně určitou formu humorální komunikace lze jednoznačně nalézt již utěch nejjednodušších organismů.

Vzhledem ktomu, že tvorba hormonů není výsadou živočichů – každá rostlinná buňka je schopná tvořit hormon či hormony – je vsoučasnosti hormon definován jako látka organického původu, tvořená rostlinami nebo živočichy, která se účastní regulace fyziologických funkcí audržení homeostázy. Jiná definice říká, že hormon je biologická látka využívaná multicelulárními organismy korganizaci, koordinaci aregulaci funkcí vjejich buňkách atkáních, přičemž tyto látky mohou regulovat cokoli od metabolismu až po chování.

Obr. 1.2 Typy humorální signalizace vživých systémech

Integrace regulačních systémů na systémové úrovni

Lokální regulace

Autoregulace síly stahu srdečního svalu

Vápník ačas: spojenci, či konkurenti?

Nic není tak jednoduché… hormon putuje ahledá svůj cíl

Negativní vs. pozitivní zpětná vazba – konkurenti, či spolupracovníci?

Kdy, kde aproč regulujeme – nebo nejen to?

Co říci závěrem?

Doporučená literatura

Table of Contents

Seznam zkratek použitých v knize

Předmluva

Pár slov úvodem

Kapitola 1 - Regulace a adaptace

A říká jedna buňka druhé…

Proč o tom vlastně mluvit?

Systémové regulace

Integrace regulačních systémů na systémové úrovni

Lokální regulace

Autoregulace síly stahu srdečního svalu

Vápník a čas: spojenci, či konkurenti?

Nic není tak jednoduché… hormon putuje a hledá svůj cíl

Negativní vs. pozitivní zpětná vazba – konkurenti, či spolupracovníci?

Kdy, kde a proč regulujeme – nebo nejen to?

Co říci závěrem?

Doporučená literatura