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

Prof. MUDr. Josef Petřek, CSc.

ZÁKLADY FYZIOLOGIE ČLOVĚKA
pro nelékařské zdravotnické obory

Autor:
Prof. MUDr. Josef Petřek, CSc.

Recenzent:
Prof. MUDr. Zdeněk Jirák, CSc.

© Grada Publishing, a.s., 2019
Cover Photo © depositphotos.com, 2019

Vydala Grada Publishing, a.s.
U Průhonu 22, Praha 7
jako svou 7224. publikaci
Odpovědná redaktorka Mgr. Ivana Podmolíková
Sazba a zlom Karel Mikula
Formát ePub Štěpán Böhm
Obrázky v knize dodal autor.
Počet stran 168 + 4 strany barevné přílohy
1. vydání, Praha 2019
Vytiskly Tiskárny Havlíčkův Brod, a.s.

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 978-80-271-2808-2 (ePub)
ISBN 978-80-271-2807-5 (pdf)
ISBN 978-80-271-2208-0 (print)

1Obecný a buněčný základ fyziologie člověka

1.1Funkční uspořádání těla

Lidský organismus představuje jednu z nejsložitěji uspořádaných forem živé hmoty. Základní stavební a funkční jednotkou těla je živočišná buňka, která je nositelkou všech životních funkcí.

Základní životní funkce

■metabolismus – souhrn všech chemických reakcí probíhajících v těle, které umožňují organismu vytvořit potřebné látky, vzájemně je přeměňovat a uvolňovat z nich energii

■dráždivost – schopnost zachycovat změny zevního a vnitřního prostředí a reagovat na ně

■hybnost – schopnost pohybu celého těla či jeho jednotlivých částí

■růst – zmnožení a zvětšování buněk tvorbou nové živé hmoty

■reprodukce – vývoj nového jedince z vajíčka oplozeného spermií

Soubor buněk stejného tvaru, původu a stejné hlavní funkce tvoří tkáně.

Běžně rozlišujeme pět typů tkání: [1] epitely, [2] tkáně pojivové, [3] tkáně svalové, [4] tkáň nervovou a [5] zvláštní tekutou tkáň, kterou představuje krev a lymfa.

Více tkání tvoří orgán s určitou strukturou a funkcí. Orgán obvykle plní více funkcí, avšak jeho hlavní funkci často určuje jen jedna z tkání, které jej vytvářejí.

Orgány s jednotlivými dílčími funkcemi se spojují v orgánovou soustavu či funkční systém, který slouží vyšší společné funkci.

Fyziologie je funkční věda, která zkoumá a vysvětluje činnost organismu, tj. zabývá se aktivitou jeho funkčních systémů.

■Analyzuje jejich aktivity, vzájemnou spolupráci, a snaží se tak odhalit, jak každý z nich přispívá k činnosti organismu jako celku.

■Stranou jejího zájmu nezůstávají ani složité vztahy mezi organismem a neustále se měnícím prostředím, které jej obklopuje a v podstatě určuje jeho životní podmínky.

1.1.1Tělní tekutiny

Každou buňku v lidském těle obklopuje vrstvička intersticiální tekutiny (vnitřní prostředí), z níž buňka přijímá živiny a odevzdává do ní zplodiny vznikající při jejich přeměně. V důsledku těchto aktivit buňky se mění složení intersticiální tekutiny – např. pH, teplota, osmolarita, pO2, pCO2, hladina energetických substrátů apod. – jednotlivé proměnné se tak odchylují od běžných hodnot a v některých situacích se mohou jednotlivé veličiny vychýlit i mimo přípustný interval.

Relativní stálost prostředí1, v němž buňky žijí, je však podmínkou nezbytnou pro jejich existenci a fungování. Je proto třeba narušenou rovnováhu vnitřního prostředí neustále obnovovat, tj. udržovat dynamickou rovnováhu vnitřního prostředí, udržovat homeostázu.

Homeostatické mechanismy (regulační procesy na principu zpětných vazeb) odchylky proměnných od přípustných hodnot tlumí, popř. kompenzují, a umožňují tak organismu se na změny adaptovat. Jinými slovy homeostatické mechanismy zajišťují optimální životní podmínky pro všechny buňky, orgány a funkční soustavy a pro organismus jako celek.

Pojem homeostáza v širším slova smyslu zahrnuje nejen mechanismy udržující dynamickou rovnováhu vnitřního prostředí, ale také soubor fyziologických mechanismů, jež slouží k obnovení normálního stavu organismu, pokud byl narušen působením nejrůznějších změn v prostředí, ve kterém organismus žije.

Druhy a objemy tělních tekutin

Intersticiální tekutina (tkáňový mok) spolu s tekutinou uvnitř cév (plazmou) tvoří extracelulární tekutinu (ECT). Tekutina uložená v buňkách reprezentuje intracelulární tekutinu (ICT). Součet obou představuje celkovou tělesnou vodu (CTV), která u dospělého muže činí zhruba 60 %, u ženy 50 % jejich tělesné hmotnosti (tab. 1.1).

Tab. 1.1 Rozložení tělních tekutin u dospělého muže (hmotnost 70 kg)

celková tělesná voda

60 % tělesné hmotnosti

42 litrů

extracelulární voda

20 % tělesné hmotnosti

14 litrů

krevní plazma

5 % tělesné hmotnosti

3,5 litru

tkáňový mok

15 % tělesné hmotnosti

10,5 litru

intracelulární voda

40 % tělesné hmotnosti

28 litrů

Složení tělních tekutin

Selektivní propustnost cytoplazmatické membrány pro jednotlivé ionty je příčinou rozdílného složení ICT a ECT (tab. 1.2). Obecně lze říci, že hlavními ionty v ECT jsou Na+ a Cl–. Naproti tomu v ICT je to K+, který je zde nashromážděn v koncentraci mnohonásobně větší než v ECT. Kromě K+ jsou v ICT přítomny také organické ionty, jejichž přesné složení není zatím známo.

Základní mechanismy, které udržují relativně stálé složení ICT, reprezentuje difuze, osmóza a aktivní transport. Naproti tomu relativně stálé složení ECT je podmíněno těsnou součinností systému nervového a endokrinního se systémem kardiovaskulárním, dýchacím, trávicím a vylučovacím.

Tab. 1.2 Vybrané charakteristiky ECT, ICT a hodnota rovnovážného potenciálu pro daný iont2

Proměnná

ICT (mmol/l)

ECT (mmol/l)

Rovnovážný potenciál

Na+

15

140

58

K+

135

4

–92

Ca2+

2 × 10–4

4

129

Cl–

4

120

–89

HCO3–

10

24

–23

HPO42–

20

4

SO42–

4

1

bílkoviny, aminokyseliny, močovina a další

152

1

1.1.2Živočišná buňka

Živočišná buňka je nejmenší dokonale organizovaná součást živých organismů. Skládá se z těla a jádra a každé z nich z dalších součástí. Živá hmota vyplňující vnitřek buňky se nazývá protoplazma. Tvoří ji cytoplazma (protoplazma buněčného těla) a karyoplazma (protoplazma jádra). Cytoplazma obsahuje kromě jemně rozptýlených bílkovin, lipidů, glykogenu a zrníček sekretů a pigmentů různé soli a hlavně 70–80 % vody.

Představuje koloidní roztok, který je v některých částech buňky tekutý, v jiných má charakter pevnějšího gelu. Součástí karyoplazmy je chromatin (komplex DNA a proteinů).

Zrnka, kapénky, vakuoly či krystaly v plazmě tvořené zásobními látkami buňky nebo produkty jejího metabolismu označujeme pojmem paraplazma.

Naproti tomu pracovní struktury, jež se nacházejí uvnitř cytoplazmy (např. mikrofilamenta, mikrotubuly), bývají označovány pojmem metaplazma.

V různých orgánech jsou buňky vysoce specializované. Přesto, bez ohledu na stupeň jejich specializace, se ve většině z nich vyskytují shodné struktury (organely). V následujícím textu připomeneme některé z nich.

Buněčné organely

Buněčné jádro

Jádro typické lidské buňky obalují dva listy jaderné membrány. Mezi nimi se nachází úzký perinukleární prostor (cisterna). Oba listy jaderné membrány místy splývají, a formují tak jaderné póry, které slouží k obousměrnému transportu látek mezi nukleoplazmou a cytoplazmou.

Buněčné jádro obsahuje 46 megamolekul DNA (deoxyribonukleové kyseliny). V jádře je vlákno dvoušroubovice DNA v určitých intervalech stočeno kolem center (histonů), která jsou tvořena histonovými proteiny. Komplex DNA a proteinů se nazývá chromatin.

V průběhu dělení buňky se sbalení kolem histonů rozvolní a chomáče chromatinu se přemění na 22 párů homologních chromozomů (autozomů) a na 2 chromozomy nehomologní (gonozomy). Chromozomy obsahují podrobnou informaci o všech dědičných znacích a individuálních vlastnostech daného jedince.

Základní jednotkou dědičné informace jegen. Reprezentuje jej úsek polynukleotidového řetězce DNA se specifickou funkcí, tj. se schopností utvářet při dělení buňky svoje vlastní přesné kopie, jež se přenášejí do dalších generací.

Genetická informace je kódována pořadím purinových a pyrimidinových bází nukleotidového řetězce. Na jejím přenosu do ribozomů (viz dále) participuje informační RNA (ribonukleová kyselina).

Většina buněčných jader obsahuje jadérko. Tvoří jej četná granula obsahující RNA. V jadérku probíhá syntéza ribozomů.

Mitochondrie

Mitochondrie jsou přítomny v cytoplazmě všech typů eukaryotních buněk s výjimkou zralých erytrocytů savců. Jsou to protáhlé, ovoidní, eliptické nebo disku podobné útvary obklopené vnější a vnitřní membránou.

Vnější membrána je hladká a určuje celkový tvar organely. Vnitřní membrána je zřasena do záhybů (krist). Mezi zevní a vnitřní membránou se nachází mezimembránový prostor. Vnitřní prostor mitochondrie mezi kristami vnitřní membrány je vyplněn hustou hmotou – mitochondriální matrix.

Vnější membrána je hustě pokryta enzymy, které jsou zapojeny do biologických oxidací. Produkty vzniklé jejich činností jsou dále zpracovávány uvnitř mitochondrie.

Vnitřní membrána obsahuje enzymy, které přeměňují produkty metabolismu sacharidů, proteinů a lipidů na oxid uhličitý a vodu a zachycují energii uvolněnou oxidačními procesy za současné tvorby adenozintrifosfátu (ATP). Např. celkový zisk energie z aerobního odbourání 1 molu glukózy až na oxid uhličitý a vodu je 36–38 molů ATP.

Mitochondrie jsou „elektrárny“ eukaryotní buňky a podílejí se na komplikovaných respiračních reakcích buňky, jejichž konečným produktem je ATP. Mitochondrie vyrábějí asi 90 % energie spotřebovávané buňkami, tkáněmi a orgány.

Ribozomy

Ribozomy jsou místem, kde probíhá syntéza proteinů. Vyskytují se v buňce buď jako volné v cytoplazmě (monozomy), nebo sdružené a připojené na jednu informační ribonukleovou kyselinu (mRNA) – polyribozomy (polyzomy), a na endoplazmatické retikulum.

Endoplazmatické retikulum

Endoplazmatické retikulum tvoří bohatý systém vzájemně propojených miniaturních membránových cisteren a kanálků uložených v cytoplazmě.

Rozlišujeme dva typy endoplazmatického retikula.

■první typ, tzv. drsné (granulární) endoplazmatické retikulum – má na cytoplazmatické straně membrány navázány ribozomy a polyribozomy

■druhý typ, hladké (agranulární) endoplazmatické retikulum – ribozomy na povrchu membrány navázány nemá

Drsné endoplazmatické retikulum se podílí na syntéze bílkovin. Vznikají v něm také fosfolipidy a cukry, které s vytvořenými bílkovinami tvoří komplexy.

Hladké endoplazmatické retikulum katalyzuje přeměnu lipidů. V buňkách produkujících steroidy se podílí na vzniku steroidních hormonů z cholesterolu a v jaterních buňkách plní funkci detoxikační. Důležitou úlohu hraje také v buňkách kosterního a srdečního svalu (zásobárna vápníkových iontů).

Golgiho aparát

Golgiho aparát tvoří soubor membránou uzavřených váčků (cisteren), které jsou k sobě přiloženy jako talíře tak, že jejich konvexita směřuje k jádru buňky. Golgiho aparát je v těsném kontaktu s endoplazmatickým retikulem a účastní se přechovávání, úprav a transportu proteinů vytvořených ribozomy.

Lyzozomy

Lyzozomy reprezentují váčky s jednoduchou membránou. Obsahují více než 40 kyselých hydroláz, které jsou schopny štěpit prakticky všechny makromolekuly, zejména bílkoviny, nukleové kyseliny, polysacharidy, mukopolysacharidy a lipidy.

Enzymy vyskytující se v lyzozomech vznikají na polyribozomech drsného endoplazmatického retikula a jeho cisternami jsou transportovány do Golgiho aparátu, odkud se vydělí ve formě váčků (primární lyzozomy). Primární lyzozomy pak fúzují s membránou vakuol obsahujících fagocytovaný materiál (fagocytární vakuola, fagozom) za vzniku sekundárního lyzozomu (fagolyzozomu), v němž se odehrávají trávicí procesy.

Lyzozomy tedy představují jakýsi buněčný „trávicí aparát“. Ten odstraňuje z buňky nežádoucí extracelulární materiál, který se do ní dostal fagocytózou či pinocytózou. Některé produkty „tráveného“ materiálu se absorbují přes stěnu trávicí vakuoly, jiné buňka vyvrhne ven exocytózou.

Cytoskelet

Cytoskelet reprezentuje systém mikrofilament, mikrotubulů a intermediárních filament v cytoplazmě. Je odpovědný za dynamickou organizaci cytoplazmy a transport informací v těle buňky. Pomáhá udržovat tvar buňky a pozici organel v ní, umožňuje aktivní pohyb buňky a poskytuje zakotvení pro jiné buňky.

Primárně cytoskelet tvoří mikrotubuly, mikrofilamenta a intermediární filamenta.

■mikrotubuly – dlouhé duté struktury s vnitřním průměrem 15 nm; představují transportní dráhy, které pro vezikuly a organely (sekreční granula a mitochondrie) zprostředkovávají pohyb z jedné části buňky do části druhé

■mikrofilamenta – dlouhá a pevná vlákna o průměru 4–6 nm tvořená aktinem, který se podílí spolu s myozinem na vzniku svalového stahu (kontrakce)

■intermediární filamenta – tvoří různé skupiny proteinů uspořádané do dlouhých tyčinkovitých útvarů; vytvářejí ohebné podpůrné lešení pro buňku a pomáhají buňce vzdorovat vnějšímu tlaku

Cytoplazmatická membrána

Cytoplazmatická membrána ohraničuje tělo buňky, včetně jejích výběžků. Chrání buňku před zevními vlivy a pomáhá uchovat její tvar. Podílí se významně na udržování složení intracelulárního a extracelulárního prostředí, a zajišťuje tak integritu buněk v tkáních.

Detailní stavba plazmatické membrány se liší podle typu tkáně a buňky, nicméně všechny membrány charakterizují některé společné rysy:

■Každou membránu tvoří lipidy (fosfolipidy, glykolipidy a cholesterol). Molekuly lipidů mají hydrofilní a hydrofobní konec (jsou amfipatické) a ve vodním prostředí tvoří dvojvrstvu. V dvojvrstvě jsou orientovány hydrofilní části molekul vně, hydrofobní části dovnitř.

■Další stavební součástí každé plazmatické membrány jsou proteiny (lipoproteiny a glykoproteiny). Globulární proteiny jsou zanořeny do zevní a vnitřní vrstvy plazmatické membrány (periferní proteiny), protáhlejší proteiny prostupují celou membránou (integrální proteiny).

Membránové proteinyzajišťují řadu specifických procesů spojených s transportními a rozpoznávacími funkcemi membrán:

■Připoutávají buňky k sobě navzájem a k bazální membráně (odtud jejich pojmenování buněčné adhezní molekuly).

■Aktivně transportují ionty přes membránu – pumpy.

■Transportují látky po jejich elektrochemickém gradientu pomocí usnadněné difuze.

■Utvářejí v membráně iontové kanály, jež za určitých okolností umožňují prostup iontů do buňky nebo z buňky.

■Tvoří receptory pro vazbu neuromediátorů a hormonů.

■Mají také funkci enzymů a katalyzují reakce na povrchu membrány.

1.1.3Transport látek přes buněčnou membránu

Prostá difuze a její determinanty

Při prosté difuzi se transportovaná látka pohybuje z místa vyšší koncentrace do místa nižší koncentrace. Její přesun přes membránu ustává v okamžiku, kdy se koncentrace v obou oddílech vyrovnají.

Látky rozpustné v tucích procházejí buněčnou membránou přímo ve směru koncentračního gradientu.

Množství látky, které prostoupí membránou za jednotkučasu, je přímo úměrné koncentračnímu gradientu dané látky, velikosti difuzní plochy a difuznímu koeficientu a nepřímo úměrné difuzní vzdálenosti, tj. tloušťce membrány.

Látky rozpustné ve vodě procházejí membránou pouze přes vodní kanály („póry“), které formují transmembránové proteiny. Difuzní koeficient těchto látek je proporcionální velikosti jejich molekuly. Částice větší než 8 nm nemohou těmito kanály procházet prostou difuzí.

Některé vodní iontové kanály jsou trvale otevřené, jiné jsou řízené, tzn., že mají vrátka („hradla“), která se zavírají či otvírají.

Zavření nebo otevření kanálů (vrátkování) může způsobit změna membránového napětí (napěťově řízené kanály) nebo navázání chemické látky, ligandu (ligandemřízené kanály). Ligand může pocházet ze zevního prostředí (mediátor, hormon), nebo může být součástí vnitřního prostředí buňky (intracelulární Ca2+, cAMP nebo některý z G-proteinů). Některé kanály může vrátkovat také mechanické natažení (mechanicky řízené kanály, kanály citlivé na „napnutí“ cytoskeletu).

Usnadněná difuze

Velké molekuly neprojdou malými kanály v membráně. Na její druhou stranu se však mohou dostat poté, co se navázaly na aktivnímísto bílkovinného nosiče. Probíhá-li transport částice na proteinovém nosiči ve směru jejího elektrochemického gradientu, tedy bez dodávky energie, hovoříme o usnadněné difuzi.

Do okamžiku plného nasycení nosiče je rychlost usnadněné difuze přímo úměrná koncentračnímu gradientu. V okamžiku saturace nosiče se difuze zastaví, a to bez ohledu na momentální výši koncentračního gradientu. Právě tento fakt odlišuje usnadněnou difuzi od difuze prosté.

Osmóza

Osmóza představuje pasivní typ transportu, při němž přestupuje rozpouštědlo (nejčastěji voda) přes polopropustnou membránu z prostoru s méně koncentrovaným roztokem do prostoru s více koncentrovaným roztokem.

Polopropustná membrána je v tomto případě propustná pro rozpouštědlo a méně propustná nebo zcela nepropustná pro rozpuštěné látky. Je-li polopropustná membrána alespoň částečně prostupná pro rozpuštěné látky, může voda přestupující přes membránu s sebou „strhávat“ i molekuly rozpuštěné látky (tah rozpouštědla, solvent drug).

Tlak, který je schopen zabránit pohybu molekul rozpouštědla přes membránu do oblasti s vyšší koncentrací rozpuštěné látky, pro kterou je membrána nepropustná, se nazývá osmotický tlak roztoku. Jeho hodnota se vyjadřuje v osmolech (Osm) a je přímo úměrná počtu částic v roztoku na jednotku jeho objemu.

Osmolární koncentrace látky v roztoku se měří velikostí snížení jejího bodu tuhnutí. Jeden mol nedisociovaného solutu (např. glukóza rozpuštěná v 1 kg vody) sníží bod tuhnutí o 1,858 oC. Uvedená hodnota představuje tzv. kryoskopickou konstantuvody. Bod tuhnutí plazmy je v průměru –0,54 oC, což odpovídá osmolární koncentraci 290 mOsmol/l.

Primární aktivní transport

Primární aktivní transport probíhá proti elektrochemickému gradientu, což vyžaduje přísun energie. Nejrozšířenějším typem aktivního transportu je Na+-K+ pumpa. Na+-K+ ATPáza (membránový protein) katalyzuje hydrolýzu ATP na ADP. Uvolněná energie je pak využita na transport 3 iontůNa+ z buňky ven a 2 iontů K+ do buňky. Aktivita Na+-K+ pumpy udržuje v ICT vysokou koncentraci K+ a nízkou koncentraci Na+. K útlumu Na+-K+ pumpy dochází při velmi nízké koncentraci ATP nebo Na+ uvnitř buňky nebo K+ v ECT.

Sekundární aktivní transport

Tento transportní systém je sám o sobě pasivní, ale využívá energii Na+ koncentračního gradientu, při jehož vytváření se spotřebovává energie.

Systém může pracovat jen tehdy, když je:

■koncentrace Na+ v ECT vyšší než koncentrace Na+ uvnitř buňky

■k dispozici membránový protein, který má dvě vazebná místa – jedno pro iont Na+ a druhé pro transportovanou látku (glukóza, aminokyseliny apod.)

Pokud se transport dvou látek (spřažený transport) realizuje stejným směrem, hovoříme o symportu (např. transport glukózy a aminokyselin z lumenu střeva do enterocytů).

Pokud se transportovaná látka pohybuje v opačném směru než sodný iont, hovoříme o antiportu (Na+-Ca2+ výměník ve vláknech srdečního svalu nebo Na+-H+ výměník v ledvinových tubulech).

Exocytóza a endocytóza

Exocytóza je proces, jímž buňky uvolňují (nebo vyvrhují) větší molekuly či struktury do svého okolí. Exocytózou se obvykle transportují látky, které nemohou samostatně prostupovat přes membránu, např. proteiny a cholesterol. Exocytóza vyžaduje přítomnost Ca2+, přísun energie a přítomnost transportních proteinů.

Endocytóza je proces opačný k exocytóze. Při endocytóze pohlcují buňky ze zevního prostředí extracelulární tekutinu, jiné buňky či pevné částice. Endocytóza začíná invaginací plazmatické membrány, která nakonec pohlcovanou látku obklopí – vznikne membránový váček.

Endocytóza má více variant. Jednou z nich je fagocytóza – pohlcování cizorodého materiálu („buněčné pojídání“). Další variantu představuje pinocytóza – pohlcování malých kapének tekutiny („buněčné pití“).

Filtrace – transport přes stěnu kapilár

Filtrace je pochod, při němž je tekutina, popř. látky v ní rozpuštěné, protlačována přes kapilární stěnu silou, kterou představuje rozdíl tlaků na obou stranách kapiláry. Stěnou kapiláry, přesněji otvory ve spojeních mezi endotelovými buňkami, mohou procházet jen ty látky, jejichž molekula je menší, než je skutečná velikost pórů.

Stěna kapilár, která odděluje plazmu od intersticiální tekutiny, není ve všech orgánech těla stejně vystavěna. Ve všech kapilárách je však prakticky neprostupná pro plazmatické bílkoviny a jiné koloidy. Tato skutečnost je příčinou vzniku tzv. koloidně osmotického tlaku (25–30 mm Hg) uvnitř cévy. Koloidně osmotický tlak vyvíjený plazmatickými koloidy se nazývá onkotický tlak.

Velikost filtrace přes kapilární stěnu určuje tzv. efektivní filtrační tlak, tj. hodnota tlaku krve v kapiláře (hydrostatický tlak) zmenšená o hodnotu tlaku onkotického. Pokud je hydrostatický tlak vyšší než tlak onkotický, probíhá filtrace (přesun tekutiny z kapiláry do intersticia). V situacích, kdy tlak onkotický převyšuje tlak hydrostatický, probíhá resorpce (přesun tekutiny z intersticia do kapiláry).

1 Stálost je chápána ve smyslu přípustného intervalu hodnot – optimální interval.

2 Hodnoty podle BULLOCK, J., BOYLE, J., WANG, M. B. Physiology. 2nd ed. Baltimore: Williams & Wilkins, 1991.

2Membránová fyziologie dráždivých avzrušivých tkání

Dráždivost, vzrušivost či reaktivita jsou synonyma označující základní vlastnost živé hmoty, tj.její schopnost reagovat charakteristickým způsobem na změny prostředí (podněty). Zvlášť vysoce je tato schopnost rozvinuta ubuněk nervových, svalových aureceptivních buněk smyslových orgánů.

2.1Nervová buňka– morfologická afunkční charakteristika

Nervová buňka (neuron) je základní funkční astavební jednotkou nervové tkáně. Kromě neuronů jsou vnervové tkáni zastoupeny buňky neuroglie. Neuron představuje vysoce specializovanou buňku, která je schopna přijímat určité formy signálů (podněty), zpracovávat je avýslednou informaci předat jiným neuronům či výkonným orgánům.

Obr.2.1 Schematický nákres motoneuronu

Podstatnou část neuronu (obr.2.1) tvoří buněčné tělo ohraničené buněčnou membránou, jádro sjadérkem asubcelulární struktury (endoplazmatické organely). Zbuněčného těla vystupuje množství bohatě se větvících krátkých výběžků– dendritů. Povrch buněčného těla idendritů je pokryt synaptickými terčíky.

Typický neuron má také jeden dlouhý nitkovitý výběžek– axon. Svazky axonů spojené vazivem vjeden celek formují periferní nervy. Konečná rozvětvení axonu se stýkají sdendrity či těly jiných neuronů (synaptická spojení) nebo zakončují ubuněk výkonných orgánů (efektorů), tj.vytvářejí kontakty svlákny hladkého, kosterního asrdečního svalu nebo sbuňkami žláz.

Uřady nervových buněk je axon (svýjimkou iniciální části akonečných rozvětvení) obklopen myelinovou pochvou. Pochva není souvislá, ale je vpravidelných intervalech přerušena zářezy (Ranvierovy zářezy).

Neurony jsou různě velké; jejich těla měří od 4 μm do 130 μm. Také tvar neuronů je rozmanitý apočty jejich výběžků jsou rozdílné.

Zfunkčního hlediska lze neuron rozdělit na několik částí, znichž každá plní jinou funkci. Buněčné tělo spolu sdendrity představuje receptivní segment neuronu, tj.místo, kde se přijímají aintegrují mnohočetné potenciálové změny vyvolané synaptickými spojeními. Vmístě odstupu axonu od buněčného těla (iniciální segment axonu) vzniká vzruchová aktivita. Vzruchy se pak šíří axonem kjeho konečným rozvětvením, kde akční potenciály způsobí uvolnění synaptického přenašeče.

2.1.1Membránový potenciál ajeho hlavní determinanty

Rozdílná koncentrace elektricky aktivních částic (iontů) vICT aECT (viz tab.2.1) způsobuje, že na rozhraní mezi vnitřním azevním prostředím, tj.mezi oběma stranami cytoplazmatické membrány, vzniká potenciálový rozdíl. Říkáme, že membrána je elektricky polarizovaná.

Tento potenciál je běžně označován pojmem klidový membránový potenciál. Vklidu nese vnitřní povrch membrány záporný náboj azevní povrch náboj kladný. Hodnota klidového membránového potenciálu kolísá urůzných buněk vrozmezí od –4 do –100 mV; unervových vláken je potenciálový rozdíl přibližně –50 až –90 mV.

Úroveň elektrické polarizace membrány (klidový membránový potenciál) určuje:

■nerovnoměrné rozložení difuzibilních iontů vně auvnitř buňky

–přítomnost nedifuzibilních organických iontů vICT (negativně nabité bílkoviny, fosfátyaj.) vede ktomu, že se malé difuzibilní ionty (Na+, K+, Cl–) rozloží vobou prostorech (ICT aECT) nerovnoměrně

–koncentrace difuzibilních kationtů je větší vtom prostoru, kde jsou přítomny nedifuzibilní anionty, zatímco koncentrace difuzibilních aniontů se chová opačně– je větší vtom prostoru, kde se difuzibilní anionty nevyskytují

■aktivita Na+-Kpumpy

–aktivním transportem Na+ aK+ proti jejich koncentračním gradientům, tj.transportem Na+ zbuňky do ECT atransportem K+ zECT do buňky

■rozdílná propustnost membrány vklidu pro jednotlivé ionty

–konstanty permeability jednotlivých iontů (P), které udávají jejich relativní permeabilitu ve srovnání spermeabilitou pro draslík, jsou:

Membránový potenciál výrazně ovlivňuje pohyb každého ziontů přes membránu. Hodnota potenciálu membrány, při níž nedochází kprostému pohybu určitého iontu ve směru jeho koncentračního gradientu, představuje tzv.rovnovážný potenciál pro tento iont (tab.2.1).

Teoretické výpočty apraktická měření ukázaly, že hodnota klidového membránového potenciálu prakticky nezávisí na koncentraci Na+ vECT aICT. Příčinou je nízká propustnost cytoplazmatické membrány pro Na+ vklidu. Změny koncentrace iontů K+ však jeho hodnotu výrazně ovlivňují.

Při zvýšení koncentrace K+ vECT se hodnota membránového potenciálu snižuje, při vyrovnání obou koncentrací je roven nule apři zvýšení koncentrace K+ vICT se naopak jeho hodnota zvyšuje (vzrůstá jeho negativita).

Určitý stupeň elektrické polarizace membrány je nezbytnou podmínkou její dráždivosti, tj.schopnosti odpovídat na působení podnětu charakteristickou změnou metabolismu. Charakter této změny závisí na funkčním stavu vzrušivé struktury arovněž na vlastnostech působícího podnětu.

Dráždivé tkáně na působení podnětu odpovídají vzásadě dvěma způsoby– vznikem vzruchové aktivity nebo reakcí typu místního podráždění.

2.1.2Vzruch

Vzruch, označovaný také jako impulz, je elementární fyziologický děj probíhající podle zákona „všechno, nebo nic“. Je to metabolická změna fyzikálně chemické podstaty, která se šíří po nervovém vlákně velkou rychlostí (až 120 m/s) bez dekrementu, tj.aniž se při tom zmenšuje. Vzruch je nositelem signalizační funkce neuronu.

Základní charakteristiky podnětů vybavujících vzruch

■Pojmem podnět označujeme zevní energii, jež svým působením na vzrušivou tkáň vybavuje vzruch. Působení podnětu na vzrušivou tkáň se nazývá dráždění.

■Aby dráždění bylo účinné, tj.aby vzruch vznikl, musí mít podnět určitou minimální intenzitu (prahový podnět).

■Další zvyšování intenzity podnětu (nadprahový podnět) nevede krůstu vzruchu nebo jeho jiné změně.

■Při intenzitě podnětu menší, než je prahová (podprahový podnět), vzruch nevzniká.

■Kromě intenzity ovlivňuje účinnost podnětu také jeho trvání.

Obecně platí, že čím je intenzita podnětu menší, tím delší musí být jeho trvání, aby vyvolal vzruch, anaopak. Výjimkou jsou podněty ultrakrátké, které ani při sebevětší intenzitě vzruch nevyvolají.

Za přirozených podmínek vzruch jednoho neuronu vybavuje vzruchovou aktivitu jiného neuronu. Vněkterých orgánech, např.vsrdci vuzlu sinoatriálním (sinusový uzel) nebo vuzlu atrioventrikulárním, vznikají vzruchy spontánně.

Elektrické projevy vzruchu

Existenci vzruchu si můžeme nejlépe ověřit na nervosvalovém preparátu. Každý nervový vzruch se zde projeví stahem svalových vláken. Nejspolehlivěji se však oexistenci vzruchu můžeme přesvědčit tak, že sledujeme fyzikálně chemické změny, které jeho vznik ašíření po nervových vláknech provázejí. Knejmarkantnějším asoučasně knejobjektivnějším projevům vzruchu patří změny úrovně polarizace membrány nacházející svůj odraz vtzv.akčním potenciálu.

Akční nebo také činnostní potenciál vzniká vždy, když se axonem šíří nervový vzruch. Vpodstatě jde ocharakteristickou změnu membránového potenciálu vyvolanou působením dostatečně silného podnětu. Na křivce akčního potenciálu (obr.2.2) můžeme rozlišit několik komponent.

Obr.2.2 Schematické znázornění akčního potenciálu nervového vlákna

■Po krátkém období latence se membránový potenciál postupně snižuje – membrána se depolarizuje. Když tato depolarizace dosáhne tzv.spouštěcí úrovně pro vznik činnostního potenciálu, křivka začne rychle stoupat apřestřeluje (překmit, transpolarizace) izoelektrickou linii (nulový potenciál) přibližně o35–50 mV.

■Potom se křivka obrací arychle klesá ke klidové úrovni– membrána se repolarizuje. Když je repolarizace skončena asi ze 70%, její rychlost se zmenšuje (následná depolarizace) akřivka akčního potenciálu se pomalu přibližuje výchozí klidové úrovni.

■Po dosažení původní klidové úrovně záznam mírně přestřeluje ve smyslu hyperpolarizace avytváří malou, ale poměrně dlouhou dobu trvající následnou hyperpolarizaci.

■Prudký vzrůst apokles se označuje jako hrotový potenciál (spike)– má největší amplitudu (70–120 mV) anejkratší trvání (kolem 1 ms).

Změny úrovně polarizace vzrušivé membrány vprůběhu vzruchu souvisejí se změnou její selektivní propustnosti pro ionty Na+ aK+ , kterou vyvolalo působení vzruch vyvolávajícího podnětu.

Klíčovou roli při vzniku akčního potenciálu hrají především ionty Na+. Pokles koncentrace iontů Na+ vzevním prostředí snižuje amplitudu akčního potenciálu, hodnotu klidového membránového potenciálu však ovlivňuje minimálně.

Změny dráždivosti během vzruchu apo jeho průběhu

Podkladem změn dráždivosti nervového vlákna během vzruchu apo jeho průběhu jsou iontové přesuny přes membránu. Během vzruchu, kdy je povrch nervového vlákna depolarizován, neodpovídá nervové vlákno ani na sebesilnější podněty (absolutní refrakterní fáze).

Trvání absolutní refrakterní fáze se omezuje na časový interval, který uplyne od okamžiku dosažení spouštěcí úrovně po uskutečnění jedné třetiny repolarizace.

Na absolutní refrakterní fázi navazuje relativní refrakternífáze, která trvá až do začátku následné hyperpolarizace. Během relativní refrakterní fáze vyvolávají vzruchovou aktivitu jen nadprahové podněty.

Na délce absolutní refrakterní fáze závisí horní hranice maximální frekvence vzruchů, tj.maximální počet vzruchů, který může za jednotku času po nervovém vlákně proběhnout.

Vedení vzruchu nervovými vlákny

Vzruch vznikající za přirozených podmínek vmístě odstupu axonu od buněčného těla se šíří po axonu bez dekrementu; na konci axonu je stejný jako na jeho začátku. Často se proto šíření vzruchu po nervovém vlákně přirovnává kšíření plamene po zápalné šňůře.

Při samošíření vzruchu po nervovém vlákně bez myelinového obalu hrají hlavní úlohu místníproudy, jež vznikají na rozhraní depolarizované aklidově polarizované membrány.

Podobným způsobem se šíří vzruch ivmyelinizovaných nervových vláknech. Rozdíl je pouze vtom, že díky izolačním vlastnostem myelinu může proud vznikající při vzruchu depolarizovat normálně polarizovanou membránu jen vmístě Ranvierova zářezu. Vzruch potom vlastně přeskakuje zjednoho Ranvierova zářezu na druhý; hovoříme osaltatorním vedení vzruchu. Saltatorní vedení na rozdíl od kontinuálního značně zhospodárňuje šíření vzruchu. Tato ekonomizace se projeví především zrychlením vedení vzruchu. Obvykle platí, že čím je nervové vlákno tlustší ačím silnější má myelinový obal, tím rychleji vede nervový vzruch.

Vtlustých myelinizovaných vláknech savců odpovídá rychlost šíření vzruchu vm/szhruba šesti až osminásobku průměru nervového vlákna vyjádřeného vmikrometrech.

Klasifikace nervových vláken

Nervová vlákna savců se běžně rozdělují do tří skupin– A, B aC. Skupina Anení jednotná atvoří ji podskupiny α, β, γ aδ. Klasifikace nervových vláken (tab.2.1) zohledňuje jejich morfologické afunkční vlastnosti.

Tab.2.1 Typy nervových vláken vnervech savců

Typ vlákna

Průměr (μm)

Rychlost vedení (m/s)

Aα

12–20

70–120

Aβ

5–12

30–70

Aγ

3–6

15–30

Aδ

2–5

12–30

B

< 3

3–15

C

0,4–1,2

0,5–2,0

2.1.3Místní podráždění

Reakce dráždivé struktury na působení podnětu zvaná místní podráždění (lokální odpověď) je fylogeneticky starší, než je nervový vzruch. Mezi oběma typy však existuje určitá vzájemná souvislost, neboť generování vzruchové aktivity závisí právě na velikosti místního podráždění.

Ikdyž spolu místní podráždění avzruch vzájemně souvisejí, mají řadu rozdílných vlastností:

■Místní podráždění představuje reakci lokalizovanou, která se šíří jen na malou vzdálenost, ato sdekrementem.

■Je to reakce odstupňovaná svou velikostí podle intenzity podnětu, tj.neprobíhá podle zákona „všechno, nebo nic“.

■Místní podráždění nemá žádnou refrakterní fázi aúčinky opětovných podnětů se mohou sčítat (sumovat).

■Místní podráždění trvá podstatně déle než nervový vzruch.

■Elektrofyziologickým projevem místního podráždění je pomalá změna membránového potenciálu, elektrofyziologickým projevem vzruchu je činnostní potenciál.

2.1.4Přenos vzruchů mezi neurony (synapse)

Každá nervová buňka představuje samostatnou jednotku, ato jak po stránce morfologické, tak funkční. Výběžky jednoho neuronu nepřecházejí plynule vneuron druhý. Přenos vzruchu zjednoho neuronu na druhý se realizuje vsynapsích. Synapse představují styčné plošky mezi dvěma neurony, mezi receptivní buňkou anervovým vláknem nebo mezi nervovým vláknem abuňkami výkonného orgánu– efektorem.

2.2Svalové tkáně– morfologická afunkční charakteristika

2.2.1Stavba adruhy svalových tkání

2.2.2Elektrické amechanické projevy aktivity kosterního svalu

2.2.3Elektrické projevy aktivity buněk srdečního svalu

2.3Receptory smyslových orgánů