4. Teplota; svaly a pohyb

Jakými způsoby překonávají poikilotermní živočichové období nízkých teplot?

Poikilotermní živočichové (ektotermové) mají teplotu těla závislou na okolí. Proti chladu a zmrznutí využívají tyto strategie:

1. Behaviorální adaptace: Vyhledávání úkrytů, slunění se, agregace (shlukování) pro snížení ztrát tepla.

2. Tolerance mrznutí (Freeze tolerance): Dovolí vznik ledu v extracelulárním prostoru (mimo buňky). Voda z buněk je osmoticky vytažena ven, cytoplazma se zahustí a nezmrzne (prevence vitrifikace). Příklad: některé žáby.

3. Vyhýbání se mrznutí (Freeze avoidance): Produkce kryoprotektantů (glycerol, sorbitol) a "nemrznoucích proteinů" (AFP), které snižují bod tání tělních tekutin pod bod mrazu (fenomén podchlazení - supercooling), aniž by vznikl led. Příklad: polární ryby, hmyz.

4. Metabolická deprese: Využití Q10 efektu, kdy se metabolismus v chladu výrazně zpomalí (až zastaví), což šetří energii.

Jakými mechanizmy mohou udržet homoiotermní živočichové konstantní teplotu za nízkých teplot okolí?

Homoiotermové (endotermové) využívají kombinaci fyzikální a chemické termoregulace:

1. Zvýšení izolace: Srst, peří (piloerekce - načepýření pro zvětšení vzduchové vrstvy), podkožní tuk.

2. Vazomotorika: Periferní vazokonstrikce (stažení cév) v kůži, aby teplá krev nešla na povrch.

3. Protiproudá výměna tepla (Rete mirabile): Teplá krev v tepnách předává teplo studené krvi v žilách ještě před vstupem do končetiny, čímž se teplo vrací do jádra.

4. Třesová termogeneze: Nekoordinované stahy kosterních svalů pro produkci tepla.

5. Netřesová termogeneze: Spalování hnědé tukové tkáně (BAT) pomocí proteinu UCP1 (termogenin), který rozpojí dýchací řetězec a energii uvolní jako teplo místo ATP.

6. Změna chování: Schoulení se (zmenšení povrchu), vyhledávání závětří.

Homoiotermní živočichové udržují konstantní tělesnou teplotu, řízenou z hypotalamu , kombinací mechanizmů, které řídí tepelné ztráty (fyzikální termoregulace) a produkci tepla (chemická termoregulace). Fyzikální regulace se zaměřuje na snížení ztrát, například pomocí izolace (srst, tuk) nebo vazokonstrikce periferních cév, čímž se sníží prohřívání povrchových tkání. Speciálním příkladem je protiproudá výměna tepla v končetinách, která aktivně vrací teplo z tepny do blízké žíly, čímž ho nevydává do chladného okolí. Pokud ani to nestačí, nastupuje chemická termoregulace, tedy generování tepla: buď rychlým a neefektivním stahováním svalů bez práce (třesová termogeneze) , nebo aktivací hnědé tukové tkáně (NST), kde se energie z dýchacího řetězce mění přímo na teplo

Vysvětlete pojmy: poikilotermie, homoiotermie, heterotermie a čeho se týkají?

Tyto pojmy se týkají stability tělesné teploty, nikoliv jejího zdroje (to je ekto/endotermie).

1. Poikilotermie: Tělesná teplota kolísá v závislosti na teplotě okolí (studenokrevní). Výhodou je nízká energetická náročnost, nevýhodou závislost aktivity na počasí.

2. Homoiotermie: Udržování stálé tělesné teploty v úzkém rozmezí (teplokrevní) nezávisle na okolí. Výhodou je stálá výkonnost, nevýhodou vysoká energetická cena.

3. Heterotermie: Schopnost živočicha měnit strategii. Dělí se na regionální (jádro je teplé, periferie studená - např. tučňák) a temporální/časovou (zvíře reguluje teplotu, ale v noci nebo v zimě upadá do torporu/hibernace a nechá teplotu klesnout pro úsporu energie - např. kolibřík, netopýr).

Charakterizujte fyzikální termoregulaci.

Fyzikální termoregulace zahrnuje mechanismy řídící výdej nebo uchování tepla bez nutnosti měnit metabolickou produkci tepla, týká se výměny tepla mezi organismem a prostředím. Patří sem:

1. Izolace: Změna kvality srsti/peří (zimní vs. letní), piloerekce (husí kůže) pro zvětšení izolační vrstvy vzduchu.

2. Cévní reakce (Vazomotorika): Vazodilatace (rozšíření) cév v kůži pro výdej tepla v horku vs. vazokonstrikce (stažení) v chladu pro udržení tepla v jádru.

3. Protiproudá výměna tepla: Anatomické uspořádání cév (rete mirabile) minimalizující ztráty tepla do chladných končetin.

4. Odpařování (Evaporace): Pocení, zrychlené dýchání (polypnoe) a slinění – jediný způsob ochlazování, když je okolí teplejší než tělo.

Jaké jsou energetické zdroje kontrakce kosterního svalu?

Energetickým zdrojem pro svalovou kontrakci je primárně molekula ATP, která je spotřebovávána primo na vlastní stah (myosinova ATPaza) a na relaxaci (Ca2+ pumpa). Sval má tři hlavní způsoby, jak ATP získávat. Pro okamžitý a krátkodobý výkon (asi 1 sekunda až několik sekund, např. sprint) se nejdříve využijí hotové zásoby ATP a poté Kreatin fosfát (fosfagen), který rychle resyntetizuje ATP. Pro střednědobý a intenzivní výkon (desítky sekund) nastupuje anaerobní glykolýza , která je sice rychlá, ale méně účinná a vede ke vzniku laktátu. Pro dlouhodobý a vytrvalostní výkon (desítky minut a déle) se spoléhá na aerobní katabolismus (oxidativní fosforylaci), který je energeticky nejefektivnější a jako palivo využívá nejdříve glukózu a glykogen , a posléze primárně mastné kyseliny (lipidy).

Jakou úlohu mají při svalovém stahu longitudinální tubuly sarkoplazmatického retikula?

Longitudinální tubuly sarkoplazmatického retikula (SR) slouží v kosterním svalu jako zásobárna vápníkových iontů (Ca2+). Obsahují pumpu SERCA (Ca2+ -ATPáza), která aktivně (za spotřeby ATP) čerpá vápník z cytoplazmy zpět do SR, což umožňuje relaxaci svalu. Na konci tubulů jsou terminální cisterny, které obsahují ryanodinové receptory (kanály), jimiž se vápník při excitaci prudce vylije do cytoplazmy a spustí stah.

Jakou úlohu mají při iniciaci svalového stahu vápníkové ionty (Ca2+)?

Vápníkové ionty jsou spouštěčem stahu v kosterním svalu. Po vylití ze sarkoplazmatického retikula se Ca2+ naváže na protein troponin C na aktinu. Tato vazba způsobí konformační změnu troponinu, který následně odtáhne vlákno tropomyosinu. Tropomyosin do té doby blokoval vazebná místa na aktinu. Díky odsunutí tropomyosinu se hlavičky myosinu mohou navázat na aktin a provést stah. Bez vápníku je interakce zablokována.

Jakou stavbu a jaký význam má u různých živočichů hladká svalovina?

Hladká svalovina je u obratlovců základní složkou vnitřních orgánů, kde zajišťuje pomalé, tonické pohyby (např. peristaltiku). Její buňky jsou menší, vřetenovitého tvaru a obsahují pouze jedno jádro. Na rozdíl od pruhované svaloviny postrádá hladká svalovina uspořádané sarkomery, T-tubuly, troponin a motorickou ploténku. Kontrakční aparát je sice tvořen aktinem a myozinem, ale jsou uspořádány síťovitě. Funkčně je významná její schopnost udržet stah s mnohem menším vynaložením energie, protože její Myosin ATPaza je pomalejší. Spouštěčem stahu je Ca2+, které se váže na kalmodulin, nikoliv na troponin. Hladká svalovina je řízena mnoha podněty (hormony, autonomní nervy), což umožňuje precizní regulaci vnitřního prostředí. U některých živočichů, jako jsou měkkýši, je hladká svalovina dokonce jediným typem svaloviny

Jaké podněty vyvolávají aktivitu hladké svaloviny? Jaké kosterní?

Aktivitu kosterní svaloviny vyvolává pouze nervový podnět. Akční potenciál z motorického neuronu vede k uvolnění neurotransmiteru acetylcholinu (ACh) na nervosvalové ploténce, který se naváže na ionotropní receptory a vyvolá vznik akčního potenciálu na svalové membráně. Naproti tomu hladká svalovina má podnětové spektrum mnohem širší. Je řízena z autonomního nervového systému (sympatikus/parasympatikus) , různými hormony a místními chemickými signály. Některé typy hladké svaloviny navíc vykazují spontánní, rytmickou aktivitu (pacemaker) a reagují i na mechanické podněty (např. roztažení stěny orgánu).

• Kosterní svalovina: Je aktivována výhradně signálem z motorického neuronu (somatický nervový systém, ovládaný vůlí). Mediátorem je vždy acetylcholin, který se váže na nikotinové receptory. Bez nervu sval nepracuje (atrofuje).

• Hladká svalovina: Aktivace je mnohem pestřejší a často mimovolní. Spouštěčem může být:

1. Autonomní nervový systém (sympatikus/parasympatikus - noradrenalin+adrenalin/acetylcholin).

2. Hormony (např. adrenalin, oxytocin, gastrin).

3. Lokální chemické faktory (změna pH, CO2, NO).

4. Mechanické protažení (např. roztažení stěny orgánu).

5. Spontánní aktivita (pacemakerové buňky generující rytmus).

Srovnejte funkční charakteristiky kosterní a srdeční svaloviny.

Kosterní a srdeční svalovina jsou oba typy příčně pruhované svaloviny a oba používají troponin jako spínač pro vápníkové ionty (Ca2+). Funkčně se však zásadně liší, aby plnily odlišné úkoly. Srdeční svalovina tvoří funkční syncytium díky elektrickému spřažení (gap junctions) a má vlastní pacemaker (sinoatriální uzel), který generuje rytmické vzruchy. Na podnět reaguje způsobem vše nebo nic. Klíčový rozdíl spočívá v trvání akčního potenciálu, který je v myokardu velmi dlouhý (Ca2+ plató), což vede k dlouhé absolutní refrakterní fázi. To fyziologicky znemožňuje vznik hladkého tetanu a časovou sumaci, čímž je zajištěno, že srdce má vždy čas na plné uvolnění a naplnění krví. Kosterní svalovina nemá pacemaker ani syncytium, je řízena pouze nervově (motorická ploténka) , reaguje odstupňovaně díky sumaci a je tetanizovatelná.

Srovnejte funkční charakteristiky hladké a kosterní svaloviny.

Z funkčního hlediska se kosterní a hladká svalovina zásadně liší. Kosterní svalovina má vždy motorickou ploténku, je řízena pouze nervově (nutný podnět) a na podnět odpovídá odstupňovanou kontrakcí, protože využívá prostorovou a časovou sumaci. Kontrakce je řízena Ca2+ vazbou na troponin, je rychlá, ale energeticky náročnější Hladká svalovina motorickou ploténku nemá, má schopnost spontánní rytmické činnosti (pacemaker) a reaguje na množství podnětů (nervové, hormonální, mechanické). Její kontrakce je pomalejší, ale energeticky úspornější, a Ca2+ ji řídí vazbou na kalmodulin. Z hlediska stavby kosterní svalovina obsahuje sarkomery a má silně vyvinuté sarkoplazmatické retikulum , zatímco hladká svalovina nemá sarkomery a SR je málo vyvinuté^.

Struktura:

• kosterní je příčně pruhovaná (sarkomery), vyvinuté sarkoplazmatické retikulum

• hladká pruhování nemá (aktin a myosin uspořádány do sítí), SR málo vyvinuté

Řízení:

• kosterní je řízena vůlí (somatické nervy)

• hladká je mimovolní (autonomní nervy, hormony)

Rychlost:

• kosterní je rychlá a unavitelná

• hladká je pomalá, ale velmi vytrvalá

Energetika: Hladká svalovina je velmi úsporná, dokáže udržet napětí dlouhodobě s minimální spotřebou ATP (tzv. "latch mechanismus" - západka).

Iniciace:

• u kosterní vždy vápník z SR, váže se na troponin

• u hladké vápník přichází i z extracelulárního prostoru, váže se na kalmodulin

Popište strukturu kosterního svalu (hierarchie).

sval obal epimysium → snopce obal perimysium → svalová vlákna obal endomysium → myofibrily (řetězce sarkomer, kolem T-tubuly a sarkoplazmatické retikulum) → sarkomera Z–Z → myosin a aktin (aktin, troponin, tropomyosin)

Sval je organizován hierarchicky: Celý sval je obalen epimysiem. Skládá se ze svazků (snopců), obalených perimysiem. Snopce obsahují svalová vlákna (což jsou mnohojaderné svalové buňky), obalená endomysiem. Uvnitř vlákna jsou myofibrily - dlouhé řetězce kontraktilních jednotek zvaných sarkomery. Sarkomera je ohraničena Z-disky a obsahuje tlustá filamenta (myosin) a tenká filamenta (aktin, troponin, tropomyosin).

Popište molekulární kontraktilní mechanizmus svalového stahu - cyklus stahu (Sliding Filament Theory).

Cyklus zahrnuje interakci aktinu a myosinu:

1. Klidový stav: Myosinová hlavička má navázané ADP a P (fosfát) a je v napřímené pozici, ale vazba na aktin je blokována tropomyosinem.

2. Excitace: Ca2+ se naváže na troponin, ten způsobí odkrytí tropomyosinu, který odblokuje aktin.

3. Vazba (Cross-bridge): Myosin se naváže na aktin.

4. Záběr (Power stroke): Z myosinu se uvolní fosfát (P) a ADP. Tato chemická změna způsobí ohnutí krčku myosinu, což posune aktinové vlákno směrem do středu sarkomery (zkrácení svalu).

5. Odpojení: Na myosin se naváže nová molekula ATP, což způsobí, že se myosin pustí aktinu.

6. Reaktivace: ATP se hydrolyzuje na ADP a P, energie se využije k narovnání hlavičky do výchozí polohy. Cyklus se opakuje, dokud je vápník a ATP.

Popište podrobně, na jaké děje je při svalovém stahu spotřebovávána energie ATP.

Energie ATP není potřeba jen na samotný pohyb, ale na tři klíčové procesy:

1. Myosinová ATPáza (cyklus stahu): ATP je nutné k odpojení myosinu od aktinu a jeho hydrolýza (rozpad na ADP + P) dodává energii pro napřímení hlavičky myosinu před záběrem (do ready pozice).

2. SERCA pumpa (Ca2+-ATPáza): Aktivní transport vápníku z cytoplazmy zpět do sarkoplazmatického retikula. Toto je nezbytné pro relaxaci (uvolnění) svalu a ukončení stahu.

3. Na+/K+ ATPáza: Udržování klidového membránového potenciálu na membráně svalového vlákna po proběhnutí akčního potenciálu, aby byl sval připraven na další vzruch. Sodno-draslíková pumpa pumpuje 3Na+ ven a 2 K+ dovnitř za spotřeby ATP.

Popište nervosvalové spojení na kosterním svalu a okolnosti přenosu vzruchu z nervu na sval.

Spojení se nazývá motorická ploténka.

1. Akční potenciál dorazí na konec motorického neuronu.

2. Otevřou se napěťově řízené Ca2+ kanály, vápník vteče do nervového zakončení.

3. To vyvolá exocytózu vezikul s neurotransmiterem acetylcholinem (ACh) do synaptické štěrbiny.

4. ACh difunduje k membráně svalu (sarkolema) a váže se na nikotinové ACh receptory.

5. Tyto receptory jsou iontové kanály, které se otevřou a vpustí do svalu Na+.

6. Vznikne ploténkový potenciál, který vyvolá akční potenciál šířící se po svalu a do T-tubulů.

7. ACh je následně rychle rozložen enzymem acetylcholinesterázou, aby stah nepokračoval neustále.

8. Svalový akční potenciál se šíří do T-tubulů, odkud je signál přenesen k sarkoplazmatickému retikulu (SR), které je zásobárnou Ca2+

9. Ca2+ se poté masivně uvolňuje ze SR do sarkoplazmy a váže se na troponin, čímž spouští samotnou kontrakci

Co rozumíme pojmem allometrický vztah? Uveďte příklad a důsledky jednoho fyziologicky významného allometrického vztahu.

Allometrie popisuje nelineární vztah mezi velikostí těla (hmotností) a fyziologickými parametry (např. metabolismem, tepovou frekvencí). Klasickým příkladem je vztah bazálního metabolismu (MR) a hmotnosti (M).

Důsledek: Malí živočichové mají mnohem vyšší intenzitu metabolismu na gram tkáně než velcí živočichové ("Mouse-to-Elephant curve"). Proto musí malí savci (rejsek) jíst téměř neustále a mají mnohem rychlejší tep, zatímco slon má pomalý metabolismus na gram tkáně a stačí mu méně potravy relativně k váze.

Jaký je klidový intra/extra celulární poměr koncentrace vápníkových iontů? Co je příčinou?

Koncentrace Ca2+ je extrémně asymetrická. Extracelulárně je koncentrace vysoká (cca 1-2 mmol/l), zatímco intracelulárně (v cytoplazmě) je extrémně nízká (cca 100 nmol/l). Rozdíl je tedy 10 000 násobný.

Příčina: Buňka aktivně udržuje nízký vápník pomocí pump (Ca2+-ATPáza, Na+/Ca2+ výměník), které ho čerpají ven nebo do organel (ER/sarkoplazmatické retikulum). Důvodem je, že Ca2+ funguje jako "second messenger" – jeho nepatrné zvýšení v cytoplazmě funguje jako silný signál pro spuštění dějů (stah svalu, sekrece hormonů), což by při vysokém pozadí nešlo.

Co je to cytoskelet, jak se dělí, jaký je jeho biologický význam?

Cytoskelet je dynamická síť proteinových vláken v cytoplazmě.

Dělí se na:

1. Mikrotubuly (tubulin): Tvoří "kolejnice" pro transport organel (kinesin/dynein), tvoří dělící vřeténko, řasinky a bičíky.

2. Mikrofilamenta (aktin): Zajišťují tvar buňky, améboidní pohyb (panožky), svalový stah (s myosinem)., kontraktilní prstenec.

3. Intermediární filamenta: Zajišťují mechanickou pevnost a odolnost buňky v tahu (např. keratin).

Význam: Opora buňky, nitrobuněčný transport, buněčné dělení, pohyb buňky i celého organismu.

Popište reakci savčího srdce na sympatickou a parasympatickou inervaci. Jaký je mechanismus takového řízení?

Srdce má vlastní automacii (pacemaker), ale nervy ji modulují.

Sympatikus:

• Působí pozitivně (zrychluje tep, zvyšuje sílu stahu)

• Mediátor noradrenalin se váže na β-adrenergní receptory → zvyšuje propustnost pro Ca2+ a Na+, čímž urychluje depolarizaci pacemakeru.

Parasympatikus (bloudivý nerv):

• Působí negativně (zpomaluje tep)

• Mediátor acetylcholin se váže na muskarinové receptory → otevírá K+ kanály, draslík vytéká ven, dochází k hyperpolarizaci a zpomalení nástupu dalšího stahu.

• V klidu u člověka dominuje parasympatikus (vagový tonus).

Co za svalovinu používá gepard při sprintu a co při stání na místě? + popsat

Při sprintu zapojuje rychlá glykolytická vlákna (Typ IIb, bílá).

Vlastnosti:

• málo myoglobinu a mitochondrií (proto bílá)

• velké zásoby glykogenu

• rychlá myosinová ATPáza

• energie jen z glykolýzy

• rychlý a silný stah, ale rychlá únava (kyslíkový dluh)

Při stání (udržování postoje) zapojuje pomalá oxidativní vlákna (Typ I, červená). Vlastnosti:

• hodně myoglobinu (kyslík) a mitochondrií

• energie z oxidativní fosforylace

• pomalý stah, ale prakticky neunavitelná

Vysvětlete detailně, co je to prostorová sumace u kosterního svalu obratlovce.

Princip zvýšení síly svalového stahu zapojením většího počtu motorických jednotek najednou. Jedna motorická jednotka (nerv + jím ovládaná svalová vlákna) vyvine jen malou sílu. Pokud mozek potřebuje zvednout těžší břemeno, aktivuje ("rekrutuje") další a další sousední motorické jednotky. Síly jednotlivých vláken se v prostoru sčítají, což vede k silnějšímu celkovému stahu svalu.

V praxi, když budeme slabými elektrickými impulzy dráždit sval, napětí bude úměrné svalovému stahu.

(Odlišit od časové sumace, kde se zvyšuje frekvence impulzů do jednoho nervu).

Jaké znáte typy opěrných systémů živočichů? Jaké mají vlastnosti?

1. Hydroskelet: Kapalina pod tlakem v uzavřeném prostoru (např. žížala, jazyk, chobot). Svaly pracují proti nestlačitelné tekutině. Flexibilní, ale nechrání tělo.

2. Exoskelet (Vnější kostra): Pevná schránka na povrchu (členovci - chitin, měkkýši - uhličitan vápenatý). Chrání orgány, slouží k úponu svalů zevnitř. Nevýhoda: neumožňuje plynulý růst (nutnost svlékání), omezuje velikost zvířete (tíha).

3. Endoskelet (Vnitřní kostra): Uvnitř těla (obratlovci - kost/chrupavka, ostnokožci). Roste se zvířetem, nese velkou hmotnost, svaly se upínají zvenčí. Nechrání měkké tkáně na povrchu.