Predgovor

Ova skripta je rezultat realizacije projekta finansiranog od strane WUS-Austrija u okviru programa CDP+ (Course Development Program) za predmet Uporedna fiziologija životinja za studente biologije Prirodno-matematičkog fakulteta, Univerziteta u Novom Sadu.

Namera autora je bila da pruže studentima informacije koje će im pomoći da razumeju kako funkcionišu životinje, kao i da otkriju da veliki broj problema u izučavanju fiziologije životinja može biti razumljiv ako se razume nekoliko osnovnih principa. Skripta je pisana sa željom da se studentima olakša prihvatanje “fiziološkog načina razmišljanja” i omogući razumevanje fundamentalnih mehanizma očuvanja homeostaze, koje životinje koriste u stalnoj borbi za opstanak. Tekst skripte sadrži poglavlja koja opisuju uporedne karakteristike i funkcije telesnih tečnosti, kao i opis mehanizama imunog odgovora, zatim uporedni pregled fukcionalne organizacije svih organskih sistema, i na kraju integrativnu i regulatornu funkciju endokrinog sistema.

Ova skripta je pokušaj formiranja pisanog materijala iz kursa Uporedna fiziologija životinja čiji su idejni tvorci Prof. Dr. Desanka Marić i Prof. Dr. Irena Simonović, a koji se od početka postojanja Instituta za bioligiju izvodi kao obavezan predmet za sve biološke smerove Prirodno-matematičkog fakulteta.

Veliko hvala našim mladim fiziolozima, Kristini Pogrmić i Mariji Janjić na pomoći oko tehničke obrade slika i korekture teksta, kao i Predragu Nikoliću za tehničko grafičko oblikovanje i strpljenje.

Na kraju, jedno jednostavno i ogromno hvala G-dinu Gezi Danijelu (štamparija Daniel Print na ogromnom razumevanju i finansijskoj podršci u nameri da našim studentima obezbedimo skriptu koja će im, nadamo se, bar donekle olakšati savlađivanje predviđenog programa kursa. Autori

SADRŽAJ

1. UPOREDNI PREGLED CIRKULIŠUĆIH TELESNIH TEČNOSTI 31.1.HIDROLIMFA 31.2.HEMOLIMFA 31.3.KRV 61.4.RESPIRATORNIPIGMENTI 32

2. OSNOVNI PRINCIPI ORGANIZACIJE I FUNKCIJE IMUNOG SISTEMA442.2. URODJENI IMUNI ODGOVOR 532.3.STEČENI (ADAPTIVNI) IMUNI ODGOVOR 66

3. UPOREDNI PREGLED FUNKCIJA CIRKULATORNOG SISTEMA 783.1.OPŠTI PRINCIPI FUKCIONISANJA CIRKULATORNOG SISTEMA783.2. KANALNI SISTEM ZA CIRKULACIJU 783.3. OTVOREN SISTEM ZA CIRKULACIJU 78UPOREDNI PREGLED FUNKCIJA CIRKULATORNOG SISTEMA 783.4. ZATVOREN SISTEM ZA CIRKULACIJU 81

4. UPOREDNI PREGLED FUNKCIJA RESPIRATORNOG SISTEMA 954.1. OSNOVNI PRINCIPI RESPIRACIJE I RAZMENE GASOVA 964.2.RAZMENA GASOVA KOD BESKIČMENJAKA 984.3. RAZMENA GASOVA KOD KIČMENJAKA 103

5. UPOREDNI PREGLED FUNKCIJA GASTROINTESTINALNOG TRAKTA1165.1. ISHRANA 1165.2. VARENJE HRANE 1215.3 ABSORPCIJA HRANLJIVIH MATERIJA 1275.4 REGULACIJA FUNKCIJE GASTROINTESTINALNOG SISTEMA 1295.5 PROMENE U DIGESTIJI I ABSORPCIJI U ZAVISNOSTI OD DELOVANJA RAZLIČITIH FAKTORA 132

6. OSNOVNI PRINCIPI FIZIOLOGIJE EKSKRECIJE I OSMOREGULACIJE 1346.1.PROMETVODEIELEKTROLITA:UVODIMEHANIZMI 1346.2.PROMETVODEIELEKTROLITA:MEHANIZMI ADAPTACIJE ŽIVOTINJA U NJIHOVOJ ŽIVOTNOJ SREDINI 134OSNOVNIPRINCIPI FIZIOLOGIJE EKSKRECIJEI OSMOREGULACIJE 1346.3. FUKCIONALNA ORGANIZACIJA SISTEMA ZA EKSKRECIJU I OSMOREGULACIJU 1376.4. EKSKRECIJA AZOTNIH MATERIJA KAO PRODUKATA RAZGRADNJE PROTEINAIPURINSKIHIPIRIMIDINSKIHBAZA-KATABOLIZAMPROTEINAIPURINA 138

7. OSNOVNI PRINCIPI I MEHANIZMI TERMOGENEZE I TERMOREGULACIJE 1417.1.OSNOVNIPRINCIPITERMOGENEZE–DETERMINANTETELESNETOPLOTEITEMPERATURE 1417.2. TEMPERATURNA KLASIFIKACIJA ŽIVOTINJA 1427.3.REGULACIJA TEMPERATURE KOD ENDOTERMNIH ŽIVOTINJA1447.4. REGULACIJA TEMPERATURE KOD EKTOTERMNIH ŽIVOTINJA148

8. FUNKCIJE JETRE 152

9. ORGANIZACIJA ENDOKRINOG SISTEMA 155HEMIJSKA KOMUNIKACIJA KAO NAČIN REGULACIJE FIZIOLOŠKIH PROCESA 155HORMONI SE VEZUJU ZA SPECIFIČNE RECEPTORSKE MOLEKULE KOJE EKSPRESUJU CILJNE ĆELIJE 156KONCENTRACIJA HORMONA U CIRKULACIJI VARIRA 156HEMIJSKA PRIRODA HORMONA 157FUNKCIJE HORMONA 159REGULATORNIMEHANIZMIPOVRATNIHSPREGA 1639.1. SINTEZA, SKLADIŠTENJE I SEKRECIJA HORMONA 1649.2. MEHANIZMI DELOVANJA HORMONA 167

10. HIPOTALAMIČNA KONTROLA ADENOHIPOFIZE 173SEKRECIJA HIPOTALAMIČNIH HORMONA 175MEHANIZAM DELOVANJA HIPOFIZOTROPNIH HORMONA 17510.1.HORMONI PREDNJEG REŽNJA HIPOFIZE 176GONADOTROPNIHORMONIADENOHIPOFIZEIPROLAKTIN 178TIREOSTIMULIAJUĆI HORMON 179ADRENOKORTIKOTROPNIHORMON 179HORMONRASTA 18010.2.HORMONI SREDNJEG REŽNJA HIPOFIZE 18310.3.HIPOTLAMIČNA KONTROLA FUNKCIJA NEUROHIPOFIZE183FIZIOLOŠKI EFEKTI I KONTROLA SEKRECIJE OKSITOCINA 187

11. PINEALNA ŽLEZDA 190

12. ENDOKRENA FIZIOLOGIJA REPRODUKTIVNOG SISTEMA 192DIFERENCIJACIJA POLOVA 19212.1.MUŠKIREPRODUKTIVNISISTEM 193MEHANIZAM DELOVANJA ANDROGENA 196FIZIOLOŠKIEFEKTIANDROGENA 196KONTROLA TESTIKULARNE FUNKCIJE 19712.2. ŽENSKI REPRODUKTIVNI SISTEM 198

13. FIZIOLOGIJA ENDOKRINOG SISTEMA INVERTEBRATA 210HORMONI PRESVLAČENJA I METAMORFOZE KOD INSEKATA 21013.1. METAMORFOZA INSEKATA MOŽE BITI NEPOTPUNILIPOTPUNPROCES 21113.2. HORMONI I NEUROHORMONI KOJI KONTROLIŠU METAMORFOZUINSEKATA 211

�

Pojava višećelijskih organizama, evolutivno posmatrano, bila je povezana sa razvitkom sistema koji su obezbedili integraciju pojedinih delova tela u jedinstvenu funkcionalnu celinu. Ovaj put integracije organizama vrši se u dva pravca: nervni put integracije organizama (razvoj CNS) i humoralni put integracije organizama (pojava i razvoj sistema za cirkulaciju telesnih tečnosti). Blagodareći cirkulaciji tečnosti obezbedjuje se stalna uzajamna hemijska veza izmedju različitih organa odnosno delova tela. Drugim rečima preko telesnih tečnosti specifične hemijske materije koje se sintetišu u jednim ćelijama dospevaju do drugih; ovim putem se ćelije snabdevaju hranjivim materijama, vrši se promet gasova izmedju spoljašnje sredine i ćelija i vrši se oslobadjanje ćelija od produkata metabolizma (ekskrecija).Prateći telesnu tečnost kao unutrašnju sredinu počev od najprostijih višećelijskih organizama pa do kičmenjaka nailazimo na telesne tečnosti sve složenijeg sastava i sve većeg broja funkcija. Usložnjavanje telesne tečnosti ide uporedo sa opštim usložnjavanjem životinjskih organizama, i izmedju ostalog, praćeno je razvitkom i diferencijacijom sistema sudova kojima se ove tečnosti kreću u telu životinja.Na osnovu stepena složenosti telesnih tečnosti koje cirkulišu u organizmu različitih životinja, a i na osnovu evolucije sistema za cirkulaciju razlikuju se sledeći tipovi telesnih tečnosti:

- hidrolimfa- hemolimfa- krv- limfa

1.1. HIDROLIMFA

Hidrolimfa je telesna tečnost najprostijeg sastava, to je ustvari tečnost spoljašnje sredine u kojoj životinja živi. Drugim rečima, hidrolimfa je cirkulišuća telesna tečnost koja ne poseduje sopstvene organske i neorganske materije.Ona je karakteristična za Spongia, Coelenterata i Turbellaria. Hidrolimfa dospeva iz spoljašnje sredine i cirkuliše u kanalnom ili gastrovaskularnom sistemu. Centralni deo tog sistema zauzima želudac od koga polaze radijalni kanali koji su obloženi trepaljavim epitelom koji obezbedjuje stalni tok hidrolimfe u jednom pravcu. Prolazeći kroz telo životinje ona prenosi rastvoren kiseonik koji difuzijom dospeva do ćelija koje ga koriste. Hidrolimfa nije nosilac funkcije vezivanja kiseonika nego samo transporta fizički rastvorenog kiseonika u vodi. Neki dupljari poseduju proteinske materije koje se smatraju za preteče respiratornih pigmenataHidrolimfom se u telo životinje unose i hranljive materije rastvorene u vodi. Hidrolimfa koja izlazi iz organizma je osiromašena hranljivim materijama i obogaćena produktima ćelijskog metabolizma.

1.2. HEMOLIMFAHemolimfa je složena telesna tečnost koja je po svojim karakteristikama vrlo udaljena od hidrolimfe. To je telesna tečnost koja cirkuliše u otvorenom sistemu za cirkulaciju telesnih tečnosti tj. cirkuliše delom kroz izdiferencirane sudove koji podsećaju na krvne sudove, a delom se izliva u hemocel ili šupljine označene kao lakune (manji) i sinuse (veće) i tako stupa u kontakt sa ćelijama organizma.

Uporedni pregled CirkUlišUćih Telesnih TečnosTi 01

�

Hemolimfa je cirkulirajuća tečnost zastupljena kod većine beskičmenjaka (crva, sa izuzetkom Tubrelaria, mekušaca, bodljokožaca, rakova, insekta i plaštaša).Šta hemolimfu čini složenom telesnom tečnošću?1. Sopstvene organske i neorganske materije (sastav hemolimfe samo delimično zavisi od spoljašnje sredine)2. Sadrži respiratorne pigmente3. Sadrži ćelijske elemente

1.2.1. Sastav hemolimfeNeorganski sastojci: H2O (95-97%) u formi slobodne vode (rastvarač) i vode vezane za proteine hemolimfe.Od neorganskih materija dominiraju hloridi (koncentracija varira obično od 0.6-0.7%) i to najviše vezani za Na+ (dominantni ekstracelularni katjon). Koncentracija NaCl u hemolimfi vodenih beskičmenjaka je mnogo manja nego kod suvozemnih, a najveću koncentraciju imaju larveni oblici neki do 2-2,5% (npr. Tenebrionida 2.13%). Sem hlorida u hemolimfi su zastupljeni bikarbonati i fosfati (sulfati u tragu), koji zajedno sa aminokiselinama i proteinima predstavljaju puferske sisteme hemolimfe koji obezbedjuju pH hemolimfe. pH hemolimfe se kreće od 6.4-8.0. Pri ovakvom pH mineralne soli su disocirane i obezbedjuju osmotski pritisak.

Organski sastojci: Proteini-albumini i globulini. Njihova koncentracija kod različitih predstavnika varira: npr. Helix ima znatno više proteina nago Anodonta (minimalne količine) to pokazuje da su Helide na višem evolutivnom stupnju u odnosu na Anodontu. Koncentracija proteina u evolutivnom nizu u životinjskoj seriji se povećavala. Iako koncetracija proteina dosta varira u zavisnosti od vrste, ona je konstantna za odredjenu vrstu, odnosno nije zavisna od fiziološke aktivnosti životinje.Proteini obezbedjuju koloidno-osmotski pritisak tzv. onkotski pritisak. Glavnu ulogu u održavanju koloidno osmotskog pritiska imaju albumini dok globulini znatno manje. U poredjenju sa osmotskim pritiskom koji obezbedjuju disosovane soli, pritisak koji obezbedjuju proteini je neznatan, a zavisi kako od količine proteina tako i od molekulske mase.Hemolimfa ne sadrži belančevinu fibrinogen, te ona ne koaguliše, u smislu aktivacije efikasnog kaskadnog sistema za koagulaciju krvi kakav postoji kod kučmenjaka. Medjutim, neki sistemi za koagulaciju hemolimfe ipak postoje. Poznato je da hemolimfa rečnog raka (Astacus fluviatilis) prelazi iz tečnog u čvrsto agregatno stanje, ali mehanizam kojim se ovo ostvaruje do sada nije potpuno rasvetljen. Kod insekata koagulacija uključuje interakciju između pojedinh klasa hemocita kao što su plazmatociti, granulociti, enocitoidi

i sferociti i faktora rastvorenih u hemolimfi. Sistem za koagulaciju kod insekata se javlja ne samo kao posledica prodora mikroorganizma nego i kao odgovor na povredu a sve u cilju zaštite od gubitka hemolimfe. Dva tipa mehanizma koagulacije su do danas proučena kod beskičmenjaka. Prvi koji je nađen kod rakova i insekata, podrazumeva formiranje gel stanja hemolimfe polimerizacijom koagulacionih proteina. Ovaj proces je katalisan, Ca++ zavisnom transglutaminazom, enzimom koji se oslobađa iz hemocita ili mišićnih ćelija. Kod insekata značajanu ulogu imaju i lipoforini koji se unakrsno povezuju tokom “koagulacije”. Drugi tip formiranja gel stanja hemolimfe, podseća na proces koagulacije kod kičmenjaka tj. obuhvata kaskadnu aktivaciju serin-proteaza a mehanizam aktivacije ovih enzima zavisi od Ca++ jona.U hemolimfi se mogu naći proteini koji imaju različite funkcije u organizmu kao što su: rezervni proteini, transportni proteini (lipoforini), enzimi i njihovi inhibitori (naročito inhibitori proteaza), ovarijalni proteini, respiratorni pigmenti, antibakterijski proteini, lektini, proteini toplotnog šoka i drugi.Poseban značaj u dizajnu hemolimfe imaju respiratorni proteini. Oni vrše transport gasova tj. hemijski vezuju kiseonik na nivou respiratornih površina i transportuju ga do tkiva gde se otpušta i difunduje u ćelije. Respiratorni pigmenti mogu biti lokalizovani ekstracelularno, rastvoreni u hemolimfi ili u ćelijama. Svi respiratorni pigmenti su kompleksi metala i proteina – metaloproteini ili hromoproteini (zato što im metal daje boju). Na osnovu zooloških i biohemijskih kriterijuma respiratorni pigmenti su klasifikovani u 6 grupa: hemoglobin, hemeritrin, hlorokruorin, hemocijanin koji se može podeliti u dve grupe: hemocijanin molusaka i hemocijanin artropoda i ahroglobin.Amino kiseline – karakteristika hemolimfe, pre svega insekatske hemolimfe, je postojanje visokog sadržaja aminokiselina (20-100 mmol/l u odnosu na čoveka 2-3 mmol/l). To su slobodne aminokiseline koje se ne nalaze u formi proteina. Postoje odredjene razlike izmedju vrsta, odnosno u okviru iste vrste u zavisnosti od stadijuma razvića i ishrane. Značaj visokog nivoa amino kiselina u hemolimfi nije potpuno razjašnjen. One imaju gradivnu funkciju tj koriste se za biosintezu proteina tkiva. Smatra se da učestvuju u regulaciji osmolarnosti hemolimfe i da mogu predstavljati izvore energije npr. prolin je jedan od izvora energije kod muva i krompirove bube. Takodje, pokazano je da tirozin učestvuje u procesu formiranja kutikule.

�

Tabela 1.1. Onkotski i osmotski pritisak u telesnim tečnostima

životinjske grupe koloidno-osmotski P(mmHg)

osmotski P(mmHg)

ukupniP(mmHg)

Aplizija (Gastropoda) 0.20 1.78 1.80Omar(Homarus vulgaris; rak)

1.15 7.35 8.50

Octopus vulgaria 3.24 36.70 40.00Žaba 4.20 45.8 50.00

Glukoza – količina glukoze u hemolimfi takole varira kod različitih predstavnika. Medjutim postoje variranja i kod jedne iste vrste, odnosno kod jedne iste jedinke u zavisnosti od fiziološke aktivnosti.

Tabela 1.2. Koncentracija glukoze u hemolinfi kod pojedinih predstavnika

životinjske grupe koncentracija glukoze mg%

Helix 3-30Insekti 10-50rečni rak 6-36

Maksimalna je koncentracija kada se životinja nalazi u fazi aktivnog fiziološkog stanja (u našim klimatskim uslovima: proleće, leto, rana jesen), a minimalna u fazi fiziološke pasivnosti tzv. letargije (zima). To je sasvim jasno ukoliko se zna da je glukoza osnovna energetska materija za ćelije: u toku fiziološke aktivnostu životinja se aktivno hrani, intezivirani su metabolički procesi te se troši glukoza. U fazi letargije metabolički procesi su usporeni, a glukoza se dobija na račun glikogena iz ćelija ili hepatičnih ćelija hepatopankreasa.U hemolimfi beskičmenjaka se susreću velike fluktacije u pogledu koncetracije glukoze (puž 10x, insekti 50x itd...). Kičmenjaci, naročito sisari, su manje tolarantni na variranja u koncentraciji glukoze (čovek: 80-120 mg%, a dijabetičari 300mg%)U hemolimfi insekata, se u većoj količini može naći i trehaloza (1-5%) koja takodje predstavlja energetski izvor za mnoga tkiva.Lipidi – nisu zastupljeni jednako kod svih predstavnika. U hemolimfi insekata se nalaze fosfolipidi, triacilglicerol, diacilglicerol, steroli, slobodne masne kiseline. Lipidi se u hemolimfi uglavnom nalaze vezani za neke nosače tj transportere. Lipoforini su lipoproteini, koji funkcionišu kao transporteri za lipide u hemolimfi insekata. Kod ovih životinja lipidi se degradiraju i absorbuju u srednjem

crevu kao triacilgliceroli, diacilgliceroli i fosfolipidi a zatim transportuju hemolimfom po telu životinje. Kod insekata postoje bar dve vrste lipoforina: lipoforin koji transportuje diacilglicerol i lipoforin koji transportuje triacilglicerol. Takodje, steroidni hormon-juvenilni hormon se u hemolimfi transportuje vezan za lipoforine. Organske kiseline – pokazano je postojanje malih molekula organskih kiselina. To su one koje se mogu naći i u ciklusu trikarbonskih kiselina npr. citrat, sukcinat, fumarat, malat, oksalacetat. Uloga ovih jedinjenja nije najjasnija, ali bi mogla biti povezana sa energetskim statusom organizma.Polioli – su alkoholi koji su detektovani u hemolimfi pre svega glicerol, manitol, treitol. Ova jedinjenja su važni kao krioprotektanti odnosno deluju kao antifriz molekuli. U većoj koncentraciji se mogu naći u hemolimfi organizama koji prezimljuju u dijapuzi.

1.2.2. Hemociti

Hemociti su uobličena “telašca” tj. uobličeni elementi vaskularnog sistema, koji se prvi put sreću u hemolimfi. Njihov broj je različit kod različitih predstavnika. bodljokošci 6-11000 rakovi 8-14000; 26-40000 Helix 10-30000 crvi 25-80000Međutim, postoje variranja u broju hemocita unutar iste vrste, kao i kod jedne jedinke u odnosu na godišnja doba. U vreme kada su životinje aktivne hemocita ima u velikom broju (proleće, leto, rana jesen). Tokom zime, kada se životinja nalazi u fazi letargije, broj hemocita je smanjen. To su više manje loptasta, bezbojna telašca, dimenzija 2-30 µm. Lagano se ameboidno kreću i najčešće se nalaze u grupacijama.Jedina za sada utvrđena i dokazana uloga hemocita je njihovo direktno učestvovanje u spečavanju isticanja hemolimfe iz organizma na mestu oštećenja tj. lezije. Na mestu povrede ili lezije sakuplja se veći broj hemocita, koji se posle nekog vremena medjusobno slepljuju (podseća na aglutinaciju trombocita) i nagrade tzv. plazmodijalni čep koji zatvara razoreni telesni zid. Ova pojava predstavlja primitivan oblik zaštite homeostaze oštećenog organizma, kao što kod kičmenjaka obezbedjuje koagulacija krvi. Postoji nekoliko teorija koje pokušavaju da objasne u kom organu tj. organima se odvija proces stvaranja, diferencijacije i maturacije hemocita tj. hemocitopoeza, kako u toku embrionalnog života, tako i u postembrionalnim stadijumima. Postoje tzv. “srednje-mezodermska” teorija, teorija “celomske kese”, a najviše je prihvaćena teorija da se hemocitopoeza odvija u subezofagijalnom telu, kod adulta

�

smeštenom oko izdiferenciranog dorzalnog vaskularnog suda. Hemociti prolaze kroz više stadijuma razvića i sazrevanja a koji se odvijaju van hemocitopoetskog tkiva tj. odvijaju se u hemolimfi. Zbog toga se u hemolimfi mogu naći hemociti u različitim stadijumima razvoja. U svakom slučaju, hemocitopoetsko tkivo kod beskičmenjaka funkcionalno odgovara hematopoetskom tkivu kičmenjaka, pa bi shodno tome i u ovom tkivu ta osnovna, početna ćelija u hemocitopoezi bila pluripotentna pramajka ćelija. Hemocitopoetski organ isključivo sadrži pluripotentnu-stem ćeliju (prohemocit) i plazmatocite dok su ostale forme hemocita nađene isključivo u cirkulaciji što ukazuje da se stem ćelija diferencira primarno u plazmatocit dok se ostale forme obrazuju kada plazatocit dospe u cirkulaciju. Što se tiče insekatskih hemocita, većina autora smatra da se maturacija hemocita najvećim delom odvija u hemolimfi, a samo jednim malim delom i u hemocitopoetskom tkivu.

Glavni tipovi hemocitaPostoje neslaganja u mišljenju o broju tipova hemocita kod beskičmenjaka. Najbolje su proučeni kod insekata, gde kako se čini ima i najviše tipova. Najzastupljeniji tipovi hemocita su prohemociti (PR), plazmatociti (PL), granulociti (GR), koji iako se nalaze u cirkulaciji predstavljaju prekursorke ćelije ostalih tipova, zatim, sferulociti (SPh), adipociti (AD), enociti ili enocitoidi (OE), koagulociti (CO) ili trombocitoidi ili cistociti, podociti (PO) i vermiciti (VE).

Generalno je prihvaćeno da postoje tri funkcionalna tipa hemocita:

1) osnovna ćelija – PR2) fagocitne ćelije - OE3) nefagocitne ćelije - CO

Kao što je već spomenuto, prva ćelija u hemocitopoezi je pluripotentni prohemocit (PR) od koga rastom, diferencijacijom, sazrevanjem i deobom nastaju ostali tipovi hemocita. SPh (sferulociti) AD (adipociti)PR PL GR CO (koagulociti, trombocitoidi) OE (enociti ili enocitoidi) VE (vermiciti) PO (podociti)Fagocitne ćelije poseduju veći ili manji broj heterogenih granula (lizozomalnih, bazofilnih, mukopolisaharidnih) i vakuole. OE poseduju neupadljive vakuole i sitne, svetle

teško vidljive granule (po nekim autorima, te granule ne postoje, nego se samo javljaju kao artefakt u procesu bojenja hemocita odredjenom metodom). Fagocitne ćelije, kako i samo ime kaže, vrše fagocitozu raznih stranih tela (mikroorganizama, partikula nekrotičnih tkiva, itd), čime štite organizam tj. imaju direktnu zaštitnu ulogu od raznih agenasa. Na osnovu ove osobine hemociti fagocitnog tipa odgovaraju leukocitima kičmenjaka. Prisustvo granula u citoplazmi posebno lizozomalnih i bazofilnih, ukazuje na aktivnost tj. da ovi hemociti vrše inaktivaciju i digestiju stranih agenasa, često patogenih, koji ulaze u organizam preko digestivnog trakta, disajnim putevima (kroz traheje), ili preko integumenta. Prisustvo vakuola nameće zaključak da se fagocitirani agensi “digeriraju” po tipičnom intracelularnom “varenju”.Koagulociti (CO) su nefagocitni hemociti. Sinonimi su trombocitoidi i cistociti. Različitog su dijametra (3-30 µm) i veoma su osetljive, nestabilne i razgradnji podložne ćelija. Jedro im je relativno malo, uglavnom ekscentrično, ovalno, sa jasno izraženim ivicama. Ćelijska membrana je slabo vidljiva ukoliko se koagulociti boje klasičnim bojama. Citoplazma poseduje fine heterogene granule. Dosta podsećaju na plazmatocite i granulocite. Membrana koagulocita fomira tzv. “kanale” koji imaju funkciju u stvaranju plazmodijalnog čepa. Naime, kroz ove ruptuirane tvorevine se delimično izliva citoplazma i doprinosi čvršćem kontaktu izmedju “slepljenih” koagulocita ili se čak na ovaj način i ostvaruje slepljivanje koagulocita. Smatra se da plazmodijalni čep nastaje tako što se citoplazma hijalinskog tipa “izliva kroz membranske kanale” i doprinosi slepljivanju koagulocita. Za slepljene koagulocite se vežu i druge hemocite, a sve ukupno uzevši, proces se može nazvati pasivna aglutinacija. Smatra se da ozleda favorizuje proces diferencijacije koagulocita od plazmatocita, kao i da, u zavisnosti od veličine ozlede, čak i neki drugi tipovi hemocita u nekim stadijumima razvoja, mogu da se transformisu u koagulocite. Ostali tipovi hemocita nisu dovoljno istraženi i nije specifično opisana njihova funkcija.

1.3. KRV

Krv je najsloženija telesna tečnost životinjskih organizama, koju karakteriše stabilnost u pogledu organskog i neorganskog sastava označena kao homeostazis. Stalnost sastava krvi je naročito izražena kod homeoterama: ptica i sisara.Krv cirkuliše u zatvorenom sistemu za cirkulaciju.Ukupna količina krvi u odnosu na telesnu masu se povećavala u toku evolucije.

�

Tabela 1.3. Srednje vrednosti količine krvi u odnosu na telesnu masu životinja izražene u %

Ribe 2%Vodozemci 4.8%Reptili 5.8%Ptice 8.2%Sisari 6.8%

Tabela 1.4. Količina krvi izražena u odnosu na telesnu masu sisara izražena u procentima

Svinja 4.6%zec, zamorac, pacov 4.7%-5.5%čovek 5%-kod čoveka teškog 70kggoveče i ovca 7.1%-8.1%konj 9.8%

Krv se sastoji od tečne komponente (krvni serum/plazma) i ćelijskih elemenata. Krv koja ističe iz povređenog krvnog suda kaoguliše tj. prelazi u meku pihtijastu masu-krvni kolač iz koga se nakon izvesnog vremena istisna prozračna žućkasta tečnost, krvni serum.

Ukoliko se na neki način spreči koagulacija krvi npr. dodavanjem nekog antikoagulansa, ćelijski elementi će se posle izvesnog vremena sedimentirati a preostala tečnost tj. supernatant predstavlja krvnu plazmu. Serum ima gotovo isti sastv kao plazma sa izuzetkom fibrinogena, koji je u procesu koagulacije prešao u fibrin i nalazi se u sastavu koaguluma, i II, V i VIII faktora koagulacije. Takođe, u serumu se nalazi veća koncentracija serotonina, noradrenalina i adrenalina koji su se oslobodili iz raspadnutih trombocita tokom koagulacije krvi.Odnos između uobličenih elemenata krvi i plazme izražen u volumen procentima naziva se hematokrit.

Tabela 1.5. Hematokrit kod nižih i viših kičmenjaka

životinjska grupa plazma elementipticeisisari 65-46% 35-54%niži kičmenjaci 85-60% 15-40%čovek 50-60% 50-40%

Iz ovih podataka se može zaključiti da niži kičmenjaci imaju veću količinu plazme tj. da se tokom evolucije broj ćelijskih elemenata povećavao.

1.3.1. Sastav seruma/plazmeNeorganski sastojci:Voda je u plazmi zastupljena oko 90-92% i nalazi u obliku

slobodne vode (služi kao rastvarač) i vezane vode (za proteine, naročito albumine plazme). U krvi se nalazi oko 0.6-0.9% neorganskih soli od kojih dominraju hloridi, zatim bikarbonati, fosfati i sulfati. Ove soli su disosovane pri pH krvi od 7.3-7.5.

Od katjona u serumu/plazmi nalaze se Na, K, Ca, Mg. Nešto malo Fe, Br, Mn, Zn, Cu.

Tabela 1.6. Koncentracija jona u plazmi sisara

joni mg%

Na+ 320-340K+ 16-22Ca++ 9-11Mg+ 2-3Cl- 320-36bikarbonati 60-85fosfati 14-15sulfati 0.5-0.2

Organski sastojci:Proteini. Ukpna količina proteina plazme/seruma pojedinih životinjskih vrsta se povećavala u toku evolucije.

Tabela 1.7. Količina proteina u plazmi kičmenjaka izražena u g% (g/100 ml plazme)

životinjska grupa g%

ribe 2.5žebe 3.27kornjača 3.4ptice 4.14-4.5pas 5.4pacov 5.9čovek 5.93konj 7.6goveče 7.2

Prosti proteini plazme su predstavljeni sa tri frakcije: albumini, globulini i fibrinogen.

Albumini imaju molekulsku masu od 69000 i lako se rastvaraju u vodi. Albumini su odogovorni za oko 80% ukupnog onkotskog pritisaka. Frakcionisanjem nisu izdvojene podfrakcije. Kod viših kičmenjaka postoji veća količina albumina nego kod nižih kičmenjaka

�

Tabela 1.8. Količina albumina u plazmi kičmenjaka

albumini g%sisari 3.5-5.0ptice 1.2-3.0amfibe 0.36-1.0

Globulini imaju molekulsku masu od 176000-1300000. Frakcija globulina se može podeliti u subfrakcije: α1, α2, β1, β2, γ globulini i fibrinogen. Fibrinogen se zbog svog velikog fiziološkog značaja, (učestvuje u procesu koagulacije krvi) izdvaja u posebnu frakciju. U pogledu koncentracije ukupnih globulina kod različitih životinjskih vrsta vlada prilično šarenilo tako da se ne mogu izvesti odgovarajuće zakonitosti.

Tabela 1.9. Količina globulini u plazmi kičmenjaka

globulini g%sisari 2.0-4.8konj 4.79goveče 4.77čovek 2.28-3.5svinja 2.98pas 2.26niži kičmenjaci 2.3

Fibrinogen je lančasti protein, molekulske mase 400 000. Prilikom frakcionisanja izdvaja se između α i β globilina. Viši kičmenjaci imaju oko 0.5g% fibrinogena, dok niži kičmenjaci imaji od 0.7 do 1 g%. Kod čoveka količina fibrinogena je 0.3-0.5%. Složeni proteini: lipoproteini, glikoproteini i drugi.

Fiziološka uloga proteina:1. Gradivna uloga - snabdevanje svih tkiva AK, gradivnim materijalom za sintezu ćelijskih proteina, kao i za sintezu biološki aktivnih materija (enzimi, hormon...)2. Održavanje onkotskog pritiska - zid kapilara je relativno nepermeabilan za proteine plazme tako da su odgovorni za nastajanje osmotske sile od oko 25mmHg (tkz onkotskog pritiska) i utiču na raspodelu vode između krvi i tkiva.3. Puferska uloga – proteini plazme su odogovorni za oko 15% puferskog kapaciteta krvi zbog slabe jonizacije COOH i NH2 grupe (funkcionišu kao amfiterna jedinjenja).4. Transportna uloga – albumini plazme prenose jone, metale, masne kiseline, bilirubin, enzime, hormone i lekove. Vezivanje hormona za proteine plazme sprečava brzu filtraciju hormona na nivou glomerulusa bubrega i obezbeđuje stabilan rezervoar ovih hormona u cirkulaciji koji je dostupan tkivima.

5. Uloga u koagulaciji krvi – fibrinogen, protrombin, antihemofilični globulin i drugi proteini neophodni u koagulaciji krvi. Fibrinogen je osnovni nosilac ovog procesa.6. Odbrambena uloga – krvna plazma sadrži veliko broj nespecifičnih i specifičnih proteinskih sastojaka: properdin, interferoni i antitela koji učestvuju u odbrani organizma od mikroorganizma, stranih ćelija, hemijskih jedinjenja i drugih štetnih materija.

Neproteinski sastojci plazme.Peptidi (oko 3mg%), aminokiseline (2-4mg%), urea (20-40mg%), mokraćna kiselina (2-4mg%), kreatinin i kreatin (1.2-2.2mg%), alantoin, amonijak u tragu

Bezazotni sastojci:Glukoza- u plazmi gradi pravi rastvor. Količina šećera u krvi zavisi od životinjske vrste, ali ne zavisi samo od određenog sistematskog položaja nego i od izvesnih bioloških karakteristika. Tako kod veoma aktivnih formi kolličina šećera u krvi je veća nego kod manje aktivnih iz iste sistematske grupe. Fluktacije u koncentraciji glukoze kod poikiloterama su veće nego kod homeoterama koji su vrlo osetljivi na promene u koncentraciji glukoze. U regulaciji koncentracije glukoze u krvi učestvuje više hormona.

Tabela 1.10. Koncentracije glukoze u serumu/plazmi (mg%)

glukoza mg%ribe 20-80amfibe 20-60reptili 20-60ptice 140-220sisari 70-120ovca i goveče 44-70pacov 80-120čovek 80-120zec 100-130mačaka 110-120

Glukoza predstavlja jedan od osnovnih izvora energije i ima plastičnu ulogu tj. ulazi u sastav različitih tkiva.

Lipidi – u plazmi se nalaze u obliku neutralnih prosti masti, glicerida i u obliku raznih lipoida: holesterola, fosfatida. Neutralnih masti ima 400-600 mg%, a neposredno posle varenja masne hrane količina se povećava i za 100-200 mg%, masnih kiselina 190-450 mg% i holesterola 160-240 mg%. Fosfatidi u krvnoj plazmi su lecitini, kefalini i sfingomijelini.

�

Metabolički proizvodi – u plazmi se nalaze male količine intermedijernih i metaboličkih produkata ugljenih hidrata i masti: mlečna, pirogrožđana i limunska kiselina, ketonska tela itd.

1.3.2. UOBLIČENI ELEMENTI KRVI – KRVNE ĆELIJE

Uobličene elemente krvi čine eritrociti (crvena krvna zrnca), leukociti (bela krvna zrnca) i trombociti (krvne pločice). Prosečne vrednosti kod odraslog čoveka i osnovne funkcije date su u Tabeli 1.11.

Tabela 1.11.. Vrste, broj i osnovna funkcija uobličenih elemenata krvi čoveka

Tip uobličenogelementa krvi

Približan broju µl*

Procentualni udeo u datoj populaciji

Glavni aktivni produkt Glavna uloga

EritrocitiRetikulociti

3.9x106 - 5.5x106♀4.1x106-6x106♂

1% od ukupnog broja eritrocita hemoglobintransport gasova (O2, CO i NO)održavanje acido-bazne ravnoteže(puferska uloga)

Leukocitineutrofieozinofilibazofililimfocitimonociti

6000–100005 000150302400350

% od ukupnog broja leukocita60% - 70%2% - 4%0.1% - 0.5%25% - 35%2% - 8%

lizozim, mijeloperoksidazakatepsin,peroksidazahistamin, heparinimunoglobulini , lizozimlizozomalnienzimi

odbrambenafagocitoza bakterijaodbrana protiv parazitskih helminataučešće u inflamatornom odgovoruuništavanje antigena specifičnim mehanizmimafagocitoza u različitim tkivima u organizmu

Trombociti 200 000 – 500 000 neki faktori koagulacije hemostaza

* u literaturi se mogu naći vrednosti izražene u mm3 što odgovara µl

Hematopoeza – proces nastajanja uobličenih elemenata krviHematopoeza (grč. haima–krv + poesis –nastajanje) je proces nastajanja ćelija krvne loze. Uobličeni elementi krvi ili krvne ćelije nastaju kao potomci prekursorske ćelije koja se naziva pluripotentna hematopoetska matična ćelija (engl. stem cell). Ovaj tip ćelija se nalazi u koštanoj srži. Veoma je intersantno napomenuti da pluripotentna ćelija koja je predak svih ćelija krvne loze ima neverovatnu sposobnost da se razvije i diferencira u veliki broj različitih ćelijskih tipova. Ovo svojstvo joj je omogućeno jer poseduje izuzetno bogat i raznovrsan genetički materijal, te teorijski može da se diferencira u bilo koji tip ćelija. Prisustvo odredjenih hemijskih medijatora (citokina, faktora rasta i dr) usloviće da od ove ćelije prvo nastane opredeljena matična ćelija, a potom i progenitorna ćelija koja ima sposobnost da se diferencira u jedan ili dva tipa krajnjih ćelija. Faktori koji se produkuju prilikom sazrevanja i diferencijacije pluripotentne matične ćelije se sekretuju od strane fibroblasta, makrofaga,

aktivnih T ćelija, endotelijalnih ćelija i deluju lokalno na nivou koštane srži. Progenitorska ćelija će se u prisustvu različitih i specifičnih citokina diferencirati u eritrocite, limfocite, ostale ćelije bele krvne loze, kao i megakariocite (prekursori trombocita).U ranom embrionalnom razvoju (treća nedelja) kod embriona čoveka se hematopoeza odvija u žumančanoj kesi i ispoljava se formiranjem ćelijskih klastera. Neki od ovih klastera će dati endotelijalni sloj oko krvnih sudova, a ostale će postati prekursori uobličenih elemenata krvi. Zajedničko poreklo ćelija endotela krvnih sudova i uobličenih elemenata verovatno objašnjava zašto je većina citokina koji regulišu

i kontrolišu hematopoezu sekretovano od strane ćelija vaskularnog endotela. Tokom daljeg razvoja, hematopoetsku ulogu preuzimaju i jetra, slezina i koštana srž. Nakon rodjenja, jetra i slezina prestaju da vrše hematopoestku ulogu, sem kod nekih urgentnih stanja kao što su hemoragije. Hematopoeza se odvija u koštanoj srži svih kostiju skeleta sve do pete godine života. Tokom odrastanja, a posebno tokom puberteta se hematopoetska funkcija pojedinih kostiju postepeno gubi jer se njihova crvena pulpa (crvena boja potiče od hemoglobina) zamenjuje žutom (boja potiče od masnih naslaga u adipocitima). Kod odraslih ljudi hematopoeza je ograničena na koštanu srž sternuma (grudne kosti), karlice, proksimalnih krajeva dugačkih kostiju, rebara, kičmenih pršljenova i lobanje. Iako je hematopoeza kod adulta ograničena na male regione, jetra, slezina i inaktivni regioni koštane srži (žuta koštana srž) mogu produkovati uobličene elemente krvi (ekstramedularna hematopoeza) u slučaju hemoragija, oboljenja koštana srž u kojima ona može biti uništena ili zamenjena fibroznim tkivom, ili nekih

10

drugih stanja. Kod riba koje nemaju razvijenu koštanu srž (koštana srž se prvi put javlja kod amfiba) hematopoeza se odvija u najvećoj meri u bubrezima, nešto manje u slezini, a donekle i u zidu tankog creva.U regionu koštane srži koji aktivno produkuje ćelije krvi, oko 25 % ćelija se razvija u eritrocite, dok je 75 % ćelija “sudbinski predodredjeno” da se razvija u ćelije bele krvne loze. Životni vek leukocita je mnogo kraći nego eritrocita, te se oni moraju frekventnije menjati i obnavljati tj. njihova produkcija mora biti veća kako bi se ta razlika nadomestila. Npr. neutrofili (polimofronuklearni leukociti) imaju poluživot oko 6 sati te ljudski organizam mora napraviti oko 100 biliona neutrofila svakog dana u cilju zamene onih koji su propali i završili svoj životni vek a time i funkciju. Za razliku od neutrofila, eritrociti cirkulišu u vaskularnom sistemu oko cetiri meseca, te je i njihova produkcija slabijeg intenziteta.

Kako je kontrolisana produkcija i razvoj krvnih ćelija? Produkcija crvenih i belih krvnih zrnaca precizno je regulisana kod zdravih osoba, dok se produkcija granulocita brzo i dramatično povećava pri infekcijama. Produkcija i obnova hematopoetskih ćelija zavisi od faktora matičnih ćelija (engl. stem cells factor – SCF), kao i drugih faktora.

Ova kompleksna regulacija se ostvaruje preko hemijskih medijatora tipa citokina, faktora rasta i interleukina. Citokini su peptidi ili proteini koji su produkt sekretorne aktivnosti jedne ćelije a mogu da utiču na rast i aktivnost drugih ćelija. Najbolje proučavani citokini koji učestvuju u regulaciji hematopoeze su kolonija-stimulirajući faktori (engl. colony stimulating factors – CSF, molekuli koji su sekretovani od strane ćelija endotela, kao i leukocita. CSF faktori su identifikovani i nazvani po njihovoj sposobnosti da stimulišu rast kolonija leukocita u kulturi, a stimulišu i regulišu produkciju i razvoj leukocita u koštanoj srži (leukopoezu). Oni imaju sposobnost da stimulišu deobu ćelija (mitozu) ali i sazrevanje matičnih ćelija. Maturirani (zreli) leukociti gube sposobnost mitoze. Fascinantan aspekt hematopoeze je da je produkcija leukocita delom regulisana već postojećim leukocitima. Ova forma kontrole omogućava da razvoj leukocita bude voma specifičan i usmeravan prema potrebama organizma. Npr. ukoliko postoji bakterijska infekcija, citokini koji se sekretuju od strane aktivniranih leukocita učestvuju u sanaciji infekcije i stimulišu produkciju većeg broja neutrofila i makrofaga. Kompleksan proces kojim se produkcija leukocita poklapa sa potrebama organizma još uvek nije jasan i razjašnjen, a istraživanja u toj oblasti su veoma intenzivna i brojna. Faktori koji stimulišu produkciju i opredeljenje matičnih ćelija uključuju faktor matičnih ćelije (engl. stem cells factor – SCF), granulocita-monocita-CSF (GM-CSF), granulocita-CSF (G-CSF) i monocita-CSF (M-CSF). Zahvaljujući tehnologiji rekombinantne DNK danas je u kliničkoj primeni nekoliko genetičkim inženjeringom dizajniranih CSF (sargramostin i filgrastim). Pored CSF, veliki značaj u regulaciji hematopoeze imaju i interleukini - IL (lat. inter-izmedju + leuko-beli), npr. IL1, IL3, IL6. Ime interleukin prvo je dato citokinima koji su sekrtovani od strane leukocita i ispoljavali svoju efekat na druge leukocite. Interleukin dobije broj uz ime ukoliko je determinisana sekvenca amino kiselina koja čini primarnu strukturu. Pored uloge u nastanku i diferencijaciji ćelija krvi, interleukini imaju veoma važnu ulogu u fiziologiji imunog sistema (videti naredno poglavlje, br. 3). Interleukini IL-1, IL-3 i IL-6 deluju u sekvencama na diferencijaciju i transformaciju pluripotentne neopredeljene ćelije u opredeljenu progenitornu ćeliju. IL-3 je takođe poznat i kao multi-CSF. Svaki od CSF-a ima predominantna dejstva, ali svi CSF-i i interleukini imaju i međusobno isprepletana dejstva. Dodatno, oni aktiviraju i održavaju zrele krvne ćelije. Interesantno je da su geni za mnoge od ovih faktora locirani zajedno na dugom kraku hromozoma 5, pa je moguće da su nastali duplikacijom predačkog gena. Pored toga, interesantno je da je bazalna hematopoeza normalna kod miševa kojima nedostaje GM-CSF, što ukazuje da gubitak Slika 1.1. Hematopoeza – proces nastajanja uobličenih elemenata krvi

11

jednog faktora može biti nadomešten drugim, ali ne u svim funkcijama (npr. odsustvo GM-CSF dovodi do akumulacije surfaktanata u plućima). Citokin koji zajedno sa drugima reguliše sintezu eritrocita (eritropoezu) se naziva eritropoetin. Vrlo često se on naziva hormonom, medjutim tehnički, on odgovara definiciji tipičnog citokina jer se sintetiše i sekretuje u zavisnosti od potrebe, a ne magacionira se u sekretornim vezikulama kao ostali proteinski hormoni. Po svojoj hemijskoj prirodi je glikoprotein od 165 amino kiselina i četiri oligosaharidna lanca koja su neophodna za njegovu funkciju. Sintetiše se u endotelijalnim ćelijama peritubularnih kapilara u korteksu bubrega (oko 85%), kao i u Kupfer-ovim ćelijama jetre (oko 15%). Stimulus za njegovu sintezu je hipoksija, stanje smanjene koncentracije kiseonika u tkivima, koja se regustruje preko proteinskih molekula koje funkcionišu kao kiseonični senzori. Interesantno je napomenuti da je od pojave prve informacije o postojanju supstance koja reguliše produkciju eritrocita (1950.godine) do purifikacije hormonske molekule prošlo 20 godina. Jedan od razloga je taj što se eritropoetin sekretuje u zavisnosti od potrebe organizma, a ne magacionira se u sekretornim vezikulama. Potom je prošlo još 9 godina za sekvencioniranje, izolovanje i kloniranje gena za eritropoetin. Ovo otkriće je dovelo do neverovatnog progresa u ovoj oblasti, te je dve godine nakon toga tehnologijom rekombinantne DNK produkovan eritropoetin i stavljen u kliničku upotrebu, te je danas dostupan genetičkim inženjeringom dizajniran eritropoetin (epoetin alfa).

Tabela 1.12. Citokini koji su uključeni u hematopoezu

Ime citokina Ćelije koje produkuju citokin

Utiče na rast i razvoj

Eritropoetin (EPO) ćelije bubrega eritrocitiTrombopoetin (TPO) primarno jetra megakariocitiKolonija-stimulirajući faktoriinterleukini, faktori matičnih ćelija

endotelijum i fibroblast koštane sržileukociti

svi tipovi ćelija bele krvne lozemobilne hematopoetične matične ćelije

Citokin koji reguliše rast i diferencijaciju megakariocita (polijedarnih ćelija koje su prekursori trombocita) naziva se trombopoetin. Po biohemijskoj strukturi je glikoprotein, a sintetišu ga najviše Kupfer-ove ćelije jetre, ali je identifikovan i u endotelijalnim ćelijama bubrežnih kapilara. Prvi put je opisan 1958, a gen za trombopoetin je kloniran 1994. Danas je široko rasprostranjena upotreba rekombinantnog trombopoetina. Najpoznatiji citokini koji su ključeni u regulaciju procesa hematopoeze dati su u tabeli 1.12.

1.3.2.1. Eritrociti

Eritrociti ili crvena krvna zrnca, čine najveći deo mase uobličenih elemenata krvi. Eritrociti su najbrojni uobličeni elementi krvi. Mikrolitar ljuske krvi sadrži oko 4x106-6x106 eritrocita u poredjenju sa samo 6000-10000 leukocita i 200000-500000 trombocita. Najvažnija funkcija eritrocita je transport gasova (kiseonika, ugljen-dioksida i azot-oksida) i održavanje acido-bazne ravnoteže. Ove funkcije se ostvaruju preko respiratornog pigmenta hemoglobina i drugih puferskih sistema o čemu će više biti diskutovano u narednim poglavljima.

EritropoezaEritropoeza predstavlja proces formiranja zrelih funkcionalnih eritrocita. Koštana srž sadrži multipotentne neopredeljene matične ćelije (engl. stem cells) od kojih se pod uticajem GM-CSF, G-CSF i SCF), kao i postupnim delovanjem, IL-1, IL-6 i IL-3 formiraju opredeljene matične ćelije (progenitorne ćelije), pa i prekursorka ćelija crvene krvne loze. Progenitorska ćelija se pod uticajem CSF i eritropoetina, kroz nekoliko stadijuma, diferencira u proeritroblast, krupnu bazofilnu ćeliju koja se dalje diferencira u eritroblast. Tokom sazrevanja eritroblasta jedro se kondenzuje i ćelija se “sakuplja” sa dijametra od 20 µm na dijametar 7 µm. U zadnjem stadijumu maturacije eritroblast “izbacuje” jedro van ćelije i ono biva fagocitirano od strane makrofaga u koštanoj srži. Istovremeno, druge membranske organele (mitohondrije, ribozomi) se razgradjuju i nestaju. Takva, još uvek nezrela prekursorska forma ulazi u cirkulaciju i u toku 24 časa maturira u eritrocit. Eritrociti koji su tek napustili koštanu srž i ušli u kvrotok često sadrže zaostalu ribozomalnu RNK koja se u prisustvu nekih boja (npr. briljantno krezilsko plavo) može istaložiti i obojiti. U takvim uslovima, “mladji” eritrociti, nazvani retikulociti imaju u citoplazmi nekoliko granula i mrežaste su strukture. Retikulociti normalno čine oko 1% od ukupnog broja eritrocita u cirkulaciji. To odgovara procentu dnevne nadoknade eritrocita iz koštane srži. Povećan broj retikulocita pokazuje da postoji povećana potreba za prenošenjem kiseonika, kao što je to slučaj kod krvarenja ili posle boravka na velikoj nadmorskoj visini.

Broj eritrocita treba da bude takav da svakoj ćeliji organizma obezbedi dovoljnu količinu kiseonika, ali ne sme da bude prevelik jer će povećati viskozitet krvi i ometati normalan protok. Broj eritrocita je regulisan dinamičkom ravnotežom izmedju eritropoeze, tj. procesa stvaranja eritrocita i procesa razgradnje eritrocita. Stimulus za eritropoezu je hipoksija (smanjenje koncentracije kiseonika u tkivima), odnosno svako stanje koje dovodi organizam u hipoksiju. To može biti

12

1) smanjenje broja eritrocita (usled krvavljenja ili nekog drugog razloga) ili 2) povećana fizička aktivnost, ili pak 3) smanjenje parcijalnog pritiska kiseonika u atmosferi. 1) Poznato je da anemija (smanjen broj eritrocita) koja nastaje nakon gubitka krvi stimuliše eritropoezu. Naime, smanjenjem broja eritrocita smanjuje se i broj molekula hemoglobina kojima se transportuje kiseonik, te organizam “pada” u stanje hipoksije i stimuliše se eritropoeza. 2) Pored toga, na velikim nadmorskim visinama gde je količina kiseonika u vazduhu smanjena te je i parcijalni pritisak kiseonika manji, hemoglobin nije potpuno zasićen kiseonikom. Ovo smanjuje funkcionalnu sposobnost hemoglobina, te on ne snabdeva dovoljno efikasno ćelije potrebnom količinom kiseonika i organizam je u stanju hipoksije, što dovodi do stimulacije eritropoeze. 3) Stanje povećane fizičke aktivnosti takodje stimuliše eritropoezu, pa organizam atletičara i fizičkih radnika može proizvesti eritrocite dva puta brže nego organizam slabije aktivnih ljudi, te će i broj eritrocita kod takvih osoba biti veći (6.5 x106/µl) nego kod

osoba astenične konstitucije (samo 3x106/µl). Ovaj fenomen nastaje zbog toga što je u stanju povećane fizičke aktivnosti, zbog intenzivnijeg metabolizma, veća potrošnja kiseonika, pa i veća potreba za kiseonikom. Očigledno da eritropoezu ne reguliše količina eritrocita, nego količina kiseonika koja je dostupna ćelijama tj. funkcionalna sposobnost

eritrocita. Pored hipoksije i neki hormoni mogu da stimulišu eritropoezu: testosteron i hormoni nadbubrežne žlezde. Eritropoeza počinje oko 24 časa nakon nastanka hipoksije i traje od 7 do 14 dana. Pored prisustva citokina, za normalno stvaranje eritrocita neophodne su dovoljne kolličine Fe i esencijalnih aminokiselina, vitamini B kompleksa (naročito B12 i folna kiselina), vitamin C, kao i spektar funkcionalo aktivnih enzima.

Kao što je ranije navedeno, fiziološki regulator eritropoeze i hemijski posrednik izmedju hipoksije i stimulacije eritropoeze je eritropoetin. To je glikoprotein koji sadrži 165 aminokiselinskih ostataka i 4 oligosaharidna lanca koja su neophodna sa njegovu aktivnost in vivo. Eritropoetin povećava broj eritriopoetin senzitivnih pluripotentnih matičnih ćelija u koštanoj srži koje se diferenciraju u prekursore eritrocita, a kasnije i u zrele eritrocite. Receptor za eritropoetin je linearni protein sa jednim transmembranskim domenom i pripada familiji receptora sa tirozin kinaznom aktivnošću. Ovaj hormon se produkuje od strane endotelijalnih ćelija peritubularnih kapilara bubrežnog korteksa, kao i Kupfer-ovih ćelije jetre, pa i hematocita. Poluživot u cirkulaciji mu je oko 5 sati, a inaktiviše se i metaboliše u jetri. Stimulus za otpuštanja eritropoetina je hipoksija. Ovo smanjenje koncentracije kiseonika se registruje tzv. kiseoničnim senzorom. Ovaj protein u sastavu svoje molekule kao prostetičnu grupu ima hem, a može biti u dva konformaciona stanja: oksigenisanom i deoksigenisanom. Iako precizan i detaljan mehanizam prenosa signala nije opisan, smatra se da deoksigenisana forma kiseoničnog senzora stimuliše transkripciju gena za eritropoetin.

Sastav eritrocitaU hemijski sastav eritrocita, kao i drugih ćelija, ulaze neorganske materije (voda i mineralne materije) i organske materije.

Neorganske materije. Voda (60-65%) – u najvećoj meri slobodna, ali i vezana za globuline. Kao i u drugim ćelijama, voda predstavlja medijum za odigravanje metaboličkih procesa i rastvarač. Pored toga, zajedno sa osmotski aktivnim materijama čini osmotski pritisak, a vezana sa proteinima učestvuje u formiranju onkotskog pritiska. Mineralne materije - elektroliti (0.6-0.7%): K+ (410 mg%); Na+(4.6 mg%); Mg++ (3.6% - više nego u plazmi); Ca2+ (oko 2 mg%); Cl- (190 mg%); HCO3

- (40 mg%); PO43-(3.4 mg%); SO4

2- (u tragovima). Pored nabrojanih materija, eritrociti sadrže znatnu količinu Fe2+ (oko 2.6 mg Fe kod čoveka teškog 70 kg, te je stoga u krvi najveća koncentracija Fe u organizmu –

Slika 1.2. Životni vek eritrocita

1�

0.047 mg%). Gvoždje ulazi u sastav hema-prostetične grupe hemoglobina. Funkcije nabrojanih materija su raznovrsne. Pored toga što daju osmotski pritisak i učestvuju u regulaciji acido-bazne ravnoteže, neke od njih obezbedjuju transport gasova, nadražljivost, aktivaciju enzima itd (podsetiti se gradiva iz Biohemije i Opšte fiziologije životinja).

Organske materije. 32%-36% od ukupne mase eritrocita (25 mg po eritrocitu; tj. 717.5 g hemoglobina “cirkuliše” u krvotoku čoveka) čini hemoglobin, hromoprotein koji ima značajnu ulogu u transportu gasova i održavanju pH homeostaze vaskularne tečnosti. Iako je hemoglobin veoma važan za ostvarivanje brojnih fizioloških procesa u organizmu ipak postoje organizmi čiji eritrociti sadrže hemoglobin u tragovima. To je vrsta Chaenocephalus aceratus, tzv. ledna riba (engl. ice fish) ili belokrvna riba (engl. whiteblooded fish). Ova riba ima nedostatak funkcionalnog gena za β globin. Ovaj nedostatak je nadomestila specifičnom adaptacijom u vidu veoma velike brzine protoka krvi koja joj je omogućena jer je dijametar perifernih vaskularnih sudova neobično veliki, a i srce pumpa krv mnogo snažnije i brže, te je protok krvi 10-20 puta brži nego kod slično gradjenih riba. Pored toga, voda u kojoj ova riba (dugačka oko 0.5 m) živi je veoma niske temperature, te je dobro snabdevena kiseonikom, pa se deo kiseonika usvaja i difuzijom preko tela kože. Pored hemoglobina, eritrociti sadrže i odredjene količine drugih globulina, lipoproteina, glikoproteina, nukleoproteina, glukoze, od lipida je najzastupljeniji lecitin. Posebno važna molekula, ekskluzivno prisutna samo u eritrocitima, a ne u tečnoj komponeneti je enzim karbo-anhidraza (engl. carbon anhydrase-CA) koji katališe reakciju nastajanja ugljene kiseline (H2CO3) od ugljen-dioksida (CO2) i vode (H2O2), ali i reakciju disocijacije iste kiseline na vodonikov katjon (H+) i bikarbonatni anjon (HCO3

-). Ove reakcije se mogu odvijati i spontano, no prisustvo CA ih ubrzava čak do 2000 puta. Ova osobina je veoma važna u fiziologiji transporta CO2 i održanja acido-bazne ravnoteže, ali i u nekim drugim fiziološkim mehanizmima o čemu će biti diskutovano na nekoliko mesta u daljem tekstu (transport gasova, održavanje homeostaze pH u telesnim tečnostima, funkciji gasne žlezde, sekreciji bikarbonata u egzokrinom pankreasu itd).

Broj, veličina i gradja eritrocitaKod različitih životinjskih vrsta eritrociti se razlikuju po broju, veličini i morfologij, te stoga i po svojoj sposobnosti da transportuju gasove tj. po transportnom potencijalu eritrocita. Tokom evolucije se broj eritrocita povećavao na račun smanjenja veličine, odnosno površine eritrocita. Vrste sa većim brojem

eritrocita imaju eritrocite manjeg dijametra i obrnuto (Tabela 1.13). Broj eritrocita je znatno veći kod viših nego kod nižih kičmenjaka, a dijametar je mnogo manji kod viših kičmenjaka nego nižih. Ova evolutivna promena ima fiziološkog smisla jer je proces usvajanja i transporta gasova mnogo efikasniji. U eritrocitima manjeg dijametra gasovi brže difunduju do svih molekula hemoglobina, te je i efikasnost transporta veća. Važno je napomenuti da broj eritrocita kod jedne vrste može da varira (minimalne i maksimalne vrednosti ograničavaju normalnu vrednost), ali veličina ne, jer je evolutivno stečeno svojstvo.

Tabela 1.13. Broj i dijametar eritrocita stoje u obrnutom odnosu

Životinja Brooj eritrocita u µl Dijametar eritrocita (µm) Proteus 36000 63Salamander 54 000 42Žabe 400000 22Ribe 1x106-1.8x106 16Vodozemci 1x106-1.3x106 16Ptice 2.5x106 – 5x106 7.5-8.5Zec 4.5x106 – 5.5 x106 7.5Čovek 4x106–6x106 7.5Pacov 6x106–7x106 6Konj 7x106–8x106 6Ovca 10x106–12x106 35.6Koza 13x106 – 15x106 3.5

Pored toga što imaju eritrocite manjeg dijametra, kod evolutivno razvijenijih životinja gubi se jedro. Ova adaptacija je omogućila značajno smanjenje metabolizma eritrocita, a time i mnogo ekonomičniju potrošnju kiseonika, pa stoga i omogućila efikasniji transport gasova. Poznato je da svaka ćelija koristi izvesne količine kiseonika za sopstveni metabolizam, a i da jedro, kao organela sa velikim brojem raznovrsnih funkcija, koristi veliku količinu kiseonika za intenzivne oksidativne procese, te zbog toga i eritrociti sa jedrom troše za sopstveni metabolizam mnogo vise kiseonika nego eritrociti bez jedra, pa su stoga slabijeg transportnog kapaciteta. Ova okolnost ima veoma veliki značaj za evolutivnu fiziologiju, jer ukazuje na veću evolutivnu savršenost eritrocita bez jedra u procesu transporta. Na osnovu toga da li poseduju jedro ili ne, razlikuju se eritrociti sa jedrom i eritrociti bez jedra. Eritrocite sa većim ili manjim jedrom poseduju amfibi, reptili i ptice. Ovi eritrociti imaju skoro podjednako izražene sve tri dimenzije (širinu, dužinu i dubinu). Eritrocite bez jedra poseduju svi sisari. To su sferne tvorevine koje imaju oblik bikonkavnog diska sa suženim centralnim delom i zaobljenim ivicama. Eritrociti kamile i lame su eliptičnog oblika, ali takodje nemaju jedro (u starijoj literaturi se navodi da imaju). Prisustvo odnosno

1�

odsustvo jedra uslovilo je i oblik eritrocita, a time brzinu difuzije O2. Bikonkavan oblik eritrocita bez jedra omogućava bržu difuziju gasova do svih delova eritrocita, tj. najbolje i najbrže zasićenje, te time i najefikasniji transport.

Generalno, eritrociti su gradjeni od membrane i strome. Membrana eritrocita je tipična moćna plazmalema gradjena od oko 40% lipida (fosfolipidi, holesterol, glikolipidi) oko 50% proteina i oko 10% ugljenih hidrata. Membrana je propustljiva za vodu i elektrolite, kao i za sve organske materije, osim krupnih makromolekula. Kod eritrocita bez jedra, gubitak jedra uslovio je da izgledaju kao membranozne vreće, nepotpuno napunjene elementima citoskeleta, enzimima i hemoglobinom. Bikonkavan oblik je veoma značajna evolutivna adaptacija i prednost. Stroma je veoma dobro razvijena i u formi kompleksnog citoskeleta povezanog sa transmembranskim proteinima obezbedjuje eritrocitima mogućnost da menjaju svoj oblik, što je veoma važno prilikom njihovog prolaska kroz kapilare manjeg dijametra. Citoskelet je gradjen od sistema proteina u obliku filamenata spektrina koji gradeći spektrinsku mrežicu daju oblik eritrocitu. Spektrinski filamenti su preko proteina ankirina i grupe proteina tzv. proteinski orkestar 3 (engl. bend 3) povezani sa membranom. Na taj način se održava oblik eritrocita. Pored toga što omogućavaju kontakt membrane sa citoskeletom, “članovi” proteinskog orkestra imaju veoma važnu ulogu u tansportu anjona hlorida (Cl-), odnosno njihovoj zemeni za HCO3

- o čemu će više biti diskutovano u daljem tekstu, u okviru nekoliko poglavlja (transport gasova, funkcija gasne žlezde, fiziologija bubrega itd). S obzirom da tokom sazrevanja, eritrociti gube svoje mitohondrije, ribozome i brojne citoplazmatske enzime i njihova metabolička aktivnost je redukovana. Obzirom da nemaju mitohondrija ne mogu da vrše oksidativnu razgradnju, te je osnovni izvor energije u eritrocitima glukoza koja se u procesu anaerobne glikolize razgradjuje do laktata. Budući da nemaju ni jedro ni organele potrebne za sintezu proteina (ribozome, endoplazmatski retikulum) oni ne sintetišu hemoglobin, niti nove enzimske garniture, te stoga ne mogu da obnavljaju svoj citoskelet i membranu, te im je životni vek relativno kratak.

Kao što je napomenuto, broj eritrocita kod jedne vrste, za razliku od veličine, može da varira izmedju minimalne i maksimalne vrednosti koje ograničavaju normalnu vrednost. Broj eritrocita u krvi jednog organizma rezultat je dinamičke ravnoteže izmedju procesa stvaranja eritrocita (eritropoeze) i procesa propadanja eritrocita koji su veoma precizno su regulisani.

Propadanje eritrocitaŽivotni vek eritrocita je kod čoveka oko 100-120 dana. U toku

procesa starenja, usled promenjene metabolične aktivnosti, neefikasnog odavanja metaboličkih produkata membrana i nemogućnosti obnavljanja strukture, membrana eritrocita postaje neelastična, krta, i lako lomljiva, te eritrociti često imaju pukotine-fenestre i nazivaju se fenestrični eritrociti. Takva rigidna struktura membrane onemogućava promenu oblika eritrocita i prilikom cirkulisanja kroz kapilare se lomi i prouzrokuje prskanje/raspadanje eritrocita. To je posebno izraženo u crvenoj pulpi slezine gde se eritrociti protiskujuju kroz fenestrirane kapilare. Oštećena membana će dozvoliti izlazak molekula iz eritrocita u cirkulaciju. Izlomljena membrana i njeni ostaci kao i molekule hemoglobina u plazmi biće prepoznati kao strano telo (izmenjena membrana eritrocita i hemoglobin van eritrocita) i fagocitirani od strane retikuluoendotelijalnih ćelija crvene pulpe slezine i zida venskih sinusa, kao i makrofaga. U procesu klasične fagocitoze, uz formiranje fagocitne vakuole i učešće lizozomalnih enzima, ostaci membrane starih eritrocita, sadržaj eritrocita, a time i hemoglobin biće razloženi do makromolekula. U slučaju hemoglobina, odvaja se globinska komponenta i razlaže do amino kiselina koje se potom “recikliraju” tj. koriste dalje u metabolizmu a prostetična grupa tj. hem se eliminiše. U procesu eliminacije hema prvo puca jedna metenska veza u prstenu protoporfirina, što rezultira formiranjem jednog kratkoživećeg prekursora žučnih boja i formiranjem prve žučne boje biliverdin. Ovo jedinjenje je veoma podložno redukciji te se već u retikuloendotelijalnim ćelijama slezine i venskih sinusa transformiše u drugu žučnu boju bilirubin. Ova liposolubilna molekula se veže za proteinski nosač i cirukulacijom transportuje do ćelija jetre (hepatocita). Pre ulaska u hepatocite proteinski deo se odvaja, bilirubin ulazi u hepatocite i vezuje se, u najvećom meri (oko 80%) za glukuronsku kiselinu dajući bilirubin glukuronat, zatim (oko 20%) za sulfatne anjone (SO4

2-) i neke druge molekule i preko tih konjugata ulazi u sastav žuči, te se na taj način ekskretuje/eliminiše iz organizma.

1.3.2.2. Leukociti

Leukociti ili bela krvna zrnca predstavljaju kompleksne ćelijske strukture koje su aktivno uključene i odgovorne za odbranu organizma. Poseduju jedro različitog oblika i veličine, elastičnu membranu koja im omogućuje ameboidno kretanje kao i sposobnost dijapedeze (grč.dia-kroz + pedesis-preskočiti), odnosno prolazak izmedju endotelijalnih ćelija i izlazak u vezivno tkivo. Dijapedeza je proces koji označava jednosmerno kretanje leukocita od krvi do tkiva. Pored toga, samo jedna populacija leukocita (limfociti) ima mogućnost recirkulacije u organizmu. I jedan i drugi proces su veoma važni u odbrani organizma. Prilikom infekcija, dijapedeza je povećana u zoni inflamacije jer se iz mikroorganizama

1�

i prisutnih ćelija oslobadjaju materije (različiti hemijski medijatori) koje povećavaju dijapedezu, a istovremeno uslovljavaju hemotaksiju (privlačenje zbog prisustva hemijskih materija) specifičnih ćelija. Delujući zajedno leukociti obezbedjuju značajnu odbranu i eliminaciju štetnog agensa i očuvanje homeostaze.Prema poreklu, obliku jedra i izgledu citoplazme leukociti su svrstani u 3 populacije:1) polimorfonuklearni leukociti (granulociti) koji se mogu podeliti na tri podpopulacije - neutrofilni granulociti (granule se boje neutralnim bojama) - eozofilni granulociti (granule se boje kiselim bojama) - bazofilni granulociti (granule se boje baznim bojama)2) populacije monocita3) populacija limfocitaOsnovno obeležje granulocita je segmentiranost jedra i prisustvo specifičnih granula koje sadrže aktivne materije. Nezreli granulociti imaju nukleus potkovičastog oblika, koji postaje segmentisan kako ćelije sazrevaju. Normalno se u perifernoj krvi nalaze i limfociti, koji imaju veliko okruglasto jedro i oskudnu citoplazmu, kao i monociti, najveća populacija leukocta sa velikim jedrom karakterističnog bubrežastog oblika. I ove dve populacije leukocita sadrže granule u citoplazmi, ali one nisu toliko morfološki prominentne na obojenom preparatu. Sve ove vrste leukocita zajednički doprinose odbrani organizma protiv tumora, virusnih, bakterijskih i parazitskih infekcija, a nastaju u istim tkivima i u sličnom maniru kao i eritrociti (videti početak ovog poglavlja; tekst o hematopoezi).

LeukopoezaLeukopoeza predstavlja proces formiranja različitih formi leukocita diferencijacijom pluripotentne matične ćelije koštane srži, pod uticajem interleukina (IL) i kolonija-stimulirajućih faktora (engl colony-stimulating factors – CSF). Faktori koji se produkuju prilikom sazrevanja i diferencijacije pluripotentne matične ćelije se sekretuju od strane fibroblasta, makrofaga, aktivnih T ćelija, endotelijalnih ćelija i deluju lokalno na nivou koštane srži. Oko 75% ćelija od ukupnog broja ćelija u koštanoj srži su ćelije koje će formirati belu krvnu lozu, a samo 25% onih koji će dati eritrocite. Ovo je veoma važan adaptivni mehanizam jer je životni vek leukocita veoma kratak u odnosu na eritrocite, iako je broj eritrocita u cirkulaciji mnogo veći. Pod uticajem granulocita-monocita-CSF (GM-CSF), granulocita-CSF (G-CSF) i faktora matičnih ćelija (engl. stem cells factor – SCF), kao i postupnim delovanjem, IL-1, IL-6 i IL-3 na hemocitoblastne ćelije formiraju se opredeljene progenitorne ćelije koje će daljom diferencijacijom dati pojedine populacije

leukocita. Prvobitno nastaju prekursorske ćelije za dve krvne loze: mijeloidnu (kasnije će dati opredeljene ćelije za neutrofile, eozinofile, bazofile i monocit) i limfoidnu (preteča T i B limfocita). Pod uticajem GM-CSF opredeljana progenitorna ćelija mijeloidne loze će formirati dve vrste opredeljnih ćelije. Od jedne vrste će se pod uticajem monocita-CSF (M-CSF) formirati zreli monocit, a druga će pod uticajem G-CSF formirati prvo juvenilne a kasnije i zrele forme neutrofilnog granulocita. Interesantno i važno je napomenuti da se monocit i neutrofilni granulocit formiraju od jedne zajedničke opredeljene progenitorne ćelije, iako pripadaju različitim populacijama. Ovo je od posebnog značaja jer obe ćelije imaju sposobnost fagocitoze. Druge opredeljene matične ćelije, će se pod uticajem kombinacije GM-CSF i IL-5, diferencirati u eozinofilni granulocit, ili, delovanjem IL-4 formirati bazofilnog granulocita. U slučaju diferencijacije limfocita pluripotentna matična ćelija će formirati prekursor limfocita koji napušta koštanu srži kao nezrela forma, a mesto maturacije se razlikuje za T i B limfocite. T limfociti sazrevaju u timusu (T limfociti), a B limfociti maturiraju ili u Bursu Fabrici (kod ptica) odnosno kod u fetalnoj jetri (fetalni period) ili timusu (nakon rodjenja) organizama koji ne poseduju bursu Fabrici. Nakon sazrevanja T i B limfociti napuštaju timus ili jetru i odlaze najvećim delom u limfne čvorove.

Interesantno je napomenuti da maligno promenjene prekursorske ćelije leukocita prouzrokuju leukemiju. Mogu nastati u koštanoj srži (mijeloidne i monocitne leukemije) ili u limfatičnom tkivu (limfocitne leukemije). U tim oboljenjima obično mnogo nezrelih ćelija dospeva u krv zbog poremećaja-pomaka u proliferaciji opredeljenih matičnih ćelija (nedostatka nekih vrsta i istovremenog prekomernog stvaranja drugih, koje su nefunkcionalne.

Tabela 1.15. Broj leukocita je različit u okviru životinjske serije:

Životinja Broj leukocita u µl ili mm3

Ribe 10000-90000Vodozemci 200 000-250 000Gmizavci 200 000-250 000Ptice kokoška

50 000-2 000 0001 500 000 – 2 000 000

Sisari pacov/zamorac 14000-16000zec 8000-10000koza 9000-12000 konj 8000-11000 majmun 6000-8000 čovek 4000-11000

1�

Uporedo sa evolutivnim razvojem organizama dolazi do smanjenja broja leukocita, tako da generalno gledano, organizmi na većem stepenu razvoja imaju manji broj leukocita. Broj leukocita je dinamička ravnoteža izmedju procesa stvaranja leukocita i njihovog propadanja i može da varira u zavisnosti i od fiziološkog stanja organizma. Npr. broj leukocita se povećava u toku digestije i resorpcije hrane, tokom fizičke aktivnosti, trudnoće, prilikom menstrualnog krvavljenja. Na broj leukocita u organizmu mogu uticati i sezonska variranja tako da je kod amfiba i reptila u toku zimskog perioda broj leukocita znatno manji. Pored fizioloških stanja, i razna oboljenja dovode do povećanja broja leukocita - leukocitoza, odnosno smanjenja broja leukocita - leukopenija.

Brojčani odnos izmedju pojedinih vrsta leukocita tj. procentualni udeo pojedinih vrsta leukocita u njihovom ukupnom broju predstavlja leukocitarnu formulu. Ova vrednost se dobija iz diferencijalne krvne slike koja predstavlja preparat specifično obojenog (bojenje po Papenhajm-u korišćenjem Giems-a rastvora) krvnog razmaza, na kome se mogu izdiferencirati i razlikovati pojedine klase ćelijskih elemenata krvi.

Tabela 1.16. Leukocitarna formula za čoveka i pacova

Tip leukocita Čovek PacovNeutrofili 60%-70% 20-25%Eozinofili 2%-4% 2%-4%Bazofili 0.1%-0.5% 0.1%-0.5%Limfociti 23%-35% 70-75%Monociti 2%-8% 2%-8%

Sličnu leukocitarnu formulu kao kod čoveka imaju pas, mačka, konj, dok recimo kod riba ne moraju biti zastupljene sve forme leukocita (kod nekih predstavnika izostaju neke forme granulocita).

Polimorfonuklearni leukociti – granulociti Kod odraslog čoveka se proizvode u koštanoj srži, brzinom od oko 80 miliona u minuti i žive u proseku 2-3 dana. Ćelije ove populacije lekocita imaju nepravilno okrugao oblik i veličine su oko 16 µm, a kod čoveka predstavljaju najbrojniju populaciju leukocita. Osnovno morfološko obeležje je segmentiranost jedra i prisustvo specifičnih granula u citoplazmi.

Granule različitih subpopulacija ispoljavaju različitu obojenost ukoliko se tretiraju specifičnim bojama (bojenje po Papenhajmu): granule neutrofila se boje neutralnim

bojama, eozinofila kiselim, a bazofila baznim. Granule svih polimorfonuleara sadrže specifične biološki aktivne supstance koje granulocitima omogućavaju aktivno učešće u imunološkim, inflamatornim i alergijskim reakcijama, a u cilju očuvanja homeostaze. Glavna fiziološka funkcija im je zaštita od mikroorganizama. Ona se ostvaruje fagocitozom (nukleari) ili degranulacijom (eozinofili i bazofili). Ne poseduju specifičnost prema antigenima, ali imaju veoma važnu ulogu u procesu inflamacije, kao i sekrecije različitih citokina čime se pospešuje aktivnost ćelija adaptivnog imunog sistema. Od površinskih markera poseduju brojne tzv. adhezione molekule preko kojih stupaju u kontakt sa endotelnim ćelijama krvnih kapilara i koje olakašavaju dijapedezu prilikom izlaska u tkiva. Pored adhezionih molekula, poseduju i receptore za Fc-fragment IgG (FcγR). Kao što je ranije navedeno, u odnosu na bojenje po Papenhajmu, razlikuju se neutrofilni, eozinofilni i bazofilni polimorfonuklearni leukociti.

Tabela 1.17. Sadržaj granula u polimorfonuklearnim leukocitima (granulocitima) čoveka

Tip ćelija Specifične granule Azrofilne granule

Neutrofili alkalna fosfatazakolagenazalaktoferinlizozimnekoliko nenezimskih antibakterijskih baznih proteina

kisela fosfatazaα-manozidazaarilsulfatazaβ-galaktozidazaβ-glukuronidazakatepsin5’-nukleotidazaelastazakolagenazamijeloperoksidazalizozimantibakterijski katjonski proteini

Eozinofili kisela fosfatazaarilsulfatazaβ-glukuronidazakatepsinfosfolipazaribonukleazaperoksidaza eozinofilaglavni bazni protein

Bazofili hemotaksični faktor eozinofilaheparinhistaminperoksidaza

1�

1.�.2.2.1. Neutrofilni granulociti - Neutrofili

Neutrofili čine oko 90% granulocita u perifernoj cirkulaciji čoveka. Njihov dijametar je od 12µm-15µm (u cirkulaciji). Obeležava ih prisutnost višerežnjevitog jedra (4-6 segmenata) čiji su lobulusi spojeni hromatinom, kao i dve vrste neutrofilnih granula: primarne ili azurofilne granule (lizozomi veličine 0.5 µm) i sekundarne ili specifične granule). Neutrofili sadrže u svojoj citoplazmi i glikogen koji se razgradjuje glikolizom i heksoza-monofosfatnim putem oksidacije glukoze da bi se dobila energija. S obzirom na mali broj mitohondrija u ovim ćelijama, ciklus limunske kiseline je manje važan i slabije zastupljen. Sposobnost neutrofila da prežive u anaerobnoj sredine je velika adaptivna prednost jer im omogućava da unište bakterije i pomognu pri uklanjanju ostataka raspadnutih ćelija u slabije oksigenisanim područjima, kao što je inflamatorno ili nekrotično tkivo. Prosečni životni vek neutrofila u cirkulaciji je 6 sati, a u vezivnom tkivu 1-

4 dana gde potom odumiru procesom apoptoze (progra-mirane ćelijske smrti). Da bi se održao normalan nivo neutrofila u krvi neophodno je da se produkuje 100 biliona neutrofila na dan. Osnovna funkcija neutrofila je odbrambena. Ona se ostvaruje fagocitozom i sekrecijom specifičnih biološki aktivnih materija, pa se uz monocite i makrofage, nazivaju

i tzv. »profesionalnim fagocitima«. Cirkulišući neutrofili inaktivni i loptastog oblika, ali nakon što se pričvrste za čvrst supstrat, kao što je kolagen ekstracelularnog matriksa, ispoljavaju sposobnost ameboidnog kretanja. Mnogi od njih napuštaju cirkulaciju procesom dijapedeze i ulaze u tkiva, a odatle se preko gatrointestinalnog trakta (GIST) ekskretuju iz organizma. Migracija neutrofila na mesto infekcije , kao i pokretanje ćelija u fagocitozi, uključuju mikrotubule i mikrofilamente i interakciju aktina sa miozinom–I na unutrašnjoj strani ćelijske membrane.Proces dijapedeze se ostvaruje tako što se neutrofili privučeni selektinima sa površine endotelijalnih ćelija čvrsto vezuju za neutrofil-adhezioni molekul (pripada familiji integrinskih receptora) i provlače se kroz zid kapilara između endotelnih ćelija. Ova sposobnost im omogućava da brže stignu do mesta gde se, kao rezultat invazije bakterija, razvija inflamatorna reakcija. Put neutrofila od izlaska iz cirkulacije do inficiranog mesta obezbedjuje hemotaksija, odnosno prisustvo bakterijskih produkata na

inficiranom mestu. I ne samo to, nego postoji interakcija izmedju bakterijskih produkata, faktora iz plazme, kao i onih sekretovanih iz okolnih ćelija. Ti hemotaksični agensi su brojni i uključuju hemokine, neke komponente sistema komplementa, leukotrijene, polipeptide poreklom iz limoficta, mastocita, bazofila, ali i mnoge druge. Sve te molekule u različitim kombinacijama omogućuju uslove za što efikasniju fagocitozu bakterije. Jedan od načina je opsonizacija (okruživanje, pojačano vezivanje) imunoglobulinima (Ig), a naročito IgG, kao i proteinima sistema komplementa (C3b). IgG se kao opsonin vezuje za bakterijsku ćeliju svojim Fab regionom (engl. antigen binding fragment – Fab), dok je Fc fragment slobodan i “primamljiv” za fagocite koji će se preko svog receptora za Fc (gore pomenuti Fcg) vezati za tako okruženu bakterijsku ćeliju i fagocitirati je. Dobar opsonin je i C3b protein sistema komplementa koji se nespecifično vezuje za strane organizme, a koga takodje “prepoznaju” fagocite preko svog receptora. Na taj način, antitela (IgG) i C3b “markiraju” mikroorganizam za fagocitozu i destrukciju. Aktivacija receptora na ćelijskoj membrani neutrofila, preko G-proteinom posredovanog odgovora, inicira povećanje motorne ativnosti ćelije, egzocitozu aktivnih materija i naglo povećanje preuzimanja kiseonika i produkcije reaktivnih kiseoničnih radikala tzv. “respiratornu eksploziju” (engl. respiratory burst). Povećanje motorne aktivnosti će dovesti do brze ingestije bakterija endocitozom (fagocitoza). Prvo se formira primarna fagocitna vakuola-fagozom koja ima membranu koja potiče od plazmaleme neutrofila. Potom dolazi do fuzije lizozoma sa fagozomom i degranulacije neutrofilnih granula koje su bogate enzimima. Pomoću protonske pumpe u membrani fagozoma pH te vakuole se spusti do oko 5.0, što je optimalan pH za maksimalnu aktivnost lizozomalnih enzima. Potom dolazi do degranulacije azurofilnih granula, te enzimi koji se otpuštaju omoguće digestiju fagocitovanog mikroorganizma. Pored specifičnih enzima, granule sadrže i antimikrobijalne proteine tzv. defenzine. Kod sisara su identifikovana su dva tipa defenzina, α i β, dok su drugi tipovi pronađeni kod beskičmenjaka i biljaka. Dodatno se aktivira i membranski vezan enzim NADPH oksidaza i dolazi do produkcije toksičnih kiseoničnih metabolita. Kombinacija toksičnih kiseoničnih metabolita i proteolitičkih enzima poreklom iz granula čini neutrofile veoma efektivnim pri uništavanju bakterija. U toku fagocitoze se naglo povećava potrošnja kiseonika zbog aktivacije Ovo je uzrokovano aktivacijom NADPH oksidaze i povećanim preuzimanjem i potrošnjom kiseonika u neutrofilima (respiratorna eksplozija), što dovodi do stvaranja vema reaktivnih kiseoničnih radikala. Gubitkom jednog elektrona od O2 nastaje superoksidnih anjon (O2

-). O2- je slobodni radikal kiseonika koji nastaje adicijom jednog elektrona molekulskom kiseoniku i koji

Slika 1.3. Neutrofil

1�

je kratkog veka, ali veoma reaktivan. 2O2- reaguju sa 2H+ i nastaje vodonik peroksid (H2O2) u reakciji koju katališe citoplazmatska forma superoksid dismutaze (SOD-1):

SOD-1

NADPH + H+ + 2O2 → NADP+ + 2H+ + 2O2-

O2- + O2

- + H+ + H+ → H2O2 + O2

O2- i H2O2 su jaki oksidanti i efektivni baktericidni agensi. H2O2 se konvertuje u H2O i O2 uz učešće enzima katalaze. Citoplazmatska forma superoksid dismutaze (SOD-1) je identifikovana u mnogim ćelijama. Mutacija gena za ovaj enzim dovodi do nasledne forme amiotrofične lateralne skleroze, jer se verovatno O2- akumulira u motoneuronima i uništava ih. Pored navedenih enzima, neutrofili poseduju i enzim mijeloperoksidazu, koja katališe konverziju Cl-, Br-, I- i SCN- u odgovarajuće kiseline (HOCl, HOBr, itd.), koje su takođe potentni oksidanti. O2- i H2O2 , sa mijeloperoksidazom ili bez nje, uz sadejstvo halidnih anjona stvaraju snažan citotoksični sistem. Osim mijeloperoksidaze i defenzina, granule neutrofila sadrže i elastazu, dve metaloproteinaze koje razlažu kolagen, kao i druge različite proteaze koje potpomažu uništavanje invazivnih organizama. Pored toga, lizozim deluje specifično putem cepanja veze unutar peptidoglikana koji je sastavni deo ćelijskog zida nekih gram-pozitivnih bakterija, što dovodi do smrti tih bakterija Još jedan uzročnik odumiranja bakterija je i lakotoferin koji u velikim količinama vezuje za sebe gvoždje i time ga uskraćuje bakterijama koje ga koriste u ishrani. Kiseli sadržaj fagozoma može sam po sebi da prouzrokuje iniciranje apoptoze i smrt mikroorganizama. Kombinacija navedenih mehanizama, zajedno sa O2- , H2O2 i HOCl, koji nastaju dejstvom NADPH oksidaze i mijeloperoksidaze, formiraju “smrtonosnu zonu” oko aktiviranih neutrofila i tako uništavaju štetne agense, koji se potom digeriraju putem lizozomalnih enzima. Iako je navedena zona efektivna u uništavanju invazivnih organizama, u nekim patološkim stanjima (npr. reumatoidni artritis), neutrofili mogu takođe prouzrokovati lokalnu destrukciju sopstvenog tkiva. Izumrli neutrofili, bakterije i nepotpuno digerirana materija stvaraju viskoznu, obično žućkastu, tečnu masu – gnoj za koju se kaže da je groblje neutrofila

Povećanje apsolutnog broja cirkulišućih neutrofila se naziva neutrofilija. Ona može da bude rezultat povećanog stvaranja neutrofila, ali ne uvek. Intenzivna mišićna aktivnost ili primena adrenalina uzrokuje premeštanje neutrofila iz odeljaka deponovanja u koštanoj srži u cirkulacijski odeljak i tako stvaraju privid neutrofilije iako nema povećanog stvaranja neutrofila. Ovakav oblik neutrofilije je privremen

i nakon njega sledi vreme oporavka, kada se neutrofili ne oslobadjaju. Pored toga, posledica bakterijske infekcije je neutrofilija zbog povećanog stvaranja neutrofila i njihovog kraćeg boravka u odeljenju deponovanja u koštanoj srži. Tada se u cirkulaciji mogu pojaviti nezreli oblici, kao što su štapićaste forme, neutrofilni metamijelociti, pa čak i mijelociti.

Interesantno je napomenuti da je opisano više od 15 primarnih poremećaja funkcije neutrofila, zajedno sa još najmanje 30 drugih uslova u kojima se javlja sekundarna depresija funkcije neutrofila. Pacijenti sa ovim oboljenjima skloni su infekcijama koje su relativno blage kada je uključen samo sistem neutrofila, ali jake kada je uključen i sistem monocita-tkivnih makrofaga. U jednom sindromu (hipomotilitet neutrofila), aktin u neutrofilima se ne polimerizuje normalno pa se neutrofili sporo kreću. Kod drugog, postoji kongenitalna deficijencija integrina leukocita. U mnogo ozbiljnijem oboljenju (hronična granulomatoza), postoji slabost u generisanju O2- i kod neutrofila i kod monocita, te kao posledica toga i nesposobnost ubijanja fagocitiranih bakterija. U jakom kongenitalnom deficitu glukozo-6- fosfat dehidrogenaze, postoje multiple infekcije zbog nedostatka stvaranja NADPH neophodnog za produkciju O2-. U urođenom nedostatku mijeloperoksidaze, moć ubijanja bakterija je redukovana zbog toga što se ne stvaraju hipohalitni joni.

1.�.2.2.2. Eozinofilini granulociti – Eozinofili

Eozinofili čine oko 2-5% granuloc-ita u perifernoj cirkulaciji čoveka, a njihovo sazrevanje i aktivacija u tkivima je stimulisana IL-3, IL-5 i GM-CSF. Obeležava ih prisustvo jedra podeljenog u dva režnja, kao i prisustvo specifičnih bro-jnih, velikih, izduženih i sjajnih granula koje se boje eozinom, a imaju posebnu ulogu u imunom odgovoru usmerenom protiv

parazitskih infekcija. Specifične granule eozinofila u svom središtu imaju kristalno jezgro koje se naziva inertum i postavljeno je parlelno sa dužom osovinom granula. Inertum sadrži protein sa velikim brojem argininskih ostataka koji se zove glavni bazni protein. Ovaj protein čini 50% ukupne količine proteina granula i smatra se da je odgovoran za uništavanje parazitskih helminata (npr. Shistosoma). Manje gusta materija gradi zonu koja okružuje internum i naziva se externum ili matrix.

Slika 1.4. Eozinofil

1�

Na membrani eozinofila se ekspresuje receptor za Fc-IgE što im omogućava da ispoljavaju citotoksični efekat usmeren prema velikim parazitima okruženim IgE. Eozinofili, kao i neutrofili imaju kratak životni vek u cirkulaciji. Slično neutrofilima, priljubljeni su uz površinu endotelijalnih ćelija preko selektina, vezuju integrine i imaju sposobnost dijapadeze. Kao i neutrofili, eozinofili oslobađaju proteine, citokine i hemokine koji učestvuju u inflamaciji i ubijanju invazivnih organizama. Pored toga, stvraju biološki aktivne molekule koji utiču na inflamaciju preko inaktivacije leukotrijena i histamina nastalih u drugim ćelijama. U tkivima se eozinofili nalaze u vezivnom tkivu ispod epitela kože, bronha, GIST-a, uterusa, vagine, kao i oko parazitskih glista, gde obezbeđuju moćnu odbranu od parazita.Povećanje apsolutnog nivoa cirkulišućih eozinofila (eozinofilija) povezano je sa alergijskim reakcijama i helmintacijom (infekcijom helmintima). Kortikosteroidi (hormoni kore nadbubrežne žlezde) uzrokuju brzi pad broja eozinofila u krvi jer ometaju oslobadjanje nezrelih granulocita iz koštane srži u cirkulaciju.

1.�.2.2.�. Bazofilni granulociti – Bazofili

U perifernoj cirkulaciji čoveka ima manje od 0.2% bazofila, te ih je zbog toga relativno teško pronaći na krvnom razmazu. Dijametar im je, kao i neutrofilima i eozinofilima, oko 12 µm-15 µm. Jedro bazofila je bubrežastog oblika i podeljeno na nepravilne segmente, ali se ta segmentiranost obično slabije vidi na prepartu, jer je prikrivena prisustvom

specifičnih granula u citoplazmi. Specifične granule se oboje metahromatskim baznim bojama iz mešavine boja za krvne razmaze (Giemsa reagens) tamnoljubičasto zbog toga što sadrže heparin. Specifične granule u bazofilima su malobrojne, nejednake veličine i oblika u odnosu na granule neutrofila i eozinofila. Pored heparina, bazofilne specifične granule sadrže i histamin. Pod specifičnim okolnostima (prisutnost hemokinina) bazofili prelaze u vezivno tkivo i sekrecijom specifičnih citokina potpomažu delovanje mastocita u brzoj reakciji preosetljivosti (hipersenzitivnosti). Histamin-oslobađajući faktor, sekretovan od strane T limfocita, aktivira bazofile i oni oslobađaju histamin i druge inflamatorne medijatore, koji su esencijalni za brzu reakciju preosetljivosti (npr. od umerene urtikarije preko rinitisa do anafilaktičkog šoka). Postoji odredjeni stepen sličnosti izmedju granula bazofila i granula mastocita. I

jedne i druge su metahromatske i sadrže heparin i histamin. Metahromazija je svojstvo odredjenih supstanci da menjaju boju nekih baznih boja (npr. toluidin-plavog) i da se tako oboje tom promenjenom bojom (u slučaju toluidin-plavog, ljubičasto umesto plavo). Pored svojstva metahromazije, poput mastocita, i bazofili imaju sposobnost degranulacije (egzocitoze specifičnih granula) a kao odgovor na neke antigene. Uprkos navedenim sličnostima, mastociti i bazofili nisu iste ćelije jer i kod biološki iste vrste imaju različita strukturna svojstva, a pored toga, potiču od različitih opredeljenih matičnih ćelija koštane srži. Interesantno je napomenuti da su bazofili glavna vrsta ćelija na mestu inflamacije u kožnoj bolesti koja se nazva kožna bazofilna hipersenzitivnost.

1.�.2.2.�. Monociti

Monociti nastaju u koštanoj srži iz opredeljene progenitorske ćelije monoblasta, opredeljene matične ćelije mijeloidne loze, koja se po svom morfološkom izgledu bitno ne razlikuje od mijeloblasta. Diferencijacijom monoblasta na-staje promonocit, velika ćelija (dijametra 18 mm) sa bazofilnom citoplazmom i velikim, blago ug-nutim jedrom. Hromatin je ras-

tresit, a jedarca vidljiva. Promonociti prolaze dve ćelijske deobe tokom svog razvoja u monocite.Monociti u cirkulaciji imaju dijametar od 12µm-20 µm, a nukleusi su im ovalni, u obliku potkovice ili bubrežasti, i obično smešteni ekscentrično. Hromatin je manje kon-denzovan nego hromatin u limfocitima, te se zbog tog ras-tresitog hromatina jedra monocita boje svetlije od jedara velikih limfocita. Citoplazma monocita je bazofilna i sadrži sitne azurofilne granule (lizozome) od kojih su neke jedva vidljive svetlosnim mikroskopom. Te granule su raspored-jene po čitavoj citpolazmi i daju joj na obojenim razmazima plavičasto-sivu boju. Pod elektronskim mikroskopom se uočava da jedro ima jedno ili dva jedarceta, a u citoplazmi se vidi dobro razvijen granulirani endoplazmatski retiku-lum, poliribozomi i mnogo malih mitohodrija. Pored toga, uočava se i dobro razvijen Goldži-jev kompleks u kome se kondenzuje sadržaj citoplazmatskih granula. Te granule su primarni lizozomi koji se u monocitima opisuju kao sitne azurofilne granule. Sve nabrojane morfološke karakteristike ukazuju na veliku sekretornu potenciju ovih ćelija. Od svih uobličenih elemenata krvi, monociti prvi ulaze u cirkulaciju i tu se zadržavaju oko 72 sata. Nakon toga oni odlaze u veliki

Slika 1.5. Bazofil

Slika 1.6.Monocit

20

broj tkiva u organizmu, gde postaju tkivni makrofagi i čine moćni fagocitni sistem tkivnih makrofaga (sistem mono-nuklearnih makrofaga). Specifični tkivni makrofagi su Langerhans-ove dendritske ćelije kože, Kupferove ćelije jetre, plućne alveolarne makrofage, ćelije mikroglije u mozgu, M ćelije u submukozi GIST-a i dr. Važno je napomenuti da svi ovi makrofagi potiču od cirkulišućih monocita. U prošlosti se ovaj sistem označavao kao retikuloendotelni sistem, dok se danas naziva sistem tkivnih makrofaga. Njihov životni

vek u tkivima je nepoznat, ali transplantacija koštane srži ukazuje da mogu živeti oko 3 meseca. Dosadašnja saznanja ukazuju na to da se ne vraćaju u cirkulaciju. Makrofage aktiviraju limfokini oslobođeni od strane T limfocita. Ak-tivirani makrofagi migriraju, kao odgovor na hemotaksne stimuluse, proždiru i ubijaju bakterije u principu sličnim procesima i mehanizmima kojim to čine neutrofili. Mak-rofagi imaju sposobnost da sekretuju preko 100 različitih biološki aktivnih molekula, uključujući faktore koji utiču na limfocite i druge ćelije, prostaglandine E serije, faktore koji podstiču zgrušavanje i dr. Zahvaljujući svojoj specifičnoj funkcionalnoj organizaciji i širokoj paleti aktivnih materija koje sekretuju, makrofagi su moćni fagociti. Pored toga, imaju sposobnost da štetne agense koji su “nepoznati” i ne prepoznaju se od strane komponenti specifičnog imunog sistema, obrade (procesuju) i iskažu (prezentuju) na svo-joj površini u formi prepoznatljivoj za druge ćelije imunog sistema, te se zbog toga nazivaju antigen prezentujuće ćelije (APC). Dakle, makrofagi imaju ključnu ulogu u imu-nom odgovoru organizma i predstavljaju sponu izmedju ne specifičnog (prirodnog, urodjenog) i specifičnog (adaptivnog, stečenog) imuniteta (detaljnije videti u poglavlju 02. Osnovni principi organizacije i funkcije imunog sistema)

1.�.2.2.�. Limfociti

Limfociti čine porodicu loptastih ćelija sličnih morfoloških svojstava. Mogu da se svrstaju u nekoliko grupa prema tome kakve tipove površinskih molekula (markera) ekspresuju na membrani. Svi limfociti su nosioci efektornih imunih mehanizama usmerenih ka specifičnim štetnim agensima (mikroorganizmima, stranim makromolekulima, tumorskim

ćelijama), odnosno imaju ključnu ulogu u specifičnom imunom odgovoru. Ovaj specifični imuni odgovor se ostvaruje efektornim mehanizmima posredovanim ćelijama (nosioci su T limfociti) i efektornim mehanizmima posredovanim antitelima – humoralni imuni odgovor (nosioci su B limfociti). Ova problematika će detaljnije biti diskutovana u daljem tekstu (poglavlju 02. Osnovni principi organizacije i funkcije imunog sistema). Razlikuju se dve glavne grupe limfocita: T limfociti, koji se diferenciraju u timusu, i B limfociti koji sazrevaju u Bursi Fabricii ptica, ili kod životinja koje nemaju bursu, u fetalnoj jetri i koštanoj srži, organima po funkciji ekvivalentnim Bursi Fabricii

Kao i svi leukociti, u toku embrionalnog razvoja nastaju u žumančanoj kesi, a potom u jetri i slezini. Posle rođenja, sve opredeljene progenitorne ćelije limfocita potiču iz koštane srži. Neki od tih relativno nezrelih limfocita migriraju u timus gde se diferenciraju i poprimaju obeležja T limfocita. Iz timusa, cirkulacijom, T limfociti naseljavaju specifična područja perifernih limfatičnih organa gde se ostvaruje kontakt sa specifičnim antigenom. Ostali limfociti koštane srži ostaju u njoj, diferenciraju se i poprimaju osobine B limfocita i tek tada migriraju, u maniru sličnom kao i T limfociti, u periferne limfatične organe, gde naseljavaju svoje zasebne odeljke. Limfoblast je prva morfološki prepoznatljiva progenitorna ćelija limfoidne loze. To je krupna ćelija od koje nakon 2-3 deobe nastaju prolimfociti. Te ćelije su nešto anje i sadrže nešto kondenzovaniji hromatin, ali nemaju površinskih markera na osnovu kojih bi se mogli označiti kao T ili B limfociti. Tek u timusu ili koštanoj srži ove ćelije sintetišu sopstvene specifične receptore, ali se ni na tom stadijumu ne mogu razlikovati T ili B limfociti. Limfociti ulaze u krvotok najvećim delom putem limfnih sudova. Samo 2%, od ukupnog broja limfocita nalazi se u perifernoj krvi, a ostali deo se uglavnom nalazi u limfoidnim organima. Proračunato je da kod ljudi iz torakalnog kanala u cirkulaciju dospeva 3.5 x 1010 limfocita na dan. Važno je

Slika 1.7. Faze u maturaciji monocita

Slika 1.8. Limfocit

21

1.3.2.3. Trombociti

Trombociti (krvne pločice) su mala (dijametra 2 µm-4 µm), granulisana telašca koja ne poseduju jedro i koja se nakupljaju u zoni ozlede krvnog sudA. Prosečan normalan broj trombocita u cirkulaciji sisara je od 150 000 do 500 00 po µl krvi, a životni vek im je oko 3-5 dana. Nastaju odvajanjem delića citoplazme velikog poliploidnog megakariocita (grč. megas-veliki + karion-veliki + kytos – ćelija) koštane srži u procesu trombopoeze. TrombopoezaTrombopoeza predstavlja proces formiranja trombocita diferencijacijom pluripotentne matične ćelije koštane srži, pod uticajem interleukina (IL) i kolonija-stimulirajućih faktora (engl. coolony-stimulating factors – CSF). Faktori koji se produkuju u prilikom sazrevanja i diferencijacije pluripotentne matične ćelije se sekretuju od strane fibroblasta, makrofaga, aktivnih T ćelija, endotelijalnih ćelija i deluju lokalno na nivou koštane srži. Pod uticajem granulocita-monocita-CSF (GM-CSF), granulocita-CSF (G-CSF) i faktora matičnih ćelija (engl. stem cells factor – SCF), kao i postupnim delovanjem, IL-1, IL-6 i IL-3 na

naglasiti da ovaj broj uključuje ćelije koje ponovo ulaze u limfne sudove i tako prolaze kroz ductus thoracikus više puta. Limfociti su jedina populacija leukocita koja se nakon dijapedeze ponovo vraća iz tkiva u cirkulaciju.

Limfociti su najsitnije ćelije bele krvne loze, okruglog oblika. Ukoliko im je dijametar izmedju 6µm-8 µm zovu se mali limfociti. a ukoliko im je dijametar do 18 µm zovu se veliki limfociti. U cirkulaciji postoji i mali broj srednjih limfocita. Ova razlika u veličini ima funkcionalni značaj i smatra se da veliki limfociti nastaju tek nakon susreta (aktivacije) sa specifičnim antigenom. Najbrojniji u cirkulaciji su mali limfocti. Karakteriše ih krupno ovalno jedro sa malim ulegnućima i kondenzovan, grubozrnast hromatin, pa se stoga nukleusi intenzivno boje primenom uobičajenih metoda, što omogućava da se oni lako identifikuju. Na obojenim krvnim razmazima nukleolusi malih limfocita se ne vide, ali se mogu učiniti vidljivim specijalnim metodama bojenja, kao i primenom elektronske mikoskopije. Mali limfociti imaju oskudnu citoplazmu koja se na obojenom krvnom razmazu uočava u vidu uskog svetloplavog (jer je citoplazma slabo bazofilna) obruča oko nukleusa. U citoplazmi su prisutne azurofilne granule, mali broj mitohondrija, neupadljiv Goldžijev kompleks, kao i odredjena količina poliribozoma.

Treću grupu limfocita čine tzv. ćelije prirodne ubice ili NK ćelije (engl. »natural killer«) koje se i morfološki i

funkcionalno razlikuju od T i B limfocita. U primarnim limfatičnim organima nastaju u velikom broju (oko 109 dnevno) i migriraju u cirkulaciju i u periferne limfne organe i tkiva, gde žive različito dugo, a ponekada i više godina ili pak ceo ljudski vek. Limfociti, kao i ostale ćelije, sadrže brojne površinske molekule tzv. markere koji se mogu prepoznati monoklonskim antitelima i na osnovu njih se mogu razlikovati pojedine grupe, pa postoji i posebna nomenklatura nazvana CD-sistem (engl. »cluster designation« - CD) zasnovana na prepoznavanju membranskih markera (do danas ih je poznato već više od 200) monoklonskim antitelima. Ti markeri se obično grupišu prema podacima koji se mogu dobiti o ćeliji, pa razlikujemo: markere karakteristične za odredjenu ćelijsku ćiniju (npr. samo T limfociti imaju CD3 marker), markere koji postoje samo privremeno, samo u odredjenom razdoblju sazrevanja ćelije i to su tzv. diferencijacijski markeri (npr. CD1 na nezrelim limfocitima u timusu, ali ga nema na zrelim T limfocitima u cirkulaciji) i kao i markeri koji postoje samo na ćelijama koje su aktivirane antigenom i to su tzv. aktivacijski markeri (npr. CD25 koji je receptor za interleukin 2 – IL2).Limfociti imaju različit životni vek: neki žive samo nekoliko dana, dok drugi preživljavaju u cirkulaciji i nekoliko godina. Više podataka koji se odnose na različite vrste limfocita i njihovu ulogu u imunom odgovoru biće izneto u daljem tekstu (poglavlju 02.Osnovni principi organizacije i funkcije imunog sistema).

Slika 1.9. Ćelije prirodne ubice

22

hemocitoblastne ćelije formiraju se opredeljene progenitorne ćelije koje će daljom diferencijacijom dati megakarioblast, veliku ćeliju sa ogromnim bubrežastim ili ovalnim nukleusom prepunim nukleolusa. Pre početka diferencijacije citoplazme nukleus postaje jako poliploidan (sadrži 30 puta više DNK nego normalna ćelija). Diferencijacijom nastaje megakariocit, džinovska ćelija dijametra 35µm-150µm, sa nepravilno segmentiranim nukleusom i grubim hromatinom bez vidljivih nukleolusa. Citoplazma sadrži brojne mitohondrije i dobro razvijeni endoplazmatski retikulum i Goldžijev kompleks. Pored navedenih faktora kontrolu produkcije megakariocita vrši trombopoetin, cirkulišići citokin proteinske prirode (videti ranije u tekstu o hematopoezi). Ovaj faktor stimuliše maturaciju megakariocita. Amino-kraj trombopoetinske molekule ima trombocita-stimulirajuću aktivnost. Kada se broj trombocita u cirkulaciji smanji, aktivira se biosinteza i sekrecija trombopoetina, pa on sitmuliše maturaciju megakariocita. Tokom sazrevanja megakariocita, od brojnih invaginacija ćelijske membrane nastaju membrane razgraničenja tzv. demarkacione membrane. Ona omedjavaju područja citoplazme megakariocita, koja će se odcepiti kao trombocit i ući u cirkulaciju. U cirkulaciji čoveka ima u proseku od 200 000 do 500 000 trombocita po µl krvi, a životni vek im je 3-5 dana, te je dnevna potrošnja oko 15 000 do 20 000. Od ukupnog broja trombocita proizvedenih u koštanoj srži 60%-70% se nalazi u cirkulaciji, a ostatak uglavnom u slezini. Na obojenom krvnom razmazu trombociti se često nalaze u grupicama. Svaki trombocit ima perifernu hijalomernu zonu (svetloplavu i providnu) i granulomernu zonu (središnje područje koje sadrži ljubičaste granule). Trombociti sadrže sistem kanala, otvoreni kanalikularni sistem, koji je povezan sa invaginacijama ćelijske membrane. Verovatno takav raspored ima važnu ulogu u funkciji trombocita, jer olakšava oslobadjanje aktivnih molekula deponovanih u trombocitima. Duž periferne ivice trombocita prolazi marginalni snop mikrotubula koji omogućava održavanje ovalnog oblika krvnih pločica. Unutar hijalomere se nalaze nepravilne, guste (elektronski mikroskopirano) cevčice koje čine gusti tubularni sistem. Aktinski i miozinski molekuli se udružuju u hijalomernoj zoni da bi formirali kontraktilni sistem koji učestvuje u kretanju i nakupljanju (agregaciji trobmocita). Membrana trombocita poseduje brojne receptorne proteine, a najznačajniji su: receptori za kolagen, receptori za Von Willebrand-ov faktor (sekretuju ga endotelijalne ćelije krvnih sudova), receptori za fibrinogen, purinergični receptori za ADP (P2Y1, P2Y2, P2X1), receptori za trombopoetin. receptori za tromboksan A2, receptori za fibronektin, adrenergični receptori i dr. Karaktetistično je i prisustvo ćelijskog omotača ili pokrova (debljine 15nm-

20 nm) gradjenog od glikozaminglikana i glikoproteina. Ovaj omotač je izvan plazmaleme i učestvuje u adheziji trombocita. Granulomerna zona u sredini trombocita sadrži tri tipa granula (α-granule ili azurofilne granule; δ-granule ili gusta telašca i λ-granule) koje su ispunjene specifičnim biološki aktivnim molekulama neophodnim za ostvarivanje funkcije trombocita. Pored toga, granulomera sadrži retke mitohondrije, partikule glikogena, aktin, miozin, lizozome i dr.

Tabela 1.17. Sadržaj granula u granulomernoj zoni trombocita

α−granule azurofilne granule(300-500 nm)

δ-granulegusta telašca(250-300 nm)

λ-granulemale vezikule(175-200 nm)

Faktorrastaporeklomiztrombocita – PDGF*(produkuju ga pored trombocita i neutrofili, monociti i endotelijalne ćelije)

Fibroblastni faktor rasta – FGF*

Trombocita aktivirajući faktor - PAF*(produkuju ga pored trombocita i neutrofili, monociti i endotelijalne ćelije)

Lipoidni faktor tromboplastina

Von Willebrand-ov faktor(veoma veliki cirkulatorni molekul koga produkuju endotelijalne ćelije)

Trombocitni faktor IV

ADP

ATP

Pirofosfat

Adrenalin

Noradrenalin

Histamin

Ca2+

Serotonin(preuzet iz plazme i deponovan)

Druge ne proteinske molekule koje se sekretuju kao odgovor na aktivaciju trombocita

Lizozomalnienzimitipahidrolaza

S obziroma na veliki broj receptora na svojoj membrani, kao i spektar različitih biološki aktivnih materija koje poseduju, trombociti imaju veliki broj značajnih funkcija u organizmu. One se mogu sumirati na ulogu u procesu hemostaze (zaustavljanja krvavljenja) i ulogu u zaštiti organizma. U procesu zaustavljanja krvavljenja trombociti učestvuju na dva načina: 1) direktno - stvaranjem trombocitnog čepa (ukoliko je ozleda manja) ili prstena (ukoliko je ozleda veća) i 2) indirektno – sekrecijom aktivnih molekula koje

*PDGF-engl. platelet derived growth factor; *FGF - engl. fibroblasts growth factor;*PAF-engl. platelet activating factor.

2�

će imati učšća u pojedinim fazama hemostaze . Stvaranje trombocitnog čepa ili prstena se odvija kroz 3 faze: 1) adhezija ili aglomeracija trombocita; 2) aktivacija trombocita; 3) agregacija trombocita. Normalan endotel krvnog suda sekretuje faktore koji inhibišu aktivaciju trombocita (azot-oksid, prostacikline) a i fizička je barijera za aktivaciju trombocita. Ozleda “ogoli” kolagen i von Willebrand-ov faktor u subendotelu, pa se trombociti (+ naelektrisani), privučeni negativno naelektrisanim lamininom, kolagenom i von Willebrand-ovim faktorom, preko svojih receptora vežu

za njih. Adhezija aktivira trombocite, oni izbacuju parapodije, degranuliraju te sekretuju različite aktivne molekule (ATP, ADP, trombin, PAF) koji dodatno aktiviraju neaktivirane trombocite.

Slika 1.10. Aktivirani trombocit

PAF (engl. platelet activation factor – faktor aktivacije trombocita) je citokin koji stimuliše sintezu tromboksana A2 hidrolizom eikosanoida (fosfolipida od 20 C atoma) plazma membrane. Tromboksan A2 dodatno aktivira trombocite, oni se agregiraju, a fibrinogen se vezuje za receptore na membrni trombocita i povezuje trombocite u trombocitni čep ili prsten. Na taj način se ili potpuno zatvara ozledjena površina (u slučaju manjih ozleda) ili se smanjuje površina kroz koju ističe krv. Pored toga, fosfatidil serin se pomera na spoljašnju stranu membrane trombocita i obezbedjuje vezno mesto za aktivirane faktore koagulacije te se time optimizuje aktivacija koagulacije i formiranje fibrina. Fibrin se potom inkorporira u trombocitni čep formirajući stabilan tromb. Više informacija o koagulaciji krvi biće izneto kasnije.

Tabela 1.18. Funkcije trombocita

UČESTVUJU U HEMOSTAZIDIREKTNOINDIREKTNO UČESTVUJU

UZAŠTITIORGANIZMA

Stvaranjem trombocitnog čepa/prstena

Sekrecijom aktivnih molekula

1) ADHEZIJOM (AGLOMERACIJOM):

Privlačenje trombocita (+) iod strane kolagena (-); laminina (-); vWf (-)

2) AKTIVACIJOM:Vezivanje za kolagenSekrecija: ADP, frombina, PAFAktivirani trombociti menjaju oblik, izbacuju pseudopodije, degranuliraju…

3) AGREGACIJOM:Zahteva aktivirane trombocite

1) SPAZAM KONVULZIVNOGTIPA:

Prouzrokuju ga serotonin, adrenaliniendotelini

2) UČEŠĆE U KOAGULACIJI:Sekrecijom aktivnog tkivnog tromboplastina, faktora V i VII

3) UČEŠĆE U RETRAKCIJI KOAGULUMA:Sekrecijom: adrenalina, noradrenalina,serotonina,histamina, ATP-a

1) OKRUŽUJU BAKTERIJU :+ naelektrisanje i sposobnost agr.Kompleks bakterija-trombocit se fagocitira

2) SEKRETUJU BAKTERICIDNEIDRUGEAKTIVNEMOLEKULE:Lizozim,HistaminiBradikinin

3) SLABA MOĆ FAGOCITOZE:Partikula virusaPartikulanekrotičnog tkivaKolagena

* vWf - Von Willebrand-ov faktor; * PAF - engl.plateletactivating factor tj.faktor koji aktivira trombocite

Pored direktnog učešća u procesu zaustavljanja krvavljenja, trombociti učestvuju i indirektno, sekrecijom različitih aktivnih materija. Serotonin, adrenalin i endotelini sekretovani od strane aktiviranih trombocita ispoljava vazokonstriktorni efekat i prouzrokuje spazam konvulzivnog tipa koji smanjuje površinu kroz koju krv ističe. Sekrecijom aktivnog tkivnog tromboplastina i faktora V i VII trombociti učestvuju u injiciranju koagulacionih mehanizama. I na kraju, sekrecijom adrenalina, noradrenalina, serotonina i dr., trombociti imaju učešća u retrakciji koaguluma, i istiskivanju seruma iz njega.

Pored učešća u procesu zaustavljanja krvavljenja, trombociti imaju i zaštitnu funkciju u organizmu. S obzirom da su pozitivno naelektrisani i da imaju sposobnost agregacije, bivaju privučeni od strane negativno naelektrisanih bakterija i mogu da vrše opsonizaciju bakterija i tako ih učine prijemčivijim fagocitnim ćelijama. Takodje, prisustvo lizozomalinh granula bogatih hidrolitičkim enzimima Slika 1.11. Formiranje trombocitnog čepa

2�

omogućava im da u nekim slučajevima fagocitiraju sitne partikule virusa ili nekrotičnog tkiva. Pored toga, sekretuju brojne antibaktericidne molekule.

Tabela 1.19. Faktori koji omogućuju funkcionisanje trombocita

HEMIJSKI FAKTOR IZVOR INICIJACIJA AKTIVACIJE ILI OSLOBAĐANJA

ULOGA U FORMIRANJU TROMBOCITNOG ČEPA

OSTALE ULOGE I NAPOMENE

Kolagen Subendotelijalni ekstracelularnimatriks

Povreda dovodi do izlaganja trombocita kolagenu

Vezuje trombocite u cilju formiranja trombocitnog čepa ___

Von Willebrand-ov faktor (vWf)

Endotelijum, megakariociti

Izlaganje kolagenu Vezuje trombocite za kolagen (adhezija trombocita za endotelijalne ćelije); reguliše nivo cirkulišućeg faktora VIII

Manjak ovog faktora ili poremećaj u njegovoj strukturi izaziva produženo krvarenje

Serotonin Sekretorne vezikule trombocita

Aktivacija trombocita Agregacija trombocita Vazokonstriktor

Adenozin difosfat (ADP) Mitohondrije trombocita Aktivacija trombocita, trombin Agregacija trombocita ___

Trombocita aktivirajući faktor (PAF)*

Trombociti, neutrofili, monociti

Aktivacija trombocita Agregacija trombocita Uloga u inflamatornim procesima; povećava propustljivost kapilara

Tromboksan A2 Fosfolipidi u membranama trombocita

Aktivirajući faktor trombocita Agregacija trombocita Vazokonstriktor,eikosanoid

Fakotrrastaporeklomiztrombocita (PDGF)*

Trombociti Aktivacija trombocita ___ Pospešuje zarastanje rane privlačenjem fibroblasta i glatkih mišićnih ćelija

Interesantno je napomenuti da male doze aspirina smanjuju mogućnost za nastajanje infarkta miokarda i ishemičnih napada zato što aspirin inhibiše formiranje tromboksana A2 i time se menja odnos izmedju tromboksana A2 (stimuliše aktivaciju trombocita) i prostaciklina (zajedno sa azot-oksidom ihibišu aktivaciju trombocita) iz zida krvnog suda. Mehanizam delovanja aspirina je da inhibiše PAF-stimulisano nastajanje tromboksana A2 iz arahidonske kiselina. PAF na dva načina stimuiše aktivaciju trombocita. Vezujući se za svoje receptore, preko G-proteina aktivira fosfolipazu C (PLC) te se povećava produkcija diacil-glicerola (DAG) koji sa jedne strane stimuliše degranulaciju trombocita, a istovremeno i aktivila fosfolipazu A2 (PLA2) koja će aktivirati transformaciju arahidonsku kiseline u tromboksan A2. Pored toga, pokazano je da čokolada (pored ostalog, bogata flavonoidima) smanjuje agregaciju trombocita, a time i rizik

od kardiovaskularnih oboljenja. Smatra se da falvonoidi povećavaju antioksidativni kapacitet ćelija, a pokazano je da jedno parče tamne čokolade ima jednak efekat kao 4.5 šolja zelenog čaja (poznat stimulator antioksidativnih procesa) ili 28 čaša belog vina ili 2 čaše crnog vina. Važno je napomenuti da ribe i žabe nemaju trombocite, pa njihovu funkciju vrše vretenaste ćelije koje nastaju u submukoznom tkivu bubrega.

*PAF-engl. platelet activating factor; *PDGF - engl. platelet derived growth factor.

2�

Slika 1.14. Učešće trombocita u hemostazi – zaustavljanju krvavljenja

Važno je napomenuti da ozleda krvnog suda paralelno aktivira nekoliko procesa: vazokonstrikciju krvnog suda, sekreciju tkivnog tromboplastina (aktivacija koagulacije), a ogoljeni subendotel sa kolagenom i von Willebrand-ovim faktorom će aktivirati trombocite i proces koagulacije. Početni dogadjaj je spazam-vazokonstrikcija krvnog suda i formiranje privremenog hemostatskog čepa, koji nastaje vezivanjem trombocita za kolagen i njihovom agregacijom, posle čega dolazi do pretvaranja privremenog hemostatskog čepa u definitivan ugrušak.

1.3.3.1. Spazam krvnog sudaSpazam krvnog suda se dešava lokalno, oko ozledjene zone i doprinosi sporijem protoku krvi, potpomaže adheziju trombocita na subendotelnu površinu i aktivaciju procesa koagulacije. U zoni ozlede, razlikuju se dva tipa spazma: neurogeni i konvulzivni. Neurogeni traje deo minuta i rezultat je uspostavljanja refleksnog luka. Refleks otpočinje stimulusom bola (registruju ga nociceptivni receptori tj. receptori za bol) koji nastaje u zidu povredjenog krvnog suda, informacija se prenosi aferentnim putevima do kičmene moždine, pa se potom simpatičkim eferentnim putevima «komandni impuls» vraća nazad do ozledjenog krvnog suda gde uslovljava vazokonstrikciju u dužini od nekoliko centimetara. Drugi tip spazma je tzv. konvulzivni koji se ispoljava posuvraćanjem ozledjenih krajeva zidova krvnih sudova prema unutra, a kao rezultat kontrakcije specifičnog sloja glatke muskulature koja oblaže endotel. Konstrikcija nastaje delovanjem vazokonstriktornih materija koje sekretuju aktivirani trombociti (serotonin, adrenalin, noradrenalin, bradikinin i dr.) i koje se lepe za receptore na zidovima oštećenog krvnog suda. Posebno važnu ulogu u vazokonstrikciji igraju molekule endotelina-ET (okarakterisani su ET-1 i ET-2), sekretovane, izmedju ostalih, i od strane ćelija endotela. Ove molekule preko svojih membranskih receptora povećavaju koncentraciju Ca2+ (prisestiti se uloge Ca2+ u kontrakciji mišićne ćelije) u citoplazmi ćelija glatke muskulature i na taj način pouzrokuju snažne i produžene kontrakcije glatko-mišićnih ćelija. Konstrikcija povredjene arteriole ili male arterije može biti toliko snažna da se lumen krvnog suda potpuno zatvori, medjutim u slučaju većih krvnih sudova ili ukoliko je povreda longitudinalna i nepravilna, spazam krvnog suda ne može sprečiti isticanje krvi, te su potrebni drugi mehanizmi (agregacija trombocita i koagulacija).

1.3.3.2. Stvaranje trombocitnog čepa ili prstenaTrombocitni čep ili prsten formiraju agregirani aktivirani tromociti. Kao što je ranije napomenuto, normalan endotel krvnog suda sekretuje faktore koji inhibišu

1.3.3. HEMOSTAZA

Hemostaza ili zaustavljanje krvavljenja predstavlja proces sprečavanja isticanja krvi. Ostvaruje se formiranjem krvnog ugruška (koaguluma) u zidovima oštećenih krvnih sudova, čime se sprečava gubitak krvi, a krv održava u tečnom stanju unutar vaskularnog sistema. Da bi se formirao krvni ugrušak neophodno je uključivanje većeg broja sistema i koordinisanih mehanizama. Pored toga, skup složenih, medjusobno povezanih mehanizama, kao i lokalni faktori, učestvuju u održavanju ravnoteže izmedju procesa koagulacije i antikoagulacije.

Kada dodje do oštećenja ili presecanja krvnog suda, povreda će inicirati seriju dogadjaja koji će dovesti do formiranja krvnog ugruška. Hemostaza se odvija u nekoliko faza:

1) spazam krvnog suda2) formiranje trombocitnog čepa ili prstena (privremenog hemostatskog čepa ili prstena)3) koagulacija4) retrakcija i fibrinoliza koaguluma i urastanje vezivnog tkiva

2�

aktivaciju trombocita (azot-oksid, prostacikline). Ozledjena površina endotela sa ogoljenim subendotelom je negativno naelektrisana zbog prisustva laminina, kolagena i von Willebrand-ovog faktora u subendotelu. Trombociti (+ naelektrisani), privučeni negativnim naelektrisanjem, vežu se preko svojih receptora za kolagen i von Willebrand-ov faktor. Adhezija aktivira trombocite, oni izbacuju parapodije, degranuliraju tj. sekretuju različite aktivne molekule (ATP, ADP, trombin, PAF, tromboksan A2) koji dodatno aktiviraju neaktivirane trombocite. Fibrinogen se vezuje za receptore na membrani trombocita i dodatno povezuje i stabilizuje agregirane trombocite u trombocitni čep ili prsten. Na taj način se ili potpuno zatvara ozledjena površina (u slučaju manjih ozleda) ili se smanjuje površina kroz koju ističe krv. Pored toga, fosfatidil serin se pomera na spoljašnju stranu membrane trombocita i obezbedjuje vezno mesto za aktivirane faktore koagulacije te se time optimizuje aktivacija koagulacije i formiranje fibrina. Rastresite nakupine trombocita u privremenom čepu vezuju se medjusobno i pretvaraju u definitivan ugrušak pomoću fibrina koji se inkorporira u trombocitni čep.

1.3.3.3. Koagulacija krvi - mehanizam zgrušavanjaKoagulacija ili zgrušavanje krvi je prelazak krvi iz tečnog agregatnog stanja u čvrsto-gel agregatno stanje. Ovo

se ostvaruje kompleksnim mehanizmima i medjusobno povezanim reakcijama, a uz učešće velikog broja faktora tzv. faktora koagulacije.

Tabela 1.20. Nomenklatura faktora koagulacije

Faktora Naziv

I FibrinogenIISP ProtrombinIII TromboplastinIV Kalcijum - Ca2+

V Proakcelerin - Labilni faktor - Globulin akceleratorVIISP Prokonvertin - Stabilni faktorVIIISP Antihemofilični faktor (AHF), - Antihemofilični faktor A (AHFA) -

Ahtihemofilični globulin (AHG)IXSP Christmasov faktor - Antihemofilični faktor B (AHFB)

Tromboplastična komponenta plazme (plasma thromboplastic component – PTC)

XSP Stuart-Prower-ov faktorXISP Antihemofilični faktor C (AHFC) - Tromboplastinski antecedent plazme

(plasma thromboplastin antecedent – PTA)XIISP Hageman-ov faktor - Stakleni faktorXIII Fibrin-stabilizirajući faktor - Laki-Lorand-ov faktorHMW-K Kininogen visoke molekularne mase (engl. high molecular weight

kininogen – HMW-K) - Fitzgerald-ov faktorPre-Ka Prekalikrein - Fletcher-ov faktorKa KalikreinPL Fosfolipidi trombocita (Platelet fosfolipids – PL)

a Faktor VI nije zaseban faktor i izbačen je; SP-serinproteaze

Većina faktora koagulacije su po biohemijskoj strukturi zimogene (neaktivne forme) enzima sa aktivnošću serin-proteaza (imaju serin u aktivnom centru molekule). Pored toga, većina su proteini plazme tj. glikoproteini sintetisani u jetri, a prisustvo vitamina K je neophodno za njihovu sintezu. Složenost sistema je ranije bila zakomplikovana različitom nomenklaturom koja je korišćena, ali prihvatanje brojčanog sistema za većinu različitih faktora koagulacije uprostilo je situaciju.Mehanizam koagulacije se se sastoji od niza kaskadnih reakcija u kojima se aktiviraju neaktivni faktori koagulacije (zimogene forme enzima), a aktivirane forme dalje aktiviraju naredne u nizu. Osnovna reakcija u procesu koagulacije krvi je pretvaranje rastvorljivog proteina plazme fibrinogena u nerastvorljivi fibrin. Proces uključuje oslobadjanje dva para polipeptida (fibrinopeptidi A i B) sa svakog molekula fibrinogena.

Slika 1.13.Hemostaza

2�

Preostali deo, monomer fibrina, onda polimerizuje sa drugim molekulom monomera i formira polimer fibrin. Monomer fibrina spontano agregira i formira vlakna koja imaju karakterističnu strukturu koja se ponavlja svakih 225 Å (fibrinski monomer - 450 Å). Razlog za spontanu agregaciju fibrina je gubitak fibrinopeptida što oslobadja mesta za intramolekularnu asocijaciju koja su bila maskirana fibrinopeptidima. Fibrinska mrežica je u početku rastresita masa isprepletanih niti-vlakana-lanaca. Fibrin formira kovalentne ukrštene veze, pa se fibrinska mrežica pretvara u čvrst, stisnut agregat. Ova transformacija se ostvaruje uz katalitičko delovanje aktiviranog fibrin-stabilizirajućeg faktora (faktora XIII), a neophodno je i prisustvo Ca2+.Reakcija odvajanja fibrinopeptida i formirnja monomera, a time i polimerizacija monomera fibrina u fibrinsku mrežicu, katalisana je trombinom . Pored toga, trombin učestvuje i u drugim procesima, uključujući aktivaciju trombocita, endotelijalnih ćelija i leukocita preko najmanje jednog G protein vezujućeg receptora. Trombin je serin proteaza koja

se formira iz cirkulišućeg prekursora, protrombina, dejstvom aktiviranog faktora X.

Faktor X može biti aktiviran na dva načina tj. reakcijama dva sistema (ili jednog ili drugog), jednog unutrašnjeg i jednog spoljašnjeg sistema. Početna reakcija u unutrašnjem sistemu je pretvaranje neaktivnog faktora XII u aktivni faktor XII (XIIa). Ova aktivacija (katalisana sa kininogenom visoke molekulske mase i kalikreinom), može se izazvati i u in vitro uslovima, izlaganjem krvi elektronegativnom naboju vlažnih površina, kao što su staklo i kolagena vlakna. Aktivacija in vivo se dešava kada je krv izložena kolagenim vlaknima koja leže ispod endotela tj. u subendotelu krvnih sudova. Aktivirani faktor XII onda aktivira faktor XI, a aktivirani faktor XI aktivira faktor IX. Aktivirani faktor IX formira kompleks sa aktiviranim faktorom VIII (aktivira se kada se odvoji od von Willebrand-ovog faktora). Kompleks IXa i VIIIa aktivira faktor X. Fosfolipidi iz agregiranih trombocita (engl. phospholipids - PL) i Ca2+ su neophodni za punu aktivaciju faktora X. Spoljašnji sistem se pokreće oslobadjanjem

HEMIJSKI FAKTOR IZVOR INICIJACIJA AKTIVACIJE ILI OSLOBADJANJA

ULOGAUPROCESUKOAGULACIJE

OSTALEULOGEINAPOMENE

Kolagen Subendotelijalni ekstracelularnimatriks

Povreda dovodi do izlaganja kolagena faktorima koagulacije iz plazme

Započinje unutrašnji put ___

von Willebrand-ov faktor (vWF)

Endotelijum, megakariociti

Izlaganje kolagenuRegulacija na nivou faktora VIII

Manjak ovog faktora ili poremećaj u njegovoj strukturi izaziva produženo krvarenje

Kininogen i kalikrein Jetra i plazma Kofaktori uključeni u put koji se odvija u plazi

Kofaktori za kontaktnu aktivaciju unutrašnjeg puta

Posrednici u inflamatornom odgovoru; pospešuju fibrinolizu

Tkivni faktor (tkivni tromboplastin ili faktor III)

Većina ćelija osim trombocita

Oštećenje tkiva Započinje spoljašnji put ___

Protrombin i trombin (faktor II)

Jetra i plazma Lipidi trombocita, Ca2+, faktor V

Produkcija fibrina ___

Fibrinogen i fibrin (faktor I) Jetra i plazma Trombin

Formiranje nerastvorljivih vlakana koja stabilizuju trombocitni čep ___

Fibrin-stabilizirajući faktor (XIII) Jetra, megakariociti Trombociti

Formiranje mostova izmedju polimera fibrina i formiranje stabilne fibrinske mrežice

___

Ca2+ (faktor IV) Joni plazme ___ Neophodan za nekoliko kaskadnih reakcija u procesu koagulacije Nikada nije limitirajući faktor

VitaminK Hrana___ Neophodan za sintezu

faktora II, VII, IX, X___

Tabela 1.21. Faktori koji učestvuju u procesu koagulacije

2�

prelazak neaktivne forme plazminogena u plazmin (fibrinolizin), enzim koji hidrolitički razlaže fibrin-ske polimere. Plazmin (fibrinolizin) je aktivna komponenta plazmino-gen-fibrinolitičkog siste-ma. Ovaj enzim je prilično nespecifična proteaza te lizira fibrin i fibrinogen

(a i neke druge cirkulišuće serumske proteine) stvarajući degradacione produkte fibrinogena koji inhibišu trombin, odnosno porodukciju novih polimera fibrina. Plazmin se stvara od njegovog neaktivnog prekursora, plazminogena, delovanjem tri enzima: kalikreinom (opisano na početku pasusa), tkivnim aktivatorom plazminogena (engl. tissue plasminogen activator - t-PA) i urokinaznim aktivatorom plazminogena (engl. urokinase plasmingen activator - u-PA).Važno je napomenuti da trombin koji kao prokoagulans katališe prelazak fibrinogena u fibirin u procesu koagulacije, ukoliko je u kompleksu sa trombomodulinom (sekretuju ga endotelijalne ćelije) stimuliše razgradnu fibrina i deluje kao antikoagulans. Trobmin koji je «uhvaćen» u hemostatski čep nije u mogućnosti da interaguje sa trombomodulin, medjutim, ukoliko trombin cirkuliše slobodan, biva «uhvaćen» od strane

tkivnog tromboplastina (mešavine proteina i fosfolipida), koji aktivira faktor VII. Tkivni tromboplastin i faktor VII aktiviraju faktore IX i X. U prisustvu PL, Ca2+ i faktora Va (akcelerin, ubrzava reakciju 20 000 puta), aktivirani faktor X katališe pretvaranje protrombina u trombin. Sumirano, proces koagulacije se odvija tako što će aktivirani unutrašnji i/ili aktivirani spoljašnji put(evi) aktivirati faktor X, a on će (uz prisustvo PL, Ca2+ i Va) usloviti prelazak protrombina u trombin. Trombin će katalizovati hidrolitičku razgradnju i odvajanje fibrinopeptida A i B od fibrinogena, i time omogućiti spontanu polimerizaciju monomera fibrina i nastajanje polimera fibrina, odnosno fibrinske mrežice. Fibrinska mrežica je u početku rastresita masa isprepletanih vlakana, te je formirani koagulum krhk. On se brzo konvertuje u stabilniju formu delovanjem aktiviranog fibrin stabilizirajućeg faktora (XIIIa), a uz prisustvo Ca2+ jona. Fibrin formira kovalentne ukrštene veze i rastresiti koagulum prelazi u stabilniju, čvrstu formu.

1.3.3.4. Retrakcija koaguluma, urastanje vezivnog tkiva i fibrinoliza koaguluma

Niti fibrinske mrežice su preko krajeva fibrina povezane sa ispustima pseudopodija aktiviranih trombocita. Kontraktilni sitem koga čine aktinski i miozinski molekuli udruženi u hijalomernoj zoni trombocita (učestvuje u kretanju i nakupljanju-agregaciji trobmocita) svojom kontraktilnom aktivnošću povlači fibrinke niti i prouzrokuje retrakciju koaguluma i izbacivanje seruma u okolni prostor. Ranije se smatralo da postoji specifična molekula nazvana retraktozin koja injicira retrakciju koaguluma. Danas se zna da retraktozin ne postoji nego da su adrenalin i noradrenalin, serotonin i endotelin preko svojih receptora na trombocitima odgovorni za retrakciju koaguluma. Pored toga neophodno je učešće velikog broja molekula ATP-a koji direktno učestvuju u mehanizmu kontrakcije aktinskih i miozinskih molekula, a i indirektno, preko svojih purinergičnih receptora (P2Y1, P2Y2, P2X1) na membrani trombocita. Na ovaj način se približavaju ivice ozledjenog krvnog suda i ubrzava se zarastanje rane. U ozledjenu zonu migriraju fibrociti, te se formira novo vezivno tkivo. Pored toga, epitelijalne ćelije oko ozledjene površine proliferišu i na taj način se regeneriše ozledjena površina. Fibrinoliza koaguluma predstavlja razlaganje koaguluma i proces je suprotan koagulaciji, ali i za fibrinolizu je potrebno učešće velikog broja aktivnih faktora. Interesantno je da su neke molekule koje su važne u procesu koagulacije tj. formiranja koaguluma (prokoagulansi), važne i u procesu fibrinolize, odnosno razgradnje koaguluma (antikoagulansi). Tako npr. aktivirani faktor XII katalisaće prelazak neak-tivne forme prekalikrenina u kalikrein, a ovaj će usloviti

Slika 1.14. Koagulacija - kaskadne reakcije aktivacije faktora koagulacija

Slika 1.15. Fibrinska mrežica

2�

trombomodulina i formira se kompleks trombomodulin-trombin koji preko niza reakcija aktivira plazminogen, te preko plazmina prouzrokuje fibrinolizu. Kod miševa kojima nedostaje aktivan gen za aktivatore plazminogena (t-PA gen ili u-PA gen), doći će do uklanjanja fibrina, ali će liza ugruška biti usporena. Kada oba gena nedostaju spontano uklanjanje fibrina je produženo, a zarastanje rane se odgadja. Ljudski plazminogen se sastoji od teškog lanca sagradjenog od 560 aminokiseline i lakog sagradjenog od 241 aminokiseline. Težak lanac, sa glutamatom na amino kraju, je savijen tako da formira pet petlji koje se drže zajedno pomoću tri disulfidna mosta, a ove petlje se nazivaju «kringles» zbog toga što podsećaju na dansko pecivo takvog naziva. Petlje (kringles) su vezujuća mesta za molekule lizina koje hidrolitičkom razgradnjom odvajaju petlje i ostavljaju aktivni deo molekule. Slična struktura i mehanizam aktivacije definisani su i kod protrombina.Plazminogen se konvertuje u plazmin kada t-PA izvrši hidrolizu veze izmedju Arg 560 i Val 561.. Receptori za plazminogen se nalaze na površini različitih tipova ćelija, a naročito ih puno ima na endotelnim ćelijama. Kada se plazminogen veže za svoje receptore on postaje aktivan, a neoštećeni zidovi krvnih sudova tada pokreću mehanizam

koji onemogućava formiranje ugruška. Interesantno je napomenuti sa se humani t-PA danas proizvodi pomoću tehnike rekombinantne DNA i dostupan je za kliničku upotrebu. On vrši lizu ugruška u koronarnim arterijama ako se da pacijentu ubrzo nakon srčanog napada. Streptokinaza, bakterijski enzim, takodje ima fibrinolitička svojstva i takodje se koristi prilikom tretmana ranog infarkta srca. Interesantno je napomenuti da plazminogen sistem, osim što lizira krvne ugruške, učestvuje i u regulaciji ćelijskih pokreta i ovulaciji.Pored plazminogen-fibrinolitičkog sistema identifikovana je i grupa homologih proteina koji se zovu aneksini (engl. annexins) i povezani su sa procesima koagulacije i fibrinolize. Opisano je njih preko dvdeset, a čak deset kod sisara. Jedan

od njih, aneksin II, formira platformu na endotelnim ćelijama na kojoj komponente fibrinolitičkog sistema interreaguju, dovodeći do fibrinolize. Drugi, aneksin V, formira štit oko fosfolipida uključenih u proces koagulacije i tako ostvaruje antitrombinski efekat. Ipak, tačna fiziološka uloga različitih anexina još ostaje da se utvrdi.Pored navedenih sistema, veliki broj molekula i/ili sistema molekula ima fibrinolitički ili antikoagulansni efekat. Tendencija krvi da koaguliše zavisi od odnosa i balansa izmedju materija koje omogućavaju proces koagulacije (prokoagulansi) i materija koje inhibišu ovaj proces i koje mehanizmima antikoagulacije i fibrinolize u krvnim sudovima razlažu svaki krvi ugušak koji se stvori (antikoagulansi). Pored toga, ove reakcije uključuju i faktore (sekretuju ih aktivirani trombociti) koji su važni za prve faze hemostaze, a to je medjusobni odnos i zavisnost izmedju faktora koji prouzrokuju agregaciju trombocita - tromboksan A2 (i neke druge vrste tromboksana) i faktora koji imaju suprotan efekat (prostaciklini, azot-oksid, bradikinin i dr.).

1.3.3.5. Inhibitori procesa koagulacije - antikoagulansi

Antikoagulanse je moguće svrstati u dve grupe: 1) prirodne inhibitore procesa koagulacije i 2) veštačke inhibitore

XII XIIa

Pre-kalikrenin Kalikrein

Plazminogen PLAZMIN fibrinoliza koaguluma

Urokinaza (serin proteza ;

sintetiše se u bubrezima)

Tkivni aktivator plazminogena – tPA (sintetiše se u endotelu krvnih sudova; aktivira se kompleksom = plazminogen+fibrin)

Slika 1.17. Fibrinoliza

Slika 1.16. Aktiviranje plazminogen-fibrinolitičkog sistema i nastanak plazmina (fibrinolizina)

�0

procesa koagulacije. Prirodni imaju funkciju i “koriste se” i u in vivo i u in vitro uslovima, dok se veštački upotrebljavaju samo u in vitro sistemima (jedino se snižena temperatura primenjuje i u in vivo uslovima).

Prirodni inhibitori proseca koagulacijePrirodni inhibitori procesa koagulacije se primenjuju u in vivo uslovima, pogotovu prilikom većih hirurških intervencija koje duže traju i kada preti opasnost od stvaranja tromba koji može da prouzrokuje smetnje u protoku krvi i dovede do ozbiljnih komplikacija. Inhibicija može da se vrši već na samom početku procesa hemostaze – inhibicijom stvaranja trombocitnog čepa ili prstena, tj. inhibicijom aktivacije trombocita. To se u najvećem broju slučajeva ostvaruje narušavanjem odnosa sinteze i razgradnje tromboksana A2 i/ili prostaciklina. Primer za to su preparati koji u osnovi kao aktivnu materiju sadrže acetil-salicilnu kiselinu (acetisal, aspirin, midol, andol, anbol, kombinovani praškovi i dr.). Takodje, može biti poremećen odnos izmedju sinteze i/ili razgradnje von Willebrand-ovog faktora (neophodan za vezivanje trombocita i VIII faktora koagulacije). Pored navedenog, neke materije mogu da deluju i na faktore koji učestvuju u procesu aktivacije protrombina, druge mogu da inhibišu tj. blokiraju i trombin i/ili faktore koji učestvuju u njegovoj aktivaciji. S obzirom da je većna faktora koagulacije enzimiske prirode – proteaze sa serinom u aktivnom centru, sam mehanizam inhibicije je uglavnom vezan za inhibiciju aktivnog centra enzima.Antitrombin III (globulin poreklom iz jetre) je cirkulišući inhibitor proteaza koji se vezuje za serin proteaze (što je većina faktora koagulacije) u sistemu koagulacije, blokirajući njihovu aktivnost. Vezivanje antitrombina III za serin-proteaze je olakšano heparinom (sekretuju ga degranulirani

mastociti i bazofili, kao i ćelije endotela), antikoagulansom koji je već prisutan u cirkulaciji. Na ovaj način se mogu inhibisati aktivne forme faktora IX, X, XI i XII. Pored antitrombina III, postoji lipoprotein koji se nazive faktor inhibicije puta tkivnog faktora (engl. tissue factor pathway inhibitor) koji inhibiše aktivaciju faktora X preko spoljašnjeg puta formirajući kvarternu strukturu sa tkivnim tromboplastinom, aktiviranim faktorom VII i aktiviranim faktorom X. Na taj način se formira manje trombina, a samim tim i fibrina.

Endotel krvnog suda, takodje, sekrecijom različitih aktivnih molekula (azot-oksid, prostaciklini, bradikinin i dr.) igra aktivnu ulogu u sprečavanju stvaranja ugruška unutar krvnog suda. Pored prethodno navedenih faktore, sve ćelije endotela, izuzev onih u cerebralnoj mikrocirkulaciji, produkuju trombomodulin, protein koji se vezuje za trombin i ekspresuje na površini endotelijalnih ćelija. Trombin je u cirkulaciji prokoagulans koji aktivira faktore V i VIII, ali kada se veže za trombomodulin on postaje antikoagulans. Pored toga, trombin katališe jednu od ključnih reakcija u koagulaciju krvi (polimerizaciju molekula fibrinogena u fibrinske niti), medjutim kompleks trombina sa trombomodulinom funkcioniše kao antikoagulas. Trombim-trombomodulin kompleks aktivira protein C. Aktivirani protein C zajedno sa svojim kofaktorom, proteinom S, inaktiviše faktore V i VIII, kao i inhibitor t-PA, povećavajući stvaranje plazmina. Protein C je serin proteaza, te se kao i sve ostale serin proteaze nalazi u inaktivnoj – zimogenoj formi i zahteva prisustvo kompleksa tombin-trombomodulin za aktivaciju. Kompleks aktivira protein C, koji uz prisustvo proteina S (ima funkciju kofaktora, kompleks protein C-protein S se formira na površini endotelnih ćelija) proteolitički razlaže

HEMIJSKI FAKTOR IZVOR INICIJACIJA AKTIVACIJE ILI OSLOBADJANJA

ULOGA U ANTIKOAGULACIJI ILI FIBRINOLIZI

OSTALE ULOGE I NAPOMENE

Plazminogen i plazmin Jetra i plazma t-PA i trombin Razlaže fibrin i fibrinogen ___

Tkivni aktivator plazminogena (t-PA)

Mnoga tkiva Normalno prisutan; nivo se povećava u stresu i u prisustvu proteina C

Aktivira plazminogen Rekombinovani t-PA ima kliničku primenu u razlaganju koaguluma

Antitrombin III Jetra i plazma ___ Antikoagulans; blokira faktore IX, X, XI, XII, trombin, kalikrein

Heparin pojačava efekat; bez obzira na naziv, nema efekata na trombin

Prostaciklin (prostaglandin IiliPGI2)

Endotelijalne ćelije ___ Blokira agregaciju trombocita Vazodilatator

Tabela 1.22. Endogeni faktori koji učestvuju u fibrinolizi i antikoagulaciji

�1

faktore Va i VIII i na taj način inhibiše koagulaciju. Trombin takodje proteolitički inaktivira i protein S, te je tako veoma suptilno uključen u finu regulaciju sistema protein C-protein S. Trombin sa jedne strane aktivira protein C, a sa druge strane ga inhibiše indirektno, tj. inaktivacijom proteina S. Smatra se da koncentracije trombina (ali i nekih drugih učesnika procesa koagulacije) odredjuje i usmerava koja funkcija trombina će biti favorizovana.Heparin je moćan inhibitor procesa koagulacije. Prvi put je izolovan iz jetre psa i govečeta, te zbog toga i naziv heparin. Danas se ekstrakcija vrši iz tkiva pluća jer ga u tom tkivu najviše ima. To je mukopolisaharid (mešavina je sulfatnih polisaharida molekulske mase oko 15000-18000) koji se sintetiše u citoplazmi velikog broja različitih vrsta ćelija, pa čak i nekih jednoćelijskih organizama (Sta će njima???). Produkuju ga i bazofilni granulociti i mastociti koji su smešteni u perikapilarnom vezivu (veoma izraženo u plućima, pa i u jetri, ali u plućima više), kao i ćelije endotela krvnih kapilara. Smatra se da se iz mastocita heparin otpušta kontinualno, ali u malim količinama, te da dospeva u cirkulaciju (procesima filtracije i refiltracijom limfe) i onemogućava (pored ostalih faktora) spontanu kolagulaciju krvi u vaskularnom sistemu. Kao što je pomenuto ranije, heparin je antikoagulans koji se normalno pojavljuje u organizmu i olakšava delovanje antitrombina III. On je takodje kofaktor za lipoprotein-lipazu. Jedan od osnovnih serumskih proteina – protamin formira ireverzibilni kompleks sa heparinom i koristi se za neutralizaciju heparina u kliničke svrhe. Heparin deluje i antitromboplastinski, odnosno sprečava aktivaciju protrombina inhibišući aktivaciju faktora IX, X, XI i XII. Ovaj efekat je izraženiji ukoliko je prisutan i antitrombin. Pored toga, mnogo izraženiji efekat je antitrombinski efekat heparina. Naime, on 1000 puta povećava afinitet antitrombina III za trombin i na taj način sprečava katalitički efekat trombina u transformaciji fibrinogena u fibrin u ključnoj reakciji procesa koagulacije. Pored navedenih efekata, heparin ubrzava i adsorpciju trombina na fibrinske niti, te i na taj način blokira efekat trombina. Ima veoma široku primenu u in vitro, ali i u in vivo uslovima, a trajanje njegovog antikoagulansnog efekta je oko 4 časa. Koristi se pri tromboembolijskim stanjima, obilnim operativnim zahvatima, kod multipliciranih i komplikovanih venskih infuzija i sl. Zbog veoma izražene “kiselosti” molekule heparina, on se skoro i ne primenjuje intramuskularno, kako se ne bi prouzrokovale komplikacije usled čestih propratnih inflamatornih procesa. Nisko– molekularni fragmenti (prosečne molekulske težina 5000) se proizvode od nefrakcionisanog heparina i oni se više koriste u kliničke svrhe zato što imaju duži poluživot i proizvode predvidljiviji antikoagulansni efekat u odnosu na nefrakcionisani heparin.

Hirudin je inhibitor procesa koagulacije koji je po efektu veoma sličan heparinu, ali njegov antikoagulansni efekat kraće traje (oko 2.5 do 3 časa). Sintetiše se u pljuvačnim žlezdama medicinske pijavice (Hirudo medicinalis) iz kojih je i izolovan. Interesantno je da mnogi predstavnici beskičmenjaka, a posebno insekti, koji se hrane krvlju, sadrže u sekretu pljuvačnih žlezda neke antikoagulanse koje su po efektu slične heparinu i hirudinu.Derivati kumarina (coumadini) kao što su dikumarol i varfarin su takodje efikasni antikoagulansi. Oni inhibišu bakterijsku floru creva koja sintetiše vitamin K. Ovaj vitamin je neophodan za sintezu šest proteina koji učestvuju u procesu hemostaze (faktora II - protrombina, faktora VII, IX i X, kao i proteina C i proteina S). Naime, vitamin K je neophodan kao kofaktor za enzime koji katalizuju konverziju glutaminske kiselinske rezidue u γ-karboksi-glutaminsku kiselinsku reziduu. Za šest proteina uključenih u proces formiranja krvnog ugruška potrebno je izvršiti nekoliko konverzija glutaminske kiseline u γ-karboksi-glutaminsku pre nego što se oslobode u cirkulaciju, te su stoga svih šest proteina zavsni od vitamina K. Dikumarol je antiokoagulans biljnog porekla koji se primenjuje u in vivo uslovima, ali mnogo više u veterini (prilikom intervencija na tzv. plemenitim životinjskim vrstama) nego u humanoj medicini. Otkriven je pre 35 godina, slučajno, od strane Holandskih farmera, a prvi put je izolovan iz budjave deteline. Kao što je navedeno napred, inhibiše sintezu vitamina K, a time proces nastajanja serin proteaza u jetri, te na taj način blokira delovanje svih faktora koagulacije čija je sinteza katalisana vitaminom K. I dikumarol i varfarin ispoljavaju efekat na “duže staze” tj. treba vremena da koncentracija proteinskih faktora koagulacija padne u cirkulaciji, ali potom je efeket produžen jer je onemogućena sinteza nove količine faktora koagulacije, a time i koagulacija. Ranije se varfarin u malim dozama koristio kod efikasnog preveniranja koagulacije kod ljudi. Danas se u fomi preparata Decon-a koristi kao otrov za pacove, prouzrokujući smrt pacova usled iskrvavljenja. Pored svega napred navedenog, važno je naglasiti, iako je sasvim logično, da je nizak nivo Ca jona u plazmi sam po sebi dovoljan da poremeti proces formiranja krvnog ugruška i kritičan je za održavanje opšte homeostaze organizma.

Veštački inhibitori proseca koagulacijeFizički inhibitori procesa koagulacije. Poznato je da sniženje temperature usporava sve enzimske reakcije, pa stoga i proces koagulacije jer je on zasnovan na kaskadnoj aktivaciji enzimskih reakcija. Smanjena temperatura usporava proces koagulacije (on se ipak odvija mada znatno sporije), dok visoka tempreratura prouzrokuje denaturaciju proteina (pa i proteina koji učestvuju u procesu koagulacije) i ireverzibilno

�2

inhibiše koagulaciju. Oblaganje zida suda u koji se hvata krv parafinom ili nekim drugim materijalom (silikonom, polivinil-estrima i sl.) takodje sprečava proces koagulacije, jer eliminiše negativno naelektrisanje stakla i onemogućava vezivanje i aktiviranje faktora XII (stakleni faktor).Hemijski inhibitori procesa koagulacije. Evidentno je da je učešće Ca2+ jona neophodno u skoro svim fazama koagulacije. Ireverzibilno uklanjanje tj. blokiranje Ca2+ katjona, anjonima soli citrata (grade dvojne, ne rastvorne soli sa Ca2+) ili oksalata (ireverzibilno talože Ca++) sprečava proces koagulacije. Poznat je termin tzv. citratna krv za krv kod koje je sprečena koagulacija. EDTA (etilen-diamino-tetra-acetat) takodje helira jone Ca2+ i na taj način blokira njihove funkcije. Isoljavanje zasićenim i prezasićenim rastvorima neutralnih soli (Na2SO4; Na2S2O4; (NH4)2SO4) takodje inhibiše koagulaciju jer se vrši dehidratacija molekula proteina. Ponovnim dodatkom vode u sistem ponovo se uspostavlja proces. Sličan efekat ima i etanol (C2H5OH), koji takodje vrši dehidrataciju i taloženje proteina, ali se dodatkom vode u sistem ponovo uspostavlja proces koagulacije. Prisustvo prirodnih antikoagulanasa obezbedjuje jednom zdravom organizmu “likvidnost” (likvidno - tečno agregatno stanje) krvi u vaskularnom sistemu tj. sprečava stvaranje koaguluma u ne ozledjenim krvnim sudovima. Medjutim, u nekim slučajevima prilikom ozlede krvnog suda, u zoni ozlede (iako bi trebalo) ne dolazi do procesa koagulacije. Ovo može bti uzrokovano različitim patološkim procesima i/ili stanjima i/ili drugim faktorima u organizmu. Pored svega navedenog, svakako da proces koagulacije može biti sprečen ili umanjen odsustvom ili smanjenom količinom nekih faktora koagulacije, što može dovesti do obilnih krvavljenja i imati ozbiljne posledice. Ovo je najčešće prouzrokovano oboljenjima jetre (glavno mesto sinteze faktora koagulacije); smanjenom ili izostankom sinteze vitamina K od strane mikroflore debelog creva; nedostatkom Ca2+ tj. hipokalcemijom (koja opet moze biti uzrokovana različitim poremećajima, npr. poremećajem funkcije paratiroidne žlezde i dr.); trombocitopenijom (smanjenim brojem trombocita u optoku zbog smanjene produkcije trombocita, koja opet može biti posledica različitih patoloških stanja i sl) i drugim stanjima.

1.4. RESPIRATORNI PIGMENTI Važan faktor u evolucionom dizajnu telesnih tečnosti i cirkulatornog sistema je distribucija kiseonika i u nešto manjem obimu eliminacija ugljen dioksida. Mala rastvorljivost kiseonika u vodenim sistemima je glavni ograničavajući faktor u evoluciji telesnih tečnosti. Još je Krogh (1929) ukazao da slaba rastvorljivost kiseonika ograničava difuziju u živim sistemima i da samo tkiva koja su udaljena manje od 1mm od izvora kiseonika mogu biti snabdevena kiseonikom procesom difuzije. Dakle, morao se razviti mehanizam koji će pomoći distribuciji kiseonika u dublje slojeve tkiva i organizma. Tako su se razvili respiratorni pigmenti, koji reverzibilno, hemijski, vezuju kiseonik na nivou respiratornih površina i transportuju ga do tkiva gde se otpušta i dfunduje u ćelije. U odsustvu respiratornog pigmenta količina O2 bi bila mala npr. količina O2 fizički rastvorenog u krvi pri arterijskom PO2 je 0.3 ml O2/100 ml krvi ili 0.3 vol % O2. Medjutim, količina O2 se 70 X povećava kada se O2 kombinuje sa hemoglobinom (Hb). Kod gotovo svih životinja respiratorni pigment je transporter O2, a fizički rastvoren O2 je samo mali deo ukupne količine O2 u krvi. Izuzetak medju kičmenjacima je antarktička ledena riba iz familije Chaenichthyidae koja nema respiratorni pigment i ima nisku koncentraciju O2 u krvi. Ovaj nedostatak ledena riba verovatno kompenzuje povećanim volumenom krvi, medjutim količina O2 koja se prenosi do tkiva je ipak manja nego kod onih vrsta koje imaju Hb a žive u istim uslovima. Niska temperatura je verovatno značajan faktor u evoliciji riba koje nemaju Hb. Naime, niska temperatura je povezana sa niskim metabolizmom a sem toga O2 kao i svi ostali gasovi se bolje rastvaraju na nižim temperaturama.

Svi respiratorni pigmenti imaju atom metala u aktivnom centru tj. to su kompleksi metala i proteina – metaloproteini ili hromoproteini (zato što im metal daje boju). Najčešći metal koji se nalazi u sastavu respiratornih pigmenata je gvoždje koje daje crvenu boju, izuzetak je hlorokruorin žuto-zelene boje. Respiratorni pigmenti mogu biti rastvoreni u telesnim tečnostima ili se nalaze “zatvoreni” u ćelijama telesnih tečnosti. Takodje, respiratorni pogmenti se mogu naći i u tkivima van krvnog sistema npr. u mišićnom, u neuronima ili ćelijama koje su locirane blizu respiratornih povrsina npr. traheja ili skrga. Takvi respiratorni pigmenti obično imaju drugačiju strukturu i afinitet za kiseonik od onih koji cirkulišu u telesnim tečnostima.Osnovna funkcija respiratornih pigmenata je transport O2 i CO2. Osim ove funkcije respiratorni pigmenti imaju i ulogu pufera krvi a učestvuju i u regulaciji koloidno-osmotskog pritiska a respiratorni pigmenti kicmenjaka transportuju i

��

NO i na taj nacin se ukljucuju u regulaciju mikrocirkulacije u odredjenim tkivima tj. regulisu protok krvi kroz kapilare. Na osnovu zooloških i biohemijskih kriterijuma respiratorni pigmenti su klasifikovani u 6 grupa:hemoglobin, hemeritrin, hlorokruorin, hemocijanin koji se može podeliti u dve grupe: hemocijanin molusaka i hemocijanin artropoda i ahroglobin.

1.4.1. HLOROKRUORINTo je respiratorni pigment zeleno-žute boje. Nalazi se, ekstracelularno, rastvoren u hemolimfi 4 familije morskih poliheta: Sabellidae, Serpulidae, Chlorhaemidae, Ampharetidae. Hlorokruorin je hemoprotein velike molekulske mase oko 3 000 000 (MWHb = 68 000). Aktivni centar je atom Fe, koje ulazi u sastav porfirina, za koji se veže O2 u maniru 1:1 tj. jedan molekul O2 se vezuje za jedan porfirin. Porfirin hlorokruorina se razlikuje od porfirina hemoglobina po tome sto je vinil grupa (-CH=CH2) u pirolovom prstenu hemoglobina, zamenjena formil grupom (-CHO). Ova razlika, u strukturi porfirina, daje hlorokruorinu zelenu boju. Po svojim karakteristikama hlorokuorin je sličan ekstracelularnom hemoglobinu mnogih drugih annelida. Kriva disocijacije oksi-hlorokruarina ima oblik S, što ukazuje na kooperativnost subjedinica ovog respiratornog pigmenta, a vrednosti P50 su takve da omogućuju zasićenje molekula pigmenta na respiratornim površinama i otpuštanje O2 na nivou tkiva.

1.4.2. HEMERITRINHemeritrin sadrži Fe koje se ne nalazi u sastavu porfirina, nego je direktno vezano za proteinski deo molekule. Javlja se kod Sipunculid-a, Priapulida-a, Brahiopoda-a i kod predstavnika marinskih anelida. Jedan O2 vezuje se za dva atoma Fe (oksidacija). Ovaj respiratorni pigment se nalazi intracelularno u tkz. hemeritocitama (pink ćelije). Kod Dendrostomum-a i Siphonosom-a hemeretrin se nalazi u hemolimfi ali i u celomskoj tečnosti MW hemeritrina je 108 000 daltona. Nalazi se uvek u hemeritocitima morskih poliheta i brahiopoda. Može biti ljubičaste boje ili je bezbojan. Boja mu zavisi od stepena oksidacije (oksidisan – ljubičast). Dva atoma gvožđa u hemeretrinu su vezana sa histidine ostatke imidazolskih prstena kao i za karboksilne grupe glutaminske asparaginske kiseline. Ova kompleksna struktura sadži i kiseonik koji je kao most postavljen između dva atoma gvožđa. U deoksihemeretrinu most je hidroksilna grupa i gvožde je u oksidisanom stanji Fe(II). Kada se dva atoma kiseonika vežu gvožđe postaje Fe(III). [Fe(II)]2 + O2 ⇔ [Fe(III)]2 DeoksiHr OksiHr

Proteinski deo molekule je najčešće oktamer. Kod neki organizama on može biti i dimer, trimer i tetramer. U deoksi formi dva atoma gvožđa su u fero obliku sa hidroksilnom grupom kao mostom. Forme hemeretrina uglavnom ne pokazuju kooperativnost u vezivanju kiseonika. Kod nekih brahiopoda uočena je kooperativnost između subjedinica u vezivanju kiseonika ali je to još u domenu istraživanja

Slika 1.18. redukovani i oksidovani hemeritrin

1.4.3. HEMOCIJANINRastvoren je u hemolimfi mekušaca i zglavkara. Aktivni centar hemocijanina je Cu koji je direktvo vezan za protein velike molekulske mase (MW hemocijanina kod mekušaca ≈ 4-9 miliona a kod zglavkara 0.5-3 miliona). Hemocijanin reverzibilno vezuje O2, tako što se veže za 2 atoma Cu (u deoksigenisanom hemocijaninu Cu je u kupro obliku). U oksidisanom obliku (oksi-hemocijanin) je azurno plave boje. Kriva disocijacije oksihemocijanina ima S oblik. Na krivu disocijacije hemocijanina utiču različiti faktori koji mogu da je pomere udesno ili ulevo, odnosno da smanje ili povećaju afinitet hemocijanina prema kiseoniku. Ovaj respiratorni pigment ispoljava Borov efekat tj. povećanje CO2 u plazmi pomera krivu disocijacije oksi-hemocijanina u desno, odnosno smanjuje afinitet molekula hemocijanina za O2. Drugim rečima, prisustvo CO2 povećava

Slika 1.19. Vezivanje kiseonika hemocijaninom. L = OH-

��

disocijaciju oksi-hemocijanina i otpuštanje O2. Hemocijanin nekoliko Gastropoda kao i Limulus (rak) pokazuje veći afinitet za O2 sa smanjenjem pH. Ova pojava naziva se obrnuti Borov efekat i vezana je za uslove života ovih životinja. Važna je zato što stimuliše vezivanje O2 u toku perioda sa

⇓ PO2 kada dolazi do duže redukcije pH vrednosti hemolimfe ovih životinja. Poznato je da koncetracija jona u hemolimfi utiče na afinitet hemocijanina ka kiseoniku. Magnezijumovi i kalcijumovi joni povećavaju afinitet dok joni hlora imaju različit efekat povećavajući afinitet kod jednih a smanjujući kod drugih vrsta.

Hemocijanin nije nadjen u mišićnim ćelijama ili drugim ćelijama. Pojedine vrste mekušaca koje u hemolimfi imaju rastvoren hemocijanin, imaju hemoglobin u mišićnim ćelijama, neuronima ili u škrgama.

1.4.4. HEMOGLObIN Hemoglobin (Hb) je respiratorni pigment koji je široko rasprostranjen u zivotinjskom svetu. To je jedini respiratorni pigment zastupljen u krvi kičmenjaka, i bez nakoliko izuzetaka, svi kičmenjaci imaju Hb koji se uvek nalazi u eritrocitima. Molekuli hemoglobina su obično sastavljeni iz većeg broja subjedinica, tj. sastoje se od dve ili više subjedinica koje su medjusobno povezane nekovalentnim vezama. Svaka subjedinica Hb ima vezno mesto za O2. Drugim rečima Hb ima multipla vezna mesta za kiseonik, zavisno od broja subjedinica. Sve forme hemoglobina imaju, u pogledu hemijske strukture, dve zajedničke karakteristike: sadrže hem tj. protoporfirin IX koji sadrži Fe u fero obliku, i sadrže proteinsku komponentu tj. globin koji je nekovalentno vezan za hem. Kiseonik se vezuje za Fe u hemu u odnosu: 1 molekul O2 : 1 hem. Hem je protoporfirin koji se sastoji od 4 pirolova prstena sa atomom Fe u centru. Fe2+ je vezano sa dve koordinativne i dve kovalentne veze sa N atomima u protoporfirinu. Petom vezom Fe2+ je vezano za polipeptidni lanac globina preko N atoma iz histidina (imidazolska veza). Na šestu koordinativnu vezu se vezuje O2 u oksihemoglobinu ili je nepopunjena u deoksihemoglobinu. Struktura hema u svim molekulima hemoglobina je ista, a hemoglobin se razlikuje po sastavu i strukturi globina, kao i broju subjedinica koje su povezane u jedanu funkcionalnu celinu. Biohemijske analize su pokazale da male promene u strukturi globinske komponente hemoglobina značajno menjaju funkcionalne osobine hemoglobina.

Slika 1.21. Molekularna struktura hemoglobina

Beskičmenjački Hb se nalazi u cirkulaciji (ekstracelularni) ili je, kao kod kičmenjaka, intracelularno rasporedjen u specijalizovanim ćelijama. Intracelularni Hb beskičmenjaka je male molekulske mase (14000 – 70000 daltona) i izgradjen od jedne, dve ili četiri subjedinice. Ekstracelularni Hb beskicmenjaka je rastvoren u hemolimfi ili u drugim telesnim tečnostima (celomska tečnost). To je gotovo uvek veliki molekul (MW ≈ 200000-12 miliona daltona) izgradjen od većeg broja subjedinica. U zavisnosti od uslova sredine u kojoj životinja živi, koncentracija ekstracelularnog Hb kod nekih beskičmenjaka se menja dramatično, tako da životinje zbog promene nivoa Hb u hemolimfi menjaju i boju tela. Daphnia, na primer, ima malo Hb i svetlo je obojena kada živi u vodi koja je bogata O2. Medjutim, kada se nadje u vodi koja je siromašna sa O2, za par dana nivo Hb toliko poraste da ona postaje intenzivno crveno obojena. Hb koji se nalazi u mišićnim ćelijama, neuronima i drugim ćelijama u telu beskičmenjaka je obično izgradjen iz jedne subjedinice. Insekti obično nemaju respiratorne pigmente, ali kod nekih vodenih vrsta stenica (engl.backswimmer bug), Hb se nalazi u trahealnim organima, gde funkcioniše kao rezervoar O2 koji se oslobadja u traheje tokom ronjenja životinje.Kod najprimitivnijih kičmenjaka Ciclostoma molekul Hb je monomeran, dok je kod ostalih kičmenjaka tetrameran. Njegova koncentracija varira u zavisnosti od vrste i njenog položaja u evolutivnom nizu. Tako, sisari i ptice imaju 10-18 g% Hb, a amfibe, reptili i ribe 5-10 g% Hb.Globin, tj. proteinski deo molekula, sastoji se iz 2 α i 2 β lanca (svaka subjedinica sadrži po 1 lanac). Amino kiselinski sastav globinskih lanaca je karakterističan za vrstu tj predstavlja jedan od kriterijuma za sistematizaciju vrsta. Humani α lanac ima 141, a β lanac 146 amino kiselina. Normalni humani Hb je tzv. HbA se sastoji od α2β2 lanaca. Oko 2.5% ukupnog Hb je HbA2 u kome su β lanci zamenjeni δ lancima (α2δ2; δ lanci se u 10 aminokiselina razlikuju od β lanaca). U različitim stanjima životnog ciklusa u krvi sisara postoje molekuli Hb koji se razlikuju kako po strukturi tako i po funkcionalnim osobinama. Na primer, u krvi fetusa čoveka nalazi se tzv. fetalni Hb, koji se od adultnog Hb razlikuje po tome što su mu β lanci zamenjeni sa γ lancima.

Slika 1.20. Hemocian

��

Fetalni Hb ima veći afinitet za vezivanje O2 nego adultni Hb, što je vrlo značajno za fetus jer živi u sredini gde je parcijalni PO2 nizak. Razlog za povećani afinitet fetalnog Hb prema O2 je slabo vezivanje 2,3-difosfoglicerata za γ lance. Ovaj organski fosfat se inače vezuje samo za β lance i na taj način se smanjuje afinitet Hb za O2.

Slika 1.22. Dinamika sinteze fetalnog hemoglobina

Slika 1.23. Krive disocijacije oksiHb kod fetusa i nakon rodjenja.

Kičmenjaci mogu da poseduju Hb koji se nalazi van eritrocita. Ovakav Hb se razlikuje po svojoj strukturi od onog koji se nalazi u krvi. Mioglobin je Hb koji se nalazi u tkivima, najčešće u mišićima. Molekul mioglobina je monomeran, tako da može da veže samo jedan molekul O2 koji je oslobodjen iz ERY, i da ga deponuje ili transportuje do enzimskih sistema u mitohondrijama. Kriva disocijacije oksi-mioglobina ima oblik pravougaone hiperbole i pomerena je u levo od krive disocijacije oksi-Hb

Slika 1.24.. Krive disocijacije oksiHb i oksimioglobinaMioglobin ima veći afinitet i vezuje O2 pri nižim PO2, što omogućuje da se O2 transportuje do mišića. Pri niskom PO2 krvi od 5.3 kPa Hb je zasićen 60% a mioglobin 90%. Mioglobin otpušta O2 samo pri veoma niskom PO2 tj. predstavlja rezervu O2.

Slika 1.25. Difuzija O2 na nivou respiratorne površine i sistemskih kapilara.

��

Hb, na nivou respiratornih površina, labilno vezuje O2 i formira se oksiHb. Vezivanjem O2, gvoždje ne menja valencu, drugim rečima ovaj proces nije proces oksidacije nego oksigenacije. Medjutim, jaki oksidativni agensi (NO) mogu oksidovati gvoždje iz hema u feri oblik i tako nastaje methemoglobin. Ovo je nefunkcionalni oblik Hb koji gubi sposobnost vezivanja O2. Methemoglobin je tamnije obojen, i kada je prisutan u krvi u većoj količini daje koži karakterističnu cijanoznu boju. U eritrocitima postoji enzimski sistem tkz. sistem NADPH-methemoglobin reduktaze, koji konvertuje methemoglobin u Hb. Kada Hb otpusti O2 u uslovima niskog parcijalnog PO2 nastaje deoksiHb. CO takodje reaguje sa Hb i formira se karboksiHb. Afinitet Hb za CO je mnogo veći nego za O2 tako da CO može da istisne O2 i na taj način da smanji kapacitet krvi za transport O2. Svaki od 4 Fe2+ u molekulu Hb može reverzilno da veže 1 O2 što znači da 1 Hb vezuje 4 O2. Hb4 + 4 O2 ⇔ Hb4O8Vezivanje O2 u krvi plućnih kapilara je veoma brz proces ≈ 0.01s, i odigrava se postupno u 4 faze: Hb4 + O2 ⇔ Hb4O2 Hb4 O2 + O2 ⇔ Hb4O4 Hb4O4 + O2 ⇔ Hb4O6 Hb4O6 + O2 ⇔ Hb4O8Kvaternarna struktura Hb determiniše njegov afinitet za O2. Kada Hb veže O2 β lanci su bliži jedan drugom. Kada se oslobodi O2, β lanci se razdvoje. Ovo kretanje lanaca je povezano sa promenom pozicije hema. Relaksirano stanje ili R stanje, favorizuje vezivanje O2 dok T stanje predstavlja oksigenisano stanje. Izračunato je da Hb, u toku životnog veka ERY, prolazi kroz ovu tranziciju od R ⇒ T stanja ≈ 108X.Krive disocijacije oksi-Hb. Da bi se odredila kriva disocijacije oksi-Hb (HbO2) potrebno je prvo potpuno zasititi Hb sa O2 (100% zasićenje), a zatim takvu krv staviti u uslove različitih parcijalnih PO2 i pratiti oslobadjanje O2 (tj. disocijaciju oksiHb). Ako se dobijeni rezultati grafički predstave tako što se na ordinatu stave vrednosti % zasićenja a na apcisu parcijalni PO2 dobija se kriva disocijacije oksiHb. Kriva disocijacije oksiHb ima karakterističan sigmoidini oblik. Ovaj oblik je posledica promena u afinitetu Hb za O2 u toku oksigenacije Hb. Vezivanje O2 za prvi hem povećava afinitet drugog hema za O2, a oksigenacija drugog povećava afinitet trećeg hema za O2 tako da je afinitet Hb za vezivanje četvrtog O2 mnogo puta veći nego za vezivanje prvog O2. Ovo ukazuje na kooperativnost subjedinica.S obzirom da se Hb ciklostoma, neke forme Hb beskičmenjaka kao i mioglobin sastoje samo od jedne subjedinice, kriva disocijacije ovih respiratornih pigmenata ima izgled

hiperbole. Ako izvršimo analizu krive, videćemo da najniži deo pokazuje osobine Hb pri niskom parcijalnom PO2 koji je blizak onom u tkivima. Srednji deo krive se odnosi na karakteristike Hb pri onom pritisku koji vlada u deoksigenisanoj krvi dok završni deo krive odgovara uslovima na respiratornim površinama (alveolarni vazduh). Drugim rečima funkcionalno posmatrano, Hb ima mali afinitet za O2 u tkivima (nizak parcijalnom PO2) a veliki afinitet na respiratornim površinama (visok parcijalni PO2).

Slika 1.26 Stepen zasićenosti hemoglobina

Slika 1.27. Kriva disocijacije oksiHb

Kod mnogih životinja u miru venska krv koja ulazi u pluća ili škrge je ≈70% zasićena O2. Tokom aktivnosti ili kada su zahtevi tkiva za O2 veliki, saturacija Hb sa O2 u venskoj krvi

��

pada na 30% ili jos manje. Parcijalni PO2 pri kome je 50% Hb zasićeno, naziva se pritisak poluzasićenja ili P50. Ako je P50 velika vrednost afinitet Hb za O2 je mali i obrnuto ako je mala afinitet Hb za O2 je veliki. Vrednost P50 varira medju životinjama, njihov Hb ispoljava različit afinitet za O2. Ove razlike u afinitetu Hb za O2 su povezane sa razlikama u sastavu globina, genetski su determinisane, i nastale su u toku evolucije kao posledica prilagodjenosti uslovima životne sredine. Npr. Arenicola (Poliheta) ⇒ P50 postiže pri veoma niskom PO2 ⇒ respiratorni pigment ima veliki afinitet za O2 što je u skladu sa ekološkim osobinama sredine u kojoj živi (vode koje se povlače). Za razliku od Arenikole P50 kod čoveka je znatno veći a najveći je P50 goluba ⇒ sredina bogata O2.Faktori koji mogu da utiču na položaj krive disocijacije su promena temperature, pH vrednosti telesnih tečnosti, vezivanje organskih fosfata i promene parcijalng PCO2.Efekat temperature. Povećanje temperature pomera krivu disocijacije HbO2 u desno, što znači da se pri povišenim temperaturama O2 se disocira od Hb i otpušta. ⇑ temperatura slabi veze izmedju Hb i O2 i otuda se O2 lakše otpušta. Ovo je značajno za organizam jer je ⇑ temperatura praćena intenzivnijim metabolizmom i potrošnjom O2. Takodje, temperatura krvi u plućnim kapilarima je za nekoliko 0C niža nego u tkivnim kapilarima što favorizuje oksigenaciju Hb u plućima i njegovo otpuštanje u tkivima. Efekat temperature je naročito važan za pojkiloterme. Telesna temperatura kod ovih životinja zavisi od temperature sredine

tako da pomeranje krive u desno olakšava otpuštanje O2 pri visokim temperaturama kada se životinje aktivnije i imaju ⇑ potrebe za O2. Nažalost, ⇑ temperatura smanjuje afinitet Hb za O2 i to kada je usled povećanog metabolizma potreba za O2 povećana. Efekat CO2 i pH. Povećanje CO2 u plazmi pomera krivu disocijacije HbO2 u desno, odnosno smanjuje afinitet molekula Hb za O2 (zasićuje se pri ⇑ PPO2) ali zato povećava disocijaciju HbO2 i otpuštanje O2. Ovaj fenomen se naziva Borov efekat (otkrio ga je Danski fiziolog Kristijan Bor, otac atomskog fizičara Nilsa Bora). Kada eritrociti prolaze kroz aktivna tkiva, koja produkuju laktat, on funkcioniše kao signal da je tkivu potrebno više O2. Odnosno, povećana kiselost izaziva oslobadjanje O2 iz HbO2. Drugim rečima, pomeranje krive u desno je od vitalnog značaja za organizam, sobzirom da je PCO2 u kapilarima aktivnog tkiva ⇑, krv je više kisela, pa će se više O2 otpustiti. S druge strane, u plućima, gde se CO2 gubi ventilacijom, povećava se efikasnost Hb da vezuje O2. ⇑ PCO2 izaziva smanjenje afiniteta Hb za O2 na dva načina: ⇓ pH vrednosti krvi (Borov efekat) i direktnom kombinacijom Hb sa CO2 i formiranjem karbamino jedinjenja. Tako, napuštanje CO2 na respiratornim površinama facilitira vezivanje O2.

U uslovima kada se zančajnije redukuje pH telesne tečnosti, kod organizama koji su tolerantniji na variranja pH npr. ribe, fenomen smanjivanja afiniteta respiratornog pigmenta za O2 naziva se Root-ov efekat. Fiziološke posledice Root-ovog efekta su povezane i sa funkcijom ribljeg mehura (biće objašnjene kasnije). Efekat organskih fosfata. U eritrocitima se nalaze organska fosfatna jedinjenja koja nastaju u toku metabolizma glukoze. ⇑ koncentracija organskih fosfata pomera krivu disocijacije u desno, drugim rečima smanjuje afinitet Hb za O2 ili olakšava otpuštanje O2. U eritrocitima čoveka nalazi se 2,� difosfoglicerat koji se vezuje za β lance deoksigenisanog Hb, ali se ne vezuje za iste lance kada je on u oksigenisanom stanju. Koncentracija difosfoglicerata u eritrocitima sisara varira: velika je u konja, čoveka, psa, zeca dok je mala u eritrocitima ovce, koze, krave, mačke. Za razliku od eritrocita sisara, ERY ptica i reptila sadrže inozitol pentafosfat, a kod riba je to ATP i GTP. U toku ontogeneze se može menjati dominantno organo-fosfatno jedinjenje u eritrocitima. Tako npr. kod amazonske ribe Arapaima gigas ATP je dominantan organofosfat u eritrocitima maldih akvatičnih formi, ali InsP5 je dominantan kod adulta koji dišu vazduh. U eritrocitima čoveka 2,3 difosfoglicerat nastaje kao rezultat glikolize. Zna se da 2,3 DPG smanjuje afinitet Hb za O2 tako što se vezuje za β lance što izaziva zbijenu konfiguraciju molekula. Ovo se dešava u tkivnim kapilarima

Slika 1.28. Efekat temperature i variranja pH na disocijaciju oksiHb (afinitet Hb za kiseonik)

��

gde je intenzivan metabolizam a PO2 ⇓. Na nivou pluća PO2 ⇑ DPG se odvaja od Hb i povećava se afinitet Hb za vezivanje O2. Drugi mehanizam: ⇑ koncentracija DPG u eritrocitima smanjuje pH (sisari) i kriva disocijacije se pomera u desno. Vezivanje organskih fosfata za Hb smanjuje afinitet Hb za O2 kod većine kičmenjaka izuzev ciklostoma i krokodila.

Utvrdjeno je da postoji jasna korelacija izmedju mesta krive disocijacije HbO2 u koordinatnom sistemu i ekološke distribucije životinja. Životinje koje imaju krivu disocijacije pomerenu u desno snabdevaju se sa O2 ako žive u sredini u kojoj je ⇑ PO2. Tako npr. ribe koje žive u površinskim slojevima vode (pastrmka) ili u vodama u kojima je PO2 ⇑ (hladna planinska voda) imaju krivu disocijacije HbO2 pomerenu u desno u odnosu na ribe koje žive u stajaćim vodama (šaran).Kopnene životinje imaju krivu disocijacije HbO2 pomerenu u levo u odnosu na vodene životinje. Životinje koje žive na kopnu zasićiju Hb pri nižim PO2 od vodenih.Životinje koje žive u hipoksičnim uslovima (npr. na visokim planinama – Ande ≈ 5000 m) kao što su južnoamerički sisari (npr. lama) imaju krivu disocijacije pomerenu u levo u poredjenju sa njihovim srodnicima koji žive na nivou mora (ovca).Kod mnogih kičmenjaka afinitet Hb prema O2 se menja u toku ontogeneze. Kao što je već spomenuto, kriva disocijacije HbO2 fetusa čoveka i pacova pomerena je u levo u odnosu na krivu adulta, što ima veliki značaj jer Hb ferusa može da veže O2 pri nižim parcijalnim PO2. Slično je i kod viviparnih riba (morski pas – fetalni Hb ima veći afinitet za O2) kao

i kod viviparnih zmija. Takodje, kriva disocijacije HbO2 punoglavaca žaba je pomerena u levo od krive kod adulta, a i Borov efekat je manji (punoglavci žive u vodi sa malo rastvorenog O2).

Transport CO2 U toku ćelijskog metabolizma stvaraju se velike količine CO2. Čovek prosečne telesne mase proizvede oko 200 ml CO2/min. CO2 iz ćelija difunduje u krv a zatim se krvlju prenosi do pluća (odnosno respiratornih površina za razmenu gasova) i eleminiše u spoljašnu sredinu. Šta se dešava sa CO2 kada iz ćelija difunduje u krv?CO2 se u krvi nalazi u tri oblika: 5% CO2 je fizički rastvoreno;

Slika 1.30. Efekat promene parcijalnog pritiska CO2 i promene pH u krvi na disocijaciju oksiHbSlika 1.29. Root-ov efekat na krive disocijacije oksiHb.

Slika 1.31. Sinteza i katabolizam 2.3 DPG

��

20% je hemijski vezano: za proteine plazme i najvećim delom za Hb u eritrocitima, tako da nastaje karbaminohemoglobin;75% CO2 gradi bikarbonatni jon (HCO3

-).Veoma mala količina CO2 je fizički rastvorena u plazmi, uprkos njegovom velikom koeficijentu rastvorljivosti. CO2 je hemijski veoma aktivan i kada dospe u plazmu hidrira se sa vodom i obrazuje ugljenu kiselinu.CO2 + H2O ⇔ H2CO3⇔ H+ + HCO3

-

H2CO3 je veoma slaba kiselina koja disosuje. Reakcija je reverzibilna i spora jer u plazmi uglavnom nema karboanhidraze. Ovaj enzim katališe interkonverziju CO2 i HCO3

-. Medjutim, u odredjenim tkivima njegova katalitička aktivnost se ipak ispoljava, zahvaljujući postojanju karboanhidraze koja je povezana sa membranom endotelnih ćelija kapilara. Naime, u zidu plućnih kapilara, kao i u zidu kapilara u skeletnoj muskulaturi, nalazi se karboanhidraza koja je u kontaktu sa plazmom i koja favorizuje nastanak H+ i HCO3

-. Treba naglasiti da efikasnost transporta CO2 zavisi od aktivnosti karboanhidraze tj. od konverzije CO2 u HCO3

- i da je ovaj proces specifično lokalizovan. Naravno, transport CO2 zavisi od kapaciteta puferskih sistema koji su sposobni da vežu H+.H+ bi mogao da zakiseli plazmu, medjutim to se ne dešava zahvaljujući puferskom delovanju proteina plazme (Pr-) koji vezuju slobodan H+. H+ + Pr- ⇔ HPrIstovremeno bikarbonatni jon ne alkalizuje plazmu pošto se vezuje za katjone plazme, uglavnom za Na+ i obrazuje NaHCO3. HCO3

- + Na+ ⇔ NaHCO3

Slika 1.32. Prilagodjenost na uslove sa različitom količinom kiseonika u vodi

Slika 1.33. Transport CO2 na nivou tkivnih kapilara.

�0

Najveći deo CO2, proizveden u ćelijama, difunduje u intersticijum, a zatim u plazmu tkivnih kapilara, i iz nje u eritrocite. U eritrocitima se nalazi karboanhidraza koja oko 1000X ubrzava nastajanje H+ i HCO3

-. Usled zakišeljavanja HbO2 koji se nalazi u eritrocitima otpušta O2 (Borov efekat) i prelazi u deoksigenisani oblik Hb-, koji trenutno vezuje H+ (ImH+) i na taj način promoviše formiranje HCO3

-. HCO3- koji

se formira u eritrocitima difunduje u plazmu, tako da plazma transportuje najveći deo CO2 u formi HCO3

-. Naravno, HCO3-

koji difunduju iz eritrocita bivaju puferisani u plazmi. Da bi se održala elektohemijska ravnoteža eritrocita, difuzija HCO3

- je praćena difuzijom Cl-, iz plazme u eritrocite. Ćelijska membrana eritrocita gotovo svih kičmenjaka, poseduje sistem proteina (engl. band 3 protein) koji facilitira difuziju HCO3

- i Cl- kroz membranu u odnosu 1:1. Ovaj proces se zove šift hlorida ili Hamburgerov šift.

Kao što je već rečeno, deoksigenisani Hb- puferise H+ u eritrocitima. Imidazolna grupa histidina ima najveći kapacitet za vezivanje H+ (ImH+). Ovakav Hb ima veći afinitet za CO2 i nastaje karbamino hemoglobin. CO2 se vezuje za amino grupe hemoglobina, i drugih proteina, formirajući karbamino grupe (-NHCOO-). Može se reći da hemoglobin može istovremeno da transportuje O2 i CO2. Koliko će CO2 biti vezano za hemoglobin, zavisi od stepena njegove oksigenacije. Iako formiranje karbamino jedinjenja nije obavezan put transporta CO2, kod sisara se dešava u značajnim količinama.

Na slici 1.35. je prikazan transport CO2 na nivou tkivnih (sistemskih) kapilara. U plućnim kapilarima se dešava proces suprotan onom koji se dešava na nivou tkivnih kapilara. Usled povećanog parcijalnog PO2 (Haldaneov efekat), a pod uticajem karboanhidraze formira se molekulski CO2, koji difunduje u plazmu i kroz respiratornu membranu izlazi u alveolarni vazduh. Nakon izlaska CO2 iz eritrocita, u njega difunduju bikarbonatni joni iz plazme u zamenu za jone hlora. Krive disocijacije CO2. Kriva koja izražava ukupnu količinu CO2 u krvi u funkciji parcijalnog PCO2 je kriva disocijacije CO2 i ova funkcija ima oblik hiperbole. Položaj i izgled krive je determinisan kinetikom formiranja HCO3

- i varira u zavisnosti od uslova u kojima životinja živi.

Tako na primer, kopnene životinje i životinje koje žive u vodi funkcionišu u različitim delovima krive disocijacije CO2. Sisari i ptice koje udišu atmosferski vazduh imaju parcijalni pritisak CO2 u sistemskoj arterijskoj cirkulaciji od 3.3 kPa (25 mmHg), što je znatno više od 0.1-0.4 kPa (1-3 mmHg) koliko iznosi kod životinja koje žive u dobro aerisanim

Slika 1.34. Kriva disocijacije CO2 i položaj krive kod različitih vrsta u zavisnosti od ekološke distribucije.

�1

vodama. Naravno, u tkivnoj venskoj cirkulaciji količina CO2 je veća od one koja se registruje u arterijama što ukazuje da kopnene životinje funkcionišu u delu krive relativno visokog parcijalnog pritiska CO2. Nasuprot, u cirkulaciji vodenih životinja parcijalni pritisak CO2 u tkivnim arterijama i venama je znatno niža tj. ove životinje funkcionišu u opsegu krive relativno niskih vrednosti parcijalnog pritiska CO2. Položaj krive disocijacije CO2 varira i u zavisnosti od stepena oksigenacije respiratornog pigmenta u telesnoj tečnosti. Ovaj fenomen je Haldaneov efekat. Generalno, deoksigenisana krv promoviše vezivanje i transport CO2 dok oksigenisana krv smanjuje kapacitet krvi za CO2. Objašnjenje Haldaneovog efekata leži u funkciji respiratornih pigmenata kao puferskih

krvi, odnosno telesnih tečnosti. To su: bikarbonatni sistem, proteini plazme, Hb, i sistem fosfata.

pH krvi je odredjen odnosom HCO3- prema CO2. Male promene

PCO2 u krvi mogu da utiču na acido baznu ravnotežu. CO2 + H2O ⇔ H2CO3⇔ H+ + HCO3

-

Iako je H2CO3 važan intermedijarni produkat ona se nikad ne akumulira u merljivim količinama tako da se reakcija može predstaviti na sledeci način: CO2 + H2O ⇔ H+ + HCO3

-. Može se reći da CO2 u vodenim sistemima deluje kao kiselina (“gasna kiselina”) zato što reaguje i produkuje H+. Konstanta disocijacije ove rakcije je: Ka = [H+] [HCO3

-] / [CO2]. Ako se logaritmuju obe strane jednačine dobija se log Ka = log [ H+] + log [ HCO3

-] / [CO2], odnosno -log [H+] = -log Ka + log [HCO3-]

/ [CO2]. Drugim rečima dobija se karakteristična Henderson - Hasselbalchova jednačina koja izražava zavisnost izmedju vrednosti pH i zapremine HCO3

- i CO2 u krvi: pH = pK + log [HCO3

-] / [CO2]. Povećanje zapremine bikarbonatnih jona, povećava se pH krvi i acido-bazna ravnoteža se pomera ka baznoj. Povećanje zapremine CO2 smanjuje vrednost pH i ravnoteža se pomera ka kiseloj. Održanje pH homeostaze u uslovima povišenog parcijalnog PCO2 zavisi od kapaciteta puferskih sistema krvi koji mogu da akceptuju H+. To su u prvom redu hemoglobin i proteini plazme.

Proteini plazme su moćni puferski sistemi zahvaljujući disocijaciji karboksilnih i amino grupa.

pH = pKRCOOH + log [RCOO-] / [RCOOH] pH = pKRNH3 + log [RNH2] / [RNH3

+]

Hemoglobin ima 6 puta veći puferski kapacitet od proteina plazme koji je obezbedjen disocijacijom imidazolne grupe histidina. Naime, hemoglobin je zastupljen u relativno visokoj koncentraciji a svaki molekul hemoglobina ima 38 ostataka histidina. U poredjenju sa imidazolnom grupom histidina, karboksi i amino grupe malo doprinose puferskom kapacitetu hemoglobina.

Puferskom kapacitetu krvi doprinose i fosfati.

H2PO4 ⇔ H+ + HPO4--; pK = 6.8

Na kraju, treba istaći da se ventilacijom respiratornih površina (pluća) reguliše PCO2 u krvi (kasnije će biti detaljnije obradjeno). Mehanizmi odgovorni za održanje pH homeostaze preko regulacije zapremine HCO3

- u krvi, se nalaze u ekskretornim organima tj. bubrezima. Ovi mehanizmi će kasnije biti obradjeni.

sitema za održanje slabo alkalne pH krvi. Deoksigenisani respiratorni pigment ima veći afinitet za vezivanje H+, tj. promoviše formiranje HCO3

-. Drugim rečima, saglasno Haldaneovom efektu, na nivou tkivnih kapilara povećan je kapacitet krvi za CO2, dok je na nivou respiratornih površina, u uslovima ⇑ PO2 u krvi, favorizovano otpustanje CO2. Ovaj fenomen je suprotan Borovom efektu.

Transport NO Respiratorni pigmenti u telesnim tečnostima mogu da imaju i transportnu funkciju koja nije direktno vezana za respiraciju. Sisarski Hb reverzibilno vezuje NO, i transportuje ga od pluća do tkiva. Pored hema, koji predstavlja vezno mesto za NO u molekulu Hb, NO se može vezati i za specifično mesto na β lancima. Afinitet ovog veznog mesta za NO se povećava sa stepenom oksigenacije Hb. NO se oslobadja u tkivima gde izaziva vazodilataciju i na taj način reguliše tkivnu mikrocirkulaciju tj. reguliše protok krvi kroz kapilare i učestvuje u regulaciji krvnog pritiska.

Održavanje acido-bazne ravnoteže (pH homeostaze)Za odvijanje životnih procesa neophodni su mehanizmi koji održavaju pH homeostazu, odnosno obezbedjuju relativnu stalnost pH vrednosti telesnih tečnosti. PH telesnih tečnosti ne može da varira značajno bez ozbiljnih funkcionalnih posledica po organizam. Kod čoveka na primer, pH vrednost arterijske krvi pri telesnoj temperaturi oko 370 C iznosi 7.4 (venske 7.36). Porast pH krvi na 7.7 ili se smanjenje vrednosti do 6.8, može imati letalan ishod za organizam. Abnormalna koncentracija H+ negativno utiče na odvijanje biohemijskih procesa, uglavnom narušavajući funkciju proteina.

U održavanje pH homeostaze su uključeni brojni mehanizmi, koji su integrisani na nivou respiratornih organa i ekskretornih organa. Stalnost pH vrednosti ekstracelularne tečnosti značajno zavisi od puferskih sistema telesnih tečnosti. U daljem tekstu će biti navedeni puferski sitemi

�2

Slika 1.35. efekat oksigenacije Hb na transport CO2. Slika 1.36. TransportO2iCO2

��

Slika 1.̋ 37. Uticaj HCO3 na pH homeostazu krvi

��

Imunologija je nauka koja proučava mehanizme koji su se razvili u toku evolucije a u cilju odbrane organizma od štetnog uticaja stranih agenasa tj. svega onoga što organizam ne prepoznaje kao svoje i što remeti ili preti da poremeti homeostazu. Reč imunitet (imunost, otpornost) je izvedena od latinske reči immunitas koja je se koristila da opiše zaštitu Rimskih senatora od javnih tužilaca tokom njihovog rada u senatu. Istorijski, imunost označava zaštitu od bolesti, ili preciznije zaštitu od svega što može dovesti do poremećaja homeostaze, a potom eventualno i bolesti. Ćelije i molekuli koji su odgovorni za zaštitu čine imuni sistem a njihova zajednička i dobro kordinisana aktivnost, kao odgovor na strane agense, čini imuni odgovor. Fiziološka funkcija imunog sistema je odbrana. Dugo vremena se imunologija razvijala samo povezana sa mikrobiologijom u nameri da prouči neutralisanje i uklanjanje delovanja patogenih mirkoorganizama, pa su se i teorije o postanku i funkcionisanju imunog sistema svodile samo na prirodnu selekciju koja je, čini se, dopustila razvoj samo viših organizama čiji se imunološki sistem mogao delotvornije odupreti napadu mikroorganizama. Pokazalo se da imunološka reakcija postoji i na nepatogene mikroorganizme, pa je uloga imunog sistema šira i mnogostrukija, te je vrlo teško jednostavno i precizno definisati fiziološku ulogu imunog sistema. U prošlom veku, a posebno zadnjih 40 godina, počinje brži razvoj imunologije, te nova saznanja brzo nalaze i praktičnu primenu u transplantacijskoj i tumorskoj medicini. Iskustvo da pri transplantaciji davalac (donor) i primalac moraju biti što sličniji, nametnulo je

potrebu istraživanja njihovih sličnosti i razlika i razvilo novu disciplinu - imunogenetiku. Ekspanzivnim razvojem metoda biotehnologije (produkcija monoklonalnih antitela; tehnologija rekombinantne DNK; proizvodnja rekombinantih proteina, posebno antigena i antitela i njihovih fragmenata, kao i himernih i humaniziranih antitela; proizvodnja citokina i drugih biološki aktivnih materija i dr.) tumorska imunologija je dobila mogućnost kliničke primene kroz imunodijagnostiku i imunoterapiju. Stoga se danas fiziološka uloga/funkcija imunog sistema ogleda u odbrani od infekcije, zaštiti i odbrani od tumora, kao i u održanju antigenske i genske homeostaze organizma. Kod kičmenjaka se razlikuju dva tipa imunih tj. odbrambenih mehanizama:

1) urodjeni (prirodni ili ne specifični) 2) stečeni (adaptivni ili specifični) koji ima dve komponente: humoralni adaptivni imuni odgovor (nosioci su B limfociti i antitela) i ćelijski adaptivni imuni odgovor (nosioci su T limfociti)

Prirodna i adaptivna otpornost su komponenete integrisanog odbrambenog odgovora organizma u kome brojne ćelije i molekuli funkcionišu kooperativno. Imuni sistem prepoznaje stranog agensa, a takodje dovodi i do njegove destrukcije. Prepoznavanje stranog agensa vrše limfociti, a destrukciju limfociti, ali i makrofagi i neutrofili. Pored ove dve osnovne funkcije, imuni sistem može da uništi kancerozne ćelije, a kod eksperimentalnih životinja može da spreči razvoj odredjenih tumora. Takodje, imuni sistem je uključen u

Osnovni Principi Organizacije I Funkcije Imunog Sistema 02

��

odbacivanje transplantata, sa izuzetkom transplantata od jednojajčanog blizanca.

Osnovne osobine urodjenog i stečenog imunog odgovora – imuni mehanizmiŽivot svakog organizma je pod neprekidnim uticajima od strane drugih organizama, pri čemu mnogi od tih uticaja predstavljaju pretnju za život datog organizma. Stoga je svaka vrsta opremljena odgovarajućim odbrambenim mehanizmima (Tabela 3.1.), koji mogu biti npr. mimikrija, otrovi, dobro razvijeni mišići za trčanje.

Tabela 2.1. Prisustvo odgovarajućih odbrambenih mehanizama kod različitih organizama

Taksonomska grupa

Prirodni imunitet

Stečeni imunitet

Fagoci-toza

T i B limfociti

Anti-tela

Antimikrobni peptidi

Više biljke + - - - - +Sundjeri + - + - - ?Gliste + - + - - ?Insekti, rakovi + - + - - +Ribe + + + + + +Žabe + + + + + +Reptili + + + + + +Ptice + + + + + +Sisari + + + + + +

Osnovni princip je prepoznavanje. Imuni sistem mora da prepozna napadača, a takodje mora da razlikuje stranog napadača od sastavnih konstituenata svog organizma. Ako se to ne desi, dolazi do pojave tzv. autoimunih bolesti kada imuni mehanizmi deluju protiv sopstvenih molekula (prvenstveno proteinskih).

Iako i biljke i najprostiji životinjski oblici imaju odbrambene mehanizme, složenija evolucija višećelijskih organizama je nametnula i vitalnu potrebu razvoja internog odbrambenog sistema koji će ih štititi od različitih stranih agenasa. Osnovna odlika imunog sistema je razlikovanje stranog od spostvenog. S porastom veličine i složenosti telesne gradje, kao i sa stepenom encefalizacije organizama, i odbrambeni sistem postajao je sve složeniji da bi odgovorio svim nametnutim zadacima. To je posebno izraženo kod kičmenjaka jer je kod njih odbrana od mirkoorganizama bila preduslov njihovog opstanka, te se razvio sistem, tzv. imuni sistema koji funkcioniše po principu prepoznavanja i učenja. Prvi susret sa bakterijskim, gljivičnim, virusnim agensom obično rezultira infekcijom praćenom razvojem bolesti. Imuni sistem pomaže da se organizam oporavi od infekcije, a nakon toga organizam razvija odgovarajuće

mehanizme koji ga čine otpornim na sledeću infekciju istim agensom. Pored toga, prilično velika sklonost kičmenjačkih ćelija ka zloćudnim tumorskim promenama morala je usloviti razvoj vrlo osetljivog sistema koji bi mogao prepoznati veoma fine i tanane razlike izmedju zdrave i maligno-transformisane sopstvene ćelije. Kontinuirana borba kičmenjaka sa mikroorganizmima rezultirala je razvojem odbrambenog sistema koji radi na principu prepoznavanja i neutralisanja (prirodni, urodjeni ili nespecifični mehanizmi odbrane) i/ili prepozavanja, neutralisanja i učenja/pamćenja (adaptivni, stečeni ili specifični mehanizmi odbrane). Prirodni (urodjeni) mehanizmi odbrane su filogenetski stariji i u pripravnosti su za efikasno delovanje pre bilo kakve naznake o tome da će homeostaza biti poremećena stranim agensom. U slučaju susreta sa stranim agensom deluju brzno i svaki put sa jednakom efikasnošću aktiviraju raspoložive resurse ćelija i molekula iako se komponente ovog sistema nisu prethodno srele sa stranim agensom. Usmereni su relativno nespecifično protiv stranih agenasa (prepoznaju generalno motive makromolekula koji grade zid bakterijskih ćelija i sl., ali ne specifične funkcionalne grupe).

Tabela 2.2. Evolucija imunog sistema - prisustvo odgovarajućih odbrambenih mehanizama kod različitih organizama

Prirodna otpornost ( imunost)

FagociteNKćelije Antitela

TiBlimfociti Limfni čvorovi

I n v e r t e b r a t a

Protozoa + - - - -Spongia + + - - -Annelides + - - - -Arthropodes + - - - -V e r t e b r a t a

Elasmobranchia + + + (samo IgM) -

Teleostea + + + (IgM, drugi?)

-

Amphibia + + + (2-3 klase) -Reptilia + + + (3 klase) -Aves + + + (3 klase) + (neke)Mamalia + + + (8 klasa) +NK ćelije - ćelije prirodne ubice (engl. natural killer cells – NK cells); + prisutan, - nije prisutan

��

Razlikuju strano od sopstvenog (prisutnog u homeostazi), ali nikako ne razlikuju vrstu stranog agensa i ne ostavljaju nikakav memorijski zapis o susretu sa stranim agensom. Na suprot tome, adaptivni (stečeni) mehanizmi odbrane, iako filogenetski mladji, usmereni su protiv tačno odredjene i specifične funkcionalne grupe koja igra ulogu specifičnog »aktivatora« ćelija adaptivnog imunog sistema i naziva se imunogen. Kao rezultat aktiviranja adaptivnih mehanizama odbrane raazvijaju se specifični efektorne reakcije ćelijske (citotoksični T limfociti) ili humoralne (antitela) komponente adaptivnog imunog sistema. Molekule koje interaguju sa produktima imunološke reakcije nazivaju se antigeni. Pored toga, adaptivni mehanizmi imunog odogovra ostavljaju memorijski zapis o susretu sa specifičnim stranim agensom i nakon ponovljenog susreta reakcija usmerena ka uništavanju štetnog agensa je snažnija i brža, tj. efikasnija. I ova komponenta složenog imunog sistema, zahvaljujući specifičnim evolutivno-razvijenim mehanizmima, razlikuje strano (štetno po homeostazu) od sopstvenog.

Prirodna i adaptivna otpornost su komponenete integrisanog odbrambenog odgovora organizma u kome brojne ćelije i molekuli funkcionišu kooperativno. Dve najznačajnije veze ova dva sistema su u tome što: 1) prirodni imuni mehanizmi (hemijski medijatori) stimulišu komponenete imunog sistema uopšte, pa i adaptivnog, i utiču na prirodu adaptivnog imunog odgovora, dok 2) adaptivni-stečeni imuni odgovor koristi prirodne-urodjene efektorne mehanizme u eliminaciji štetnih agenasa, često uvećavajući odbrambene aktivnosti urodjenih odbrambenih mehanizama.

IMUNIODGOVOR

URODJENI -PRIRODNI-NE SPECIFIČNI

STEČENI - ADAPTIVNI - SPECIFIČNI

Evolutivno STARIJI MLADJI

Antigen(specifična funkc. grupa)

Antigen ne zavistani antigen ne specfičan odgovor

Antigen zavistani antigen specifičan odgovor

Maksimalni odgovor skorotrenutnopostoji latentni period izmedju izlaganja antigenu i maksimalnog odgovora

Memorijski zapisizlaganje antigenu ne ostavlja nikakav zapamćen trag o prethodnom susretu

izlaganje antigenu rezultira zapamćivanjem tj. imunološkom memorijom u vidu memorijskih ćelija – ćelija pamćenja

Osnovne komponente Fizičke barijere

Hemijski medijatori (sekretovane molekule)

Ćelije: fagocite (neutrofili, makrofagi), NK ćelije, K ćelije, LAK ćelije

Antigen Prezentujuće Ćelije (APC)B limfociti i antitela (humoralni imuni odg.)citotoksični T limfociti (ćelijski imuni odg.)memorijski B i T limfociti

Zajedničke komponente bilo u pogledu aktivacije, efektornih mehanizama/reakcija ili pomoći

Brojni hemijski medijatori (interleukini, komplement)Fagocitne i Antigen Prezentujuće Ćelije (APC)Mastociti, Eozinofili, Bazofili…

Slika 2.1. Osnovni mehanizmi urodjenog i stečenog imuniteta

Tabela 2.3. Opšte karakteristike imunog odgovora

��

Karakteristike Prirodni imuni odgovor Humoralni imuni odgovor Ćelijski imuni odgovor

Primarne ćelije Neutrofilni, eozinofilni i bazofilni granulociti, mastociti, monociti i makrofagi

B ćelije T ćelije

Poreklo ćelija Crvena koštana srž Crvena koštana srž Crvena koštana sržMesto maturacije Crvena koštana srž (neutrofilni,

eozinofilni i bazofilni granulociti i monociti) i tkiva (mastociti i makrofagi)

Crvena koštana srž Timus

Mesto gde se nalaze zrele ćelije

Krv, vezivno tkivo, limfatično tkivo Krv i limfatično tkivo Krv i limfatično tkivo

Produktiprimarnesekrecije

Histamin,kinini,komplement,prostaglandini, leukotrijeni, interferon

Antitela Citokini

Primarno dejstvo Inflamatorni odgovor i fagocitoza Zaštita od ekstracelularnih antigena (bakterije, toksini, paraziti, virusi)

Zaštita od intracelularnih antigena (virusi, intracelularne bakterije i gljive) i tumora: regulacija antitelo-posredovanog i ćelijskog imunog odgovora (T ćelije pomoćnice i supresorske T ćelije)

Reakcije hipersenzitizacije(preosetljivosti)

Nema Trenutna hipersenzitivnost (atopija, anafilaksija, citotoksične reakcije, kompleksni imuni poremećaji)

Odložena hipersenzitivnost (alergija ili infekcija i kontaktna hipersenzitivnost)

Tabela 2.4. Poređenje prirodnog, humoralnog i ćelijskog imunog odgovora

Organizacija imunog sistema

Verovatno baš zbog svoje specifične uloge, imuni sistem nije, poput ostalih organskih sistema kičmenjaka, uobličen u anatomski jasno definisan i ograničen sistem, nego se sastoji od limfnih ograna i tkiva, kao i cirkulišućih elemenata (ćelija i hemijskih medijatora) rasporedjenih skoro svuda po telu.

Slika 2. 2. Specifičnosti urodjenog i stečenog imuniteta Slika 2.3. Limfni sistem.Na slici su prikazani glavni limfni organi i limfni sudovi

��

LIMFNI ORGANI I TKIVA

Primarni (centralni)timus fetalna jetra koštana srž

Sekundarni (periferni)slezina limfni čvorovi limfna tkiva limfno tkivo koštane srži limfno tkivo jetre limfno tkivo seroznih šupljina limfno tkivo respiratornog sistema limfno tkivo gastrointestinalnog trakta limfno tkivo urogenitalnog trakta

ĆELIJE Limfoidne krvne loze T limfociti B limfociti ćelije prirodne ubice (engl. natural killer – NK cells) ćelije ubice (engl.killer – K cells) limfokinima aktivirane ćelije ubice (LAK)

Mijeloidne krvne loze fagociti polimorfonuklearni leukociti neutrofili monociti folikularne antigen prezentujuće ćelije posredničke ćelije bazofilni polimorfonuklearni leukociti eozinofilni polimorfonuklearni leukocitimastociti trombociti

HEMIJSKI MEDIJATORI

Antitela imunoglobulini – IgG, IgA, IgM, IgD, IgE

Citokini Interferoniinterleukini faktori rastaostali

Ostalikomplemen proteini akutne faze

Tabela 2.5. Organizacija imunog sistema 2.1.1. ORGANI I TKIVA IMUNOG SISTEMA – LIMFATIČNI ORGANI I TKIVA

Ćelije odgovorne za urodjeni i stečeni imunitet smeštene su izmedju ostalog i u limfatičnom tkivu koje pripada limfnom sistemu. To je sistem koji pomaže održavanje balansa tečnosti u tkivima, preuzima masti i druge supstance iz digestivnog trakta, a i deo je odbrambenog sistema organizma. Sačinjavaju ga: limfatični organi, limfatični sudovi, difuzno limfatično tkivo koje sadrži dispergovane limfocite, makrofage i druge ćelije.Limfatični organi koji ulaze u sastav imunog sistema dele se na primarne (centralne) i sekundarne (periferne). Primarni limfatični organi (timus i Bursa Fabricii kod ptica, odnosno fetalna jetra i koštana srž kao njeni analozi kod sisara) osiguravaju mikrookolinu u kojoj sazrevaju matične ćelije koje su u fetalnom razvoju migrirale iz žumančane kese, a nakon rodjenja iz koštane srži. U timusu sazrevaju T limfociti, a u bursi i njenim analozima (fetalnoj jetri i koštanoj srži) B limfociti. Obe vrste potom naseljavaju periferne limfatične organe i limfna tkiva pridružena raznim tj. skoro svim organskim sistemima. Tu limfociti borave, medjusobno komuniciraju i deluju, a razgranata krvna i limfna cirkulatorna mreža omogućava njihovu dostupnost u bilo kom delu tela.

TimusHumani timus je limfoepitelni organ smešten u grudnom košu iza sternuma a iznad srca. Pri rodjenju teži 15 do 20 g, naglo raste tokom prve dve godine života, potom sporije, da bi u pubertetu dosegao težinu od oko 40 gr, nakon čega se smanjuje i zakržljava do potpunog nestanka. Sastavljen od dva režnja (lobusa), a svaki režanj je fibroznim tračcima (septama) podeljen na manje režnjeve izgradjene od kore i srži. Kora je izraženija i zauzima 85% do 90% od ukupne mase timusa, a čine je nezreli timusni limfociti (timociti), epitelijalne ćelije i nešto makrofaga. Srž zauzima 10% do 15% od ukupne mase timusa i sadrži zrele, diferencirane limfocite koji napuštaju timus i odlaze u krvotok i/ili limfotok i mnogo manje nezrelih limfocita (timocita) od kore. Timus je dakle mesto u kome prekursorske ćelije T limofocita koje su dospele u timus iz koštane srži sazrevaju do zrelih T limofocita krećući se od kore timusa prema srži. Nezreli T limfociti cirkulacijom dospevaju do korteksa timula gde se odvija maturacja i uporedna migracija u medulu (sadrži uglavnom zrele T limfocite), odakle opet cirkulacijom stižu do perifernih limfatičnih organa. Zreli T limfociti koji napuštaju timus su sposobni za specifično i efikasno prepoznavanje nepoznatog antigena i odgovarajuću reakciju. Timus, kao mesto maturacije T limfocita, determiniše specifičnost receptora ekspresovanih na T ćelijama (engl. T Cell Receptor-

��

TCR) i omogućava transformaciju CD4- i CD8- ćelije iz koštane srži i njihovu maturaciju u CD4+ i CD8+ ćelije. Važano je naglasiti postojanje krvno-timusne barijere, koju čine retikulimske ćelije koje okružuju kapilare u korteksu i onemogućavaju prodor štetnih i velikih molekula koje izlaze iz cirkulacije do korteksa (važan mesto maturacije T limfocita).

Slika 2.4. Timus(a) Položaj i oblik timusa; (b) Presek na kome je prikazan lobulus timusa; (c) Histologija timusa - korteks i medula

Fetalna jetra - koštana sržFetalna jetra i koštana srž su mesta nastajanja svih ćelija krvne loze (više informacija o koštanoj srži kao mestu maturacije limfocita dato je u tekstu o hematopoezi; videti ranije). Pored toga, ova dva organa su su mesta sazrevanja (maturacije) B limfocita te stoga i analozi Bursi Fabricii koja je ptica mesto sazrevanja B limfocita. S obzirom da pored B limfocita, koštana srž sadrži i T limfocite i plazma ćelije, ona je kod čoveka i veoma važan sekundarni limfatični organ.

SlezinaSlezina je smeštena u gornjem levom kvadrantu trbušne duplje i gradjena je od crvene i bele pulpe. Crvena pulpa se sastoji od sinusa i ćelijskih tračaka sa makrofagima, er-itrocitima, trombocitima, polimorfonuklearnim leukocitima, limfocitima i brojnim plazma ćelijama. bela pulpa se sas-toji od limfnog tkiva organizovanog u područja koja sadrže odvojeno T i B limfocite. T limfociti su uglavnom smešteni oko središnjih arteriola. B limfociti su organizovani u pri-marne tzv. nestimulisane folikule koje grade tzv. naivni (intaktni, neaktivirani) B limfociti, i sekundarne tzv. stimulisane folikule koji uglavnom sadrže memorijske ćelije (ćelije pamćenja), dendritske ćelije i makrofage

(procesuju i prezentuju antigene B limfocitima). Slezina je meto gde se odvija filtracija krvi, ali glavno mesto fagoci-toze opsonizovanih (okruženih) mikroba (makrofage crvene pulpe slezine fagocitiraju štetne agense). Osobe bez slezine su izuzetno podložne bakterijskim infekcijama izazvnim meningokokama i pneumokokama zato što se ove bakterije eliminišu opsonizacijom i fagocitozom. Pored toga, važno je napomenuti da slezina obavlja i brojne druge funkcije: služi kao rezervoar za trombocite, u njoj se raspadaju stari eritrociti, značajan je depo krvi te u slučaju potrebe može da se kontrahuje-skupi i istisne neku količinu krvi u cirku-laciju itd.

Slika 2.5. SlezinaNa poprečnom preseku prikazan je položaj arterija, vena, bele i crvene pulpe. Bela pulpa je u kontaktu sa arterijama, a crvena pulpa je u kontaktu sa venama.

Limfni čvoroviLimfni čvorovi su agregati ćelijskih nakupina, bogati limfocitima, smešteni duž limfatičnih sudova i čine sastavni deo limfnog sistema. U njima se »filtriraju« antigeni pri prolasku intersticijumske tečnosti i limfe sa periferije u Ductus Thoracicus. Stoga su limfni čvorovi straterški grupisani na više mesta u organizmu – vratu, aksilarnoj kosti, medijastinumu, trbušnoj duplji, preponama. Limfni čvorovi koji štite kožu smešteni su površinski i nazivaju se somatski, a oni dublje smešteni štite sluzokožu respiratornog, digestivnog i urogenitalnog trakta i nazivaju se viscelarni. Svaki limfni čvor je okružen fibroznom kapsulom, a sastoji od korteksa, parakorteksa i medule. Korteks čine agregati ćelija

�0

– folikuli. Primarni folikuli nemaju germinativne centre, dok ih sekundarni imaju. Oko folikula se nalaze limfociti, dendritske ćelije i mononuklearni fagociti. Korteks sadrži uglavnom B limfocite, parakorteks sadrži uglavnog T limfocite i ćelije koje prezentuju antigen, a medula sadrži T i B limfocite, plazma ćelije i makrofage. S obzirom da limfni čvor sadrži praktično sve vrste zrelih imunokompetentnih ćelija opremljen je za skoro svaku vrstu imunološkog prepoznavanja i pokretanja imunog odgovora.

Slika 2.6. Limfni čvorStrelice pokazuju smer protoka limfe. Sa kretanjem limfe kroz sinuse, fagociti uklanjaju strane agense. Germinalni centri su mesta produkcije limfocita.

Limfna tkiva drugih organskih sistemaNakupine neinkapsuliranog limfnog tkiva mogu se naći u submukozi mnogih organskih sistema (respiratornog, digestivnog, urogenitalnog), te u seroznim šupljinama i jetri. Limfne ćelije mogu biti prisutne u obliku difuznih nakupina, ili u obliku pojedinačnih čvorova ili pak nakupina čvorova. Kod čoveka su takve nakupine obično prisutne u tonzilama, bronhima i urogenitalnim putevima, ali i drugim tkivia. Poznato je da koža ima imuni sistem koji se pored ne specifučne komponente (fizička barijera i sekretorne molekule) sastoji od limfocita i antigen prezentujućih ćelija (engl. antigen presenting cells – APC) koje se zovu Langerhansove ćelije kože i koje imaju sposobnost fagocitoze, preradjivanja (procesovanja) i izlaganja (prezentovanja antigene) ćelijama adaptivnog imunog sistema (detaljnije o ovome u daljem tekstu). Mukozni imuni sistem respiratornog trakta i GIST-a takodje sadrži limfocite i APC, ali i dendritske ćelije,

eozinofile i mastocite. Respiratorni epitel sadrži alveolarne makrofage, dendritske ćelije slične Langerhansovim ćelijama kože, koje fagocitiraju, procesuju i prezentuju antigene. Zid tankog creva sadrži difuzne nakupine limfnog tkiva, i to najviše u donjem delu ileuma i one se zovu Payer-ove ploče. Ove nakupine limfnog tkiva, kao i limfoidni folikuli u slezini i limfnim čvorovima, često imaju germinalne tj. medularne centre, bogatu populaciju B limfocita, a sadrže i mali broj CD4 T limfocita i to uglavnom u interfolikularnom regionu. Pored toga, Payer-ove ploče sadrže specijalizovane epitelijalne ćellije tzv. M-ćelije (membranozne ćelije). Zovu se tako zbog mikro-nabora na površini okrenutoj lumenu creva, a sa dubokim naborima bazalnog dela membrane. Ove ćelije su izgubile mikrovile i sposobnost apsorpcije iz lumena GIST-a, a zadobile su funkciju aktivne pinocitoze, odnosno, transportuju makromolekule u subepitelijalno tkivo. Nalaze se nepravilno raspršene medju enterocitima, ćelijama GIST-a. Moždano tkivo je takodje zaštićeno moćnim difuznim sistemom makrofaga koga čine ćelije mikroglije mozga ( takodje APC sposobne za efikasnu fagocitozu, procesovanje i prezentovanje antigena), a izmedju njih su raporedjeni i mastocit. Jetra, kao snažan i glavni detoksifikator u organizmu sadrži Kupfer-ove ćelije koje takdoje imaju sposobnost fagocitoze, procesovanja i prezentovanja antigena.

2.1.2. ĆELIJE IMUNOG SISTEMA

Sve ćelije imunog sistema nastaju od pluripotentne neopredelje matične ćelije (videti ranije u tekstu o hematopoezi, Slika 2.1.) koja se, pod uticajem različitih citokina i faktora rasta, diferencira i maturira preko dva glavna puta: od limfoidnih prekursora nastaju limfociti (T i B limfociti; ćelije prirodne ubice -NK ćelije; ćelije ubice - K ćelije; kao i limfokinima aktivirane ćelije ubice - LAK ćelije), a od mijeloidnih prekursora nastaju fagociti (neutrofili, monociti/makrofagi, kao i APC) i posredničke ćelije (eozinofili, bazofili, mastociti i trombociti). Sve ćelije imunog sistema su spominjane u većoj ili manjoj meri u tekstu o uobličenim elelementima krvi. Više informacija o nastajanju i osobinama limfocita pronaći i usvojiti u ranijem tekstu o limfocitima u okviru hematologije. Ostale ćelije limfoidne krvne loze (NK ćelije, K ćelije i LAK ćelije), kao i predstavnici mijeloidne krvne loze biće opisani dalje u tekstu o urodjenom (prirodnom) imunom odgovoru.

2.1.2.1. T i B limfociti

Dve glavne grupe limfocita su T i B limfociti. T limfociti nastaju od svojih prekursora u timusu, a B limfociti kod fetusa sisara sazrevaju u fetalnoj jetri, a kod adultnih

�1

jedinki u koštanoj srži. U primarnim limfatičnim organima nastaju u velikom broju (oko 109 dnevno) i migriraju u cirkulaciju i u periferne limfne organe i tkiva, gde žive različito dugo, a ponekada i više godina ili ceo ljudski vek. Limfociti, kao i ostale ćelije, sadrže brojne površinske molekule tzv. markere koji se mogu prepoznati monoklonskim antitelima i na osnovu njih se mogu razlikovati pojedine grupe, te zbog toga postoji i posebna nomenklatura nazvana CD-sistem (engl. »cluster designation« - CD) zasnovana na prepoznavanju membranskih markera (do danas ih je poznato već više od 200) monoklonskim antitelima. Ti markeri se obično grupišu prema podacima koji se mogu dobiti o ćeliji, pa razlikujemo: markere karakteristične za odredjenu ćelijsku liniju (npr. samo T limfociti imaju CD3 marker); markere koji postoje samo privremeno, samo u odredjenom razdoblju sazrevanja ćelije i to su tzv. diferencijcijski markeri (npr. CD1 na nezrelim limfocitima u timusu, ali ga nema na zrelim T limfocitima u cirkulaciji) i kao i markeri koji postoje samo na ćelijama koje su aktivirane antigenom i to su tzv. aktivacijski markeri (npr. CD25 koji je receptor za interleukin 2 – IL2).

T limfociti T limfociti su ćelije koje su nosioci ćelijskog tipa adaptivnog imunog odgovora. Iako su se u prošlosti T limfociti prepoznavali po postojanju površinskog receptora

za ovčije eritrocite (pokazalo se da je to CD2 marker), danas se kao definitivni marker svojstven T limfocitima uzima njegov receptor za antigen (engl. »T cell antigen receptor« - TCR). Do danas su definisane dve vrste TCR molekula: TCR2 je sastavljen od dva polipeptidna lanca (α i β) a nalazi se na 90-95% T limfocita, dok je TCR1 slične gradje (γ i δ) i nalazi se na površini peostalih 5-10% T limfocita. Oba receptora su povezana sa kompleksom sastavljnom od pet polipeptida koji čine CD3 marker. S obzirom na površinske markere, razlikuju se dve subpopulacije T limfocita. Jedna populacja su tzv. T ćelije pomoćnice (engl. »T helper« - TH, tzv. induktorsko/pomagačke) i one nose CD4 marker (nekada se obeležavju i kao CD4+ ili T4 limfociti), a ima ih u perifernoj cirkulaciji oko 2/3 od ukupnog broja populacije T limfocita. CD4+ T limfociti se mogu podeliti prema funkciji tj. tipu citokina koji sekretuju, na TH1 (luče IL-2 i interferon-γ, interaguju sa T limfocitima, te su primarno vezani za ćelijski adaptivi imuni odgovor) i TH2 (IL-4 i IL-5, interaguju sa B limoficitima te učestvuju u humoralnom adaptivnom imunom odgovoru). Jednu trećinu ukupne populacije T limfocita čini subpopulacija citotoksičnih T limfocita (engl. »citotoxic« - TC) koja ima CD8 marker (nekada se obeležavaju kao CD8+ ili T8 limfociti). I CD8+ T limfociti se mogu podeliti s obzirom na prisutnost površinskih markera. O ovome, kao i o funkcijama različitih tipova T limfocita biće detaljnije diskutovano u kasnije, u tekstu vezanom za adaptivni (stečeni) imuni odgovor.

Slika 2.7. Ćelije imunog sistema

Slika 2.8. Mesta maturacije T i B limfocita

�2

B limfociti B limociti su ćelije koje su nosioci humoralnog tipa adaptivnog imunog odgovora. Kao rezulta aktivacije, B limfociti proizvode i produkuje specifične proteine, imunoglobuline tj. antitela koja su sposobna da interaguju sa antigenom. U perifernoj cirkulaciji čoveka ih ima oko 5-15% od ukupnog broja limfocita, a prepoznaju se prvenstveno po prisutnosti površinskih receptora specifičnih za odredjeni antigen. To su specifični receptori koji su markeri za B limfocite (engl. »B cell receptor« - bCR). Na površini B limfocita postoje i brojni drugi markeri, pa većina zrelih ćelija poseduje: MHC II antigene koji su važni za saradnju sa T limfocitima; receptore za C3b i C3d komponenete sistema komplementa (CR1 i CR2); receptore za Fc fragment IgG (FcgRII); kao i površinske markere CD19, CD20 i CD22. O ovome, kao i o funkcijama različitih tipova B limfocita biće detaljnije diskutovano kasnije, u tekstu vezanom za adaptivni (stečeni) tip imunog odgovora.

Tabela. 2.6. Ćelije imunog sistema i njihova primarna funkcija

Tip ćelije Primarna funkcija Tip ćelije Primarna funkcija

P R I R O D N I IM U N I T E T S T E Č E N I I M U N I T E T

Neutrofilni granulociti Fagocitoza i inflamatorni procesi; najčešće prvi napuštaju cirkulaciju i dolaze do inficiranog tkiva

B ćelije Nakon aktivacije, diferenciraju se u plazma ćelije ili memorijske B ćelije

Monociti Napuštaju cirkulaciju i u tkivima se razvijaju u makrofage

Plazma ćelije Produkuju antitela koja su direktno ili indirektno odgovorna za destrukciju antigena

Makrofagi Najmoćniji fagociti; značajni u kasnim stadijumima infekcije i reparacije tkiva, raspoređeni su u celom organizmu u cilju pravovremenog »hvatanja« stranih agenasa; produkuju antigene; učestvuju u aktivaciji T i B limfocita

Memorijske B ćelije

Brzo i efikasno odgovaraju na antigen na koji je imuni sistem prethodno već reagovao; odgovorne za imunitet

Bazofilni granulociti Pokretljive ćelije, napuštaju cirkulaciju, dospevaju do tkiva gde pospešuju oslobađanje jedinjenja koja učestvuju u inflamatornim procesima

Citotoksične C ćelije Odgovorne za destrukciju ćelija liziranjem ili produkcijom citokina

Mastociti Nepokretne ćelije u vezivnom tkivu; pospešuju inflamatorne procese

T ćelije odgovorne za odgodjenu hipersenzitivnost

Produkuju citokine koji pospešuju inflamatorne procese

Eozinofilni granulociti Iz krvi prelaze urazličita tkiva i oslobađaju jedinjenja koja inhibišu inflamatorne procese T ćelije pomoćnice Aktiviraju B ćelije i efektorne T ćelije

Prirodne ćelije ubice Liziraju tumorske ćelije i ćelije inficirane virusima Supresorske T ćelije Inhibiraju B ćelije i efektorne T ćelije

Memorijske T ćelije Brzo i efikasno odgovaraju na antigen na koji je imuni sistem prethodno već reagovao; odgovorne za stečeni imunitet

Dendritske ćelije Procesuju antigene i učestvuju u aktivaciji B i T ćelija

2.1.3. HEMIJSKI MEDIJATORI IMUNOG SISTEMAHemijski medijatori koji omogućuju funkciju imunog sistema biće opisani u narednim tekstovima o urodjenom (prirodnom) imunom odgovoru (hemijske materije koje se luče na površinu različitih organa ili u šupljine organa; lizozim, leukotrijeni, prostaglandini, pirogeni, interleukini, interferoni, sistem komplementa, histamin, heparin, bradikinin, hemokini), kao i u tekstu o stečenom (adaptivnom) imunom odgovoru (antitela i dr. koji učestvuju u efektornim mehanizmima).

��

2.2. URODJENI IMUNI ODGOVOR

Svi višećelijski organizmi, uključujući biljke, beskičmenjake i kičmenjake poseduju urodjene mehanizme koji ih štite od mikroorganizama. Obzirom da su svi elementi kojima se ostvaruju ti mehanizmi već prisutni u organizmu i spremni da prepoznaju stranog agensa, označavaju se kao prirodni, urodjeni imunitet, odnosno urodjena otpornost. Prirodni (urodjeni) mehanizmi odbrane su filogenetski stariji i u pripravnosti su za efikasno delovanje pre bilo kakve naznake o tome da će homeostaza biti poremećena stranim agensom U ovom tipu imunog odgovora reakcija organizma na štetni agnes je uvek jednako brza i efikasna i svaki put sa jednakom efikasnošću aktiviraju raspoložive resurse ćelija i molekula iako se komponente ovog sistema nisu prethodno srele sa stranim agensom. Mehanizmu prirodnog imunog odgovora su usmereni relativno nespecifično protiv stranih agenasa, odnosno, prepoznaju, generalno, motive makromolekula koji grade zid bakterijskih ćelija i sl. (sekvencu ugljenih-hidrata koja je prisutna u zidu bakterijskih ćelija), ali ne specifične funkcionalne grupe). Razlikuju strano od sopstvenog (prisutnog u homeostazi), ali nikako ne razlikuju vrstu stranog agensa i ne ostavljaju nikakav memorijski zapis o susretu sa stranim agensom. Prirodna otpornost je značajan odbrambeni mehanizam koji deluje pre no što se aktiviraju mehanizmu stečenog imuniteta. S druge strane, stečeni imunitet koristi mehanizme i prirodnog imuniteta u cilju odbrane organizma. Na primer, inflamacija (videti kasnije) je proces koji se javlja i u okviru prirodnog i u okviru stečenog imuniteta. Drugim rečima, postoji bidirekciona komunikacija medju mehanizmima urodjenog i stečenog imuniteta.

Osnovne komponente urodjenog imunog odgovora kod kičmenjaka su: (1) mehaničke tj. fizičke ili anatomske barijere koje onemogućavaju prodor mikroorganizama ili ih uklanjaju sa površine tela; (2) hemijski medijatori (sekretorne molekule) koje deluju direktno protiv štetnih agenasa i/ili aktiviraju druge mehanizme; (3) ćelije u cirkulaciji i u tkivima koje imaju sposobnost fagocitoze ili učestvuju u fagocitozi i/ili produkciji hemijskih medijatora koji participiraju u imunom odgovoru; (4) inflamatorni odgovor (inflamacija) koji mobiliše imuni sistem i na neki način «izoluje» mikroorganizme do momenta dok ne budu uništeni mehanizmima adaptivnog imunog odgovora.

2.2.1. MEHANIČKE – FIZIČKE – ANATOMSKE BARIJEREUobičajena mesta na kojima mikroorganizmi ulaze u organizam životinja jesu koža, gastrointestinalni trakt i pluća,

kroz koje mogu da udju putem fizičkog kontakta, ingestije i udisanja. Ove dodirne površine su zaštićeni epitelom koji pruža fizičku i hemijsku barijeru protiv infekcije. Koža i mukozne membrane uklanjaju mirkroorganizme i druge agense sa površine tela na nekoliko načina: ispiranjem očiju suznom tečnošću, usne duplje pljuvačkom, urinarnog trakta urinom. Pored toga, ćelije mukozne membrane početnih delova respiratornog trakta su bogate cilijama koje svojim pokretima guraju strane agense u mukus i usmeravaju ga ka ždrelu, odakle će biti progutan. Kašljanje i kijanje takodje uklanja mirkoorganizme i druge agense iz respiratornog sistema. Pored toga, epitelijalne ćelije luče aktivne peptide koji ubijaju mikroorganizme, a telesne šupljine sadrže tečnost (suzna tečnost, HCl, vaginalni sekret i sl.) koja u svom sastavu ima različite bakteriostatičke i baktericidne materije.

Slika 2.9. Funkcija epitela u urodjenom imunitetu

Koža je po površini najveći organ u telu i značajna fizička barijera za prodor stranih agenasa. Ima sposobnost da generiše i podrži lokalni odgovor i inflamatorne reakcije. Veliki broj patogena prodire u organizam kroz kožu te je veliki broj imunih reakcija locirano u koži. Ćelijske populacije koje se naze u epidermisu su keratinociti, epidermalne Langerhans-ove ćelije, kao i intraepitelijalne T ćelije. Keratinociti produkuju nekoliko citokina, te mogu doprineti nespecifičnim efektornim reakcijama, inflamatornom odgovoru, ali biti i pomagački hemijski medijatori uključeni

��

u efektorne mehanizme adaptivnog imunog odgovora. Epidermalne Langerhans-ove ćelije (u suprabazalnom epidermisu) su nezrele dendritske ćelije koje formiraju mrežu i efikasno fagocitiraju antigene koji dospevaju u organizam preko kože. Nakon fagocitoze i stimulacije proinflamatornim citokinima Langerhans-ove ćelije migriraju u derims, a odatle u limfne čvorove gde imaju funkciju APC, odnosno prezentuju antigene T i B limfocitima.

2.2.2. HEMIJSKI MEDIJATORI KOJI UČESTVUJU U U URODJENOM (PRIRODNOM) IMUNOM ODGOVORU ALI SU I “POMAGAČI” I U STEČENOM (ADAPTIVNOM) IMUNOM ODGOVORU.

Hemijski medijatori su molekule koje su uključene u razvoju imunog odgovora. Neki od njih, kao npr. lizozim, sebum i mukus, se nalaze na površini ćelije i uništavaju štetni agens ili onemogućavaju njegov ulazak u ćeliju.

Drugi hemijski medijatori, kao npr. histamin, prostaglandini, leukotrijeni, heparin, pirogeni i dr., promovišu inflamaciju preko vazodilatornog efekat, povećanja vaskularne permeabilnosti, privlačenja leukocita, stimulacije fagocitoze i dr.

CitokiniCitokini su familija proteina koji posreduju veliki broj efektornih funkcija urodjenog i stečenog imunog odgovora. Jedna vrsta ćelija može sekretovati različite citokine, ali različite ćelije mogu sekretovati isti tip citokina, a i jedan tip citokina može delovati na spektar različitih ćelija. Citokini se sintetišu kao odgovor na inflamatorne ili antigene stimuluse i obično deluju lokalno, u autokrinom i/ili parakrinom maniru vezujući se za svoje receptore na ciljnim ćelijama. Neki citokini mogu biti produkovani u dovoljnoj količini da cirkulišu i ispoljavaju endokrine efekte. Na veliki broj ćelija citokini deluju faktori rasta. Citokini svoj efekat ispoljavaju vezujući se sa velikim afinitetom za svoje receptore koji pripadaju odredjenim strukturnim familijama. Aktivacija receptora stimuliše specijalizovane signalne puteve kao što je npr. JAK/STAT signalni put (Janus tirozin kinaze u citoplazmi koje fosforilišu STAT-engl. Signal Transducer and Activator of Transcription, videti kasnije u poglavlju 9 u tekstu o mehanizmima delovanja hormona).

Aktivirani makrofagi produkuju citokine koji posreduju u urodjenim mehanizmima otornosti: TNF i IL-1 (medijatori akutne inflamatorne reakcije); hemokini (privlače leukocite do inflamatorne zone); IL-12 stimuliše produkciju IFN-γ koji aktivira makrofage; tip I IFN ima antiviralno dejsvo; IL-

10 inhibitor makrofaga. Ove efektorne funkcije citokina u prirodnom imunom odgovoru ispoljavaju se prema različitim klasama mirkroorganizam.Citokine koji posreduju i regulišu funkcije adaptivnog imunog odgovora produkuju uglavnom antigen-stimulisani T limfociti: IL-2 (osnovni faktor rasta T limfocita); IL-4 (stimuliše produkciju IgE i razvoj TH2 ćelija pomoćnica od naivnih TH ćelija pomoćnica); IL-5 aktivira eozinofile< IFN-γ funkcioniše kao aktivator makrofaga; TGF-b inhibiše proliferaciju T limfocita i aktivaciju leukocita.

CSF (kolonija stimulirajući faktori, videti ranije u tekstu o hematopoezi) uključuju citokine koje produkuju stromalne ćelije koštane srži, T limfociti i druge ćelije koje stimulišu rast progenitornih ćelija u koštanoj srži i obezbedjuju izvor novih inflamatornih leukocita. Kao što je ranije napomenuto, neki od njih (SCF, GM-CSF, G-CSF, M-CSF i IL-7) učestvuju u regulaciji leukopoeze.

Citokini obezbedjuju široki spektar raznovrsnih funkcija koji su ključni za odbranu od patogena, i ali su i spona izmedju mehanizama prirodne i adaptivne otpornosti. Citokini doprinose specijalizaciji imunog odgovora aktivacijom specifičnih tipova različitih efektornih ćelija. Pored toga, regulišu veličinu/snagu i prirodu imunog odgovora utičući na rast i diferencijaciju limfocita. I na kraju, citokini obezbedjuju veoma važan amplifikacioni mehanizam koji omogućava malom broju limfocita koji su specifični za bilo koji pojedinačni, specifični antigen, široki spektar efektorinih mehanizama za eliminaciju antigena.

Interleukini su hemijski medijatori sekretovani od strane limfocita, makrofaga, ali i drugih ćelija (videti ranije u tekstu o hematopoezi). To su signalne molekule proteinske prirode (peptidi, polipeptidi), koje su neophodne za ostvarivanje efektornih mehanizama imunog odgovora i u slučaju prirodne, a takodje i slučaju stečene otpornosti. Pored ove fukcije, imaju veliki broj drugih efekata u organizmu (videti u okviru pojedinačnih poglavalja u skripti). Interleukini su oni citokini čija je primarna struktura poznata. Najizraženije funkcije interleukina u okviru imunog sistema su: aktivacija odredjenih ćelija imunog sistema u smislu proliferacije i/ili sekrecije sopstvenih interleukina, stimulacija diferencijacije, sinteze antitela (B limfociti), blokada nekih funkcija ciljne ćelije itd.

��

Jedinjenje Opis Jedinjenje Opis

Hemijske materije na površini i u telesnim šupljinama

Lizozim (u suzama, pljuvački, sekretu nosne duplje i znoju) prouzrokuje lizu različitih ćelija; kiseli sekreti (sebum kožnih žlezda i hlorovodonična kiselina želuca) ubijaju mikrookganizme i sprečavaju njihov rast; mukus na mukoznim membranama veže mikroorganizme pre njihovog uništavanja

Komplement Grupa proteina plazme; povećavaju propustljivost krvnih sudova, stimulišu oslobađanje histamina, aktiviraju kinine, lizu ćelija, pospešuju fagocitozu, privlače neutrofilne i eozinofilne granulocite, monocite i makrofage

Histamin Amin koga oslobađaju mastociti, bazofilni granulociti i trombociti; izaziva vazodilataciju, povećava propustljivost krvnih sudova, stimuliše sekreciju žlezda (naročito produkciju mukusa i suza), izaziva kontrakcije glatke muskulature bronhiola u plućima, privlači eozinofilne granulocite

ProstaglandiniGrupa lipida (PGEs, PGFs, tromboksani i prostaciklini); produkuju ih mastociti; izazivaju relaksaciju glatke muskulature i vazodilataciju, povećavaju propustljivost krvnih sudova, stimulišu receptore za bol

Kinini Polipeptidi koji nastaju od proteina plazme; izazivaju vazodilataciju, povećavaju propustljivost krvnih sudova, stimulišu receptore za bol, privlače neutrofilne granulocite

Leukotrijeni Grupa lipida, prvenstveno ih produkuju mastociti i bazofilni granulociti; produžuju trajanje kontrakcije glatke muskulature (naročito u bronhiolama pluća), povećavaju propustljivost krvnih sudova, privlače neutrofilne i eozinofilne granulocite

Interferoni Proteini, produkuju ih mastocite i druge ćelije, a učestvuje u viralnim infekcijam

Pirogeni Oslobađaju ih neutrofilni granulociti, monociti i druge ćelije; stimulišu nastajanje groznice

Tabela 2.7. Hemijski medijatori koji učestvuju u urodjenom (a i stečnom) imunom odgovoru i njihova funkcija

��

CITOKIN O P I S

Interferon alfa (IFNα) Sprečava replikaciju virusa i inhibiše ćelijski rast; sekretuju ga ćelije inficirane virusima

Interferon beta (IFNβ) Sprečava replikaciju virusa, inhibiše ćelijski rast, smanjuje ekspresiju MHC I i MHC II; sekretuju ga fibroblasti inficirani virusima

Interferon gama (IFNγ) Obuhvata oko 20 različitih proteina koji aktiviraju makrofage i prirodne ćelije ubice, stimulišu stečeni imunitet povećavajući ekspresiju MHC I i MHC II i sprečavajući replikaciju virusa; sekretuju ih T ćelije pomoćnice, citotoksične T ćelije i ćelije ubice.

Interleukin–1 (IL-1) Kostimulacija B i T ćelija, pospešuje produkciju prostaglandina i razvijanje inflamatorne procese, delujući na hipotalamus dovodi do nastanka groznice (pirogeno dejstvo); sekretuju ga makrofagi, B ćelije i fibroblasti

Interleukin-2 (IL-2) Kostimulacija B i T ćelija, aktivacija makrofaga i ćelija ubica; sekretuju ga T ćelije pomoćnice

Interleukin-4 (IL-4) Aktivira B ćelije i učestvuje u alergijskim reakcijama, što rezultuje produkcijom imunoglobulina E (IgE); sekretuju ga T ćelije pomoćnice

Interleukin-5 (IL-5) Stimuliše eozinofilne granulocite i tako učestvuje u odgovoru na prisustvo parazita; sekretuju ga T ćelije pomoćnice

Interleukin-8 (IL-8) Kao hemotaksični faktor privlači neutrofilne i bazofilne granulocite i pospešuje inflamatorne procese; sekretuju ga makrofagi

Interleukin-10 (IL-10) Inhibiše sekreciju interferona gama i interleukina; sekretuju ga supresorske T ćelije

Limfotoksin Ubija ciljne ćelije; sekretuju ga citotoksične T ćelije

Perforin Dovodi do formiranja pukotine u membrani ciljne čelije, što rezultira liziranjem ćelije; sekretuju ga citotoksične T ćelije

Faktor nekroze tumora (Tumor necrosis factor -TNF)

Aktivira makrofage i pospešuje razvijanje groznice (pirogeno dejstvo); sekretuju ga makrofagi

Interferoni, proteini koje produkuje većina ćelija, predstavljaju zaštitu od virusnih infekcija a verovatno i nekih formi tumora. Poznato je da u slučaju virusne infekcije, viralne nukleinske kiseline preuzimaju kontrolu nad aktivnostima ćelije domaćina. Na sreću, virusi, a i neki drugi agensi, stimulišu inficiranu ćeliju da produkuje interferone. Ove molekule ne štite ćeliju koja ih produkuje, niti uništavaju virus, nego se vezuju za susedne ne-napadnute ćelije i stimulišu sintezu antivirusnog proteina koji blokira umnožavanje virusnog genomskog materijala u tim ćelijama. Interferonska viralna rezistencija je urodjeni mehanizam otpornosti jer isti tip interferonske molekule deluje protiv različitih tipova virusa, pa čak infekcija jednim tipov virusa može proudkovati zaštitu od infekcije drugim tipom virusa.

KomplementSistem komplementa čini grupa od oko 25 cirkulišućih proteina (čine 10% globulinske komponenete seruma) označenih od C1 do C9 (sa podgrupama obeleženim malim slovima abecede) i faktorima B, D i P (properdin). Ovi proteini mogu biti produkovani u različitim tkivima/ćelijama, uključujući hepatocute, makrofage i epitelijalne ćelije GIST-a. Svi se nalaze u serumu u neaktivnoj formi, odnosno, u odsustvu infekcije cirkulišu u krvi u inaktivnom stanju.. Oni postaju aktivni u reakciji kaskade komplementa. u kojoj aktivirana komponenta u seriji aktivira narednu u nizu. Aktivacija izaziva kaskadnu reakciju koja vodi ka aktivaciji C5 konvertaze (C5b koja je esencijalna za lizu membrane liza patogena). Nedostatak jedne komponente u kaskadnoj reakciji vodi ka terminaciji reakcije.

��

Aktivacija sistema komplementa se ostvaruje preko dva puta:1) alternativni tj. tzv. “properdinski” put se injicira preko faktora b, D, P i dr, koji prouzrokuju “spontanu” aktivaciju C3 proteina u sistemu komplementa, odnosno aktivaciju C3 bez uticaja predhodno aktiviranih elemenata sistema komplementa (C1 i C2). Ova reakcija aktivacije kaskade komplementa preko C3 predstavlja komponenetu reakcija efektornih mehanizama prirodnog imunog odgovora. Uobičajeno je da se spontano aktivirani C3 brzo inaktiviše proteinima na površini tela ćelije. Medjutim, ponekada se aktivirani C3 kombinuje sa stranim supstancama, kao

što su delovi bakterijske ćelije ili virusa, pa može postati stabilan i prouzrokovati aktivaciju kaskade komplementa.

2) klasičan put se injicira kompleksom antigen-antitelo, odnosno vezivanjem dela molekule antitela koji se naziva Fc frgment za C1 protein sitema komplementa. Ova reakcija aktivacije kaskade komplementa preko C1 proteina predstavlja komponenetu reakcija efektornih

mehanizama adaptivnog imunog odgovora i biće ponovo diskutovana u tekstu o adaptivnom imunom odgovoru

Aktivirani proteini sistema komplementa obezbedjuju zaštitu na nekoliko načina: neki elementi sistema se mogu vezati za membranu bakterijske ćelije izazivajući lizu ćelije; neki se vezujuza površinu bakterijske ćelije i omogućavaju i olakšavaju fagocitozu, a uz to i stimulišu makrofage da

Slika 2.10 . Aktivacija kaskadne reakcije sistema komplementaInaktivni proteini komplementa (prikazani kao zasenčena polja) prelaze u aktivne proteine (prikazani kao bela polja) u sistemu kaskadnih reakcija: svaki aktivirani komplement aktivira naredni u nizu komplemenata.

Slika 2.12. Putevi aktivacije sistema komplementa

��

fagocitiraju bakterijsku ćeliju (videti u tekstu o funkciji neutrofila); učestvuju u hemotaksiji ćelija imunog sistema do mesta infekcije; podstiču inflamatorne reakcije i sl. Važno je još jednom naglasiti da se kaskadna reakcija sistema komplementa može aktivirati i kao efektorni mehanizam prirodnog, kao i u efektorni mehanizam stečenog imunog odgovora.

2.2.3. ĆELIJE KOJE UČESTVUJU U URODJENOM (PRIRODNOM) IMUNOM ODGOVORU

Ćelije koje elementi prirodne otpornosti imaju sposobnost fagocitoze ili učestvuju u fagocitozi i/ili produkciji hemijskih medijatora koji participiraju u imunom odgovoru, te se stoga razlikuju fagocitne (neutrofili, mononuklearni leukociti-

monociti i makrofagi) i pomagačke (NK ćelije, K ćelije, LAK ćelije, eozinofili, bazofili i mastociti) ćelije. Veoma važna osobina koju poseduju sve ćelije koje učestvuju u urodjenom imunom odgovoru je sposobnost amboidnog kretanja koja im omogućuje da procesom dijapedeze (videti ranije u tekstu o leukocitima, a i kasnije u tekstu o neutrofilima) dospevaju do mesta infekcije. Pored toga, ispoljavaju sposobnost hemotaksije, odnosno detektuju male razlike u koncentraciji hemotaksičnih faktora. Hemotaksični faktori su sekretorni produkti mikroba koji samostalno ili u interakciji sa hemijskim materijama produkovanim od strane okolnih ćelija menjaju koncentracijsku homeostazu inficiranog tkiva i privlače leukocite koji ameboidnim kretanjem dospevaju do mesta inframacije. Hemotaksični faktori, pored navedenih, mogu biti i proteini sistema komplementa, leukotrijeni, kinini, histamin i dr.

Fagocitne ćelijeSve fagocitne ćelije na svojoj membrani imaju receptore karakteristične za ćelije koje učestvuju urodjenim-nespecifični mehanizmima imunog odgovora. Najčešći su receptori za sekvencu ugljenih-hidrata koja je prisutna u zidu bakterijskih ćelija (manozni receptor; receptor za lipopolisaharide-LPS; N-formil-metionil receptor; tzv. »scavenger« receptor i dr.); receptori za Fc fragment; IgG komplement (C3b, C5a); interferon; TNF i odredjene bakterijske komponenete. Ovi receptori omogućavaju interakciju fagocita sa nekim humoralnim faktorima kao što su TNF, neki proteini komplementa (C3b, C5a), IL-2 i dr., čime se povećava fagocitna sposobnost i funkcija. U fagocitne ćelije se ubrajaju ćelije koje imaju izraženu moćnu fagocitnu sposobnost, a to su polimorfonuklearni leukociti - neutrofili i mononuklearni leukociti – monociti i makrofagi.

Neutrofilni polimorfonuklearni leukociti – Neutrofili.

Neutrofili čine oko 90% granulocita u perifernoj cirkulaciji čoveka. Njihov dijametar je od 12µm-15µm (u cirkulaciji). Obeležava ih prisutnost višerežnjevitog jedra (4-6 segmenata) čiji su lobulusi spojeni hromatinom, kao i dve vrste neutrofilnih granula: primarne ili azurofilne granule (lizozomi veličine 0.5 µm) i sekundarne ili specifične granule. Neutrofili sardrže u svojoj citoplazmi i glikogen koji se razgradjuje glikolizom i heksoza-monofofatnim putem oksidacije glukoze da bi se dobila energija. S obzirom na mali broj mitohondrija u ovim ćelijama, ciklus limunske kiseline je manje važan i slabije zastupljen. Sposobnost neutrofila da prežive u anaerobnoj sredine je velika adaptivna prednost jer im omogućava da unište bakterije i pomognu pri uklanjanju ostataka raspadnutih ćelija u slabije oksigenisanim područjim, kao

Slika 2.12. Receptori na fagocitnim ćelijama i odgovor fagocitaSlika 2.13. Sled dogadjaja prilikom migracije leukocita iz cirkulacije na mesto infekcije

��

što je inflamatorno ili nekrotično tkivo. Prosečni životni vek neutrofila u cirkulaciji je 6 sati, a u vezivnom tkivu 1-4 dana gde potom odumiru procesom apoptoze (programirane ćelijske smrti) Da bi se održao normalan nivo neutrofila u krvi neophodno je da se produkuje 100 biliona neutrofila na dan. Osnovna funkcija neutrofila je odbrambena. Ona se ostvaruje fagocitozom i sekrecijom specifičnih biološki aktivnih materija, pa se uz monocite i makrofage, nazivaju i tzv. »profesionalnim fagocitima«. Cirkulišući neutrofili su inaktivni i loptastog oblika, ali nakon što se pričvrste za čvrst supstrat, kao što je kolagen ekstracelularnog matriksa, ispoljavaju sposobnost ameboidnog kretanja. Mnogi od njih napuštaju cirkulaciju procesom dijapedeze i ulaze u tkiva, a odatle se preko gatrointestinalnog trakta (GIST) ekskretuju iz organizma. Migracija neutrofila na mesto infekcije, kao i pokretanje ćelija u fagocitozi, uključuju mikrotubule i mikrofilamente i interakciju aktina sa miozinom–I na unutrašnjoj strani ćelijske membrane.

Proces dijapedeze se ostvaruje tako što se neutrofili privučeni selektinima sa površine endotelijalnih ćelija čvrsto vezuju za neutrofil-adhezioni molekul (pripada familiji integrinskih receptora) i provlače se kroz zid kapilara između endotelnih ćelija. Ova sposobnost im omogučćava da brže stigunu do mesta gde se, kao rezultat invazije bakterija, razvija inflamatorna reakcija. Put neutrofila od izlaska iz cirkulacije do inficiranog mesta obezbedjuje hemotaksija, odnosno prisusto bakterijskih produkata na inficiranom mestu. I ne samo to, nego postoji interakcija izmedju bakterijskih produkata, faktora iz plazme, kao i onih sekretovanih iz okolnih ćelija. Ti hemotaksični agensi su brojni i uključuju hemokine, neke komponente sistema komplementa (C5), leukotrijene, polipeptide poreklom iz limoficta, mastocita, bazofila, ali i mnoge druge. Sve te molekule u različitim kombinacijama omogućuju uslove za privlačenje leukocita, ali i što efikasniju fagocitozu bakterije. Jedan od načina je opsonizacija (okruživanje, pojačano vezivanje) imunoglobulinima (Ig), a naročito IgG, kao i proteinima sistema komplementa (C3b). IgG se kao opsonin vezuje za bakterijsku ćeliju svojim Fab regionom (engl. antigen binding fragment – Fab), dok je Fc fragment slobodan i “primamljiv” za fagocite koji će se preko svog receptora za Fc (gore pomenuti Fcg) vezati za tako okruženu bakterijsku ćeliju i fagocitirati je. Dobar opsonin je i C3b protein sistema komplementa koji se nespecifično vezuje za strane organizme, a koga takodje “prepoznaju” fagocite preko svog receptora. Na taj način, antitela (IgG) i C3b “markiraju” mikroorganizam za fagocitozu i destrukciju. Aktivacija receptora na ćelijskoj membrani neutrofila, preko G-proteinom posredovanog odgovora, injicira povećanje

motorne ativnosti ćelije, egzocitozu aktivnih materija i naglo povećanje preuzimanja kiseonika i produkcije reaktivnih kiseoničnih radikala tzv. “respiratornu eksploziju” (engl. respiratory burst). Povećanje motorne aktivnosti će dovesti do brze ingestiji bakterija endocitozom, odnosno fagocitozom. Detaljan opis procesa agocitoze, kao i mehanizama kojim neutrofili uništavaju štetne agense data su u tekstu o funkciji neutrofila (videti ranije, poglavlje 1). Zbog širokog spektra aktivnih materija koje produkuju neutrofili ispoljavaju efektorne funkcije i u prirodnom, ali i u adaptivnom imunom odgovoru. Kao što je napomenuto, u urodjenim odbrambenim mehanizmima učestvuju kao moćni fagociti, ali i kao izvor brojnih aktivnih materija koje ili aktiviraju druge ćelije imunog sistema, ili imaju funkcije u dijapedezi, hemotaksiji ili nekim drugim mehanizmima kojim se olakšava eliminacija štetnog agensa. Pored toga, sekrecija biološki aktivnih materija i njihove funkcije imaju značaja u efektornim reakcijama adaptivnih odbrambenih mehanizama.

Mononuklearni leukociti – Monociti - makrofagiMonociti su vode poreklo, kao i sve ostale ćelije bele krvne loze, od pluripotentne neopredeljene matične ćelije koštane srži (detaljnije videti ranije u tekstu o hematopoezi u poglavlju 1). To su mononuklearne ćelije koje cirkulišu u formi monocita, u koži su dendritske ćelije, u tkivima su histiociti, u mozgu su mikroglijalne ćelije, u jeteri Kupfer-ove ćelije, u plućima alveolarni makrofagi, a u limfnim organima makrofagi i antigen prezentujuće ćelije. Citoplazma monocita je bazofilna i sadrži sitne azurofilne granule (lizozome) od kojih su neke jedva vidljive svetlosnim mikroskopom. Te granule su rasporedjene po čitavoj citpolazmi i daju joj na objenim razmazima plavičasto-sivu boju. Pod elektronskim mikroskopom se uočava da jedro ima jedno ili dva jedarceta, a u citoplazmi se vidi dobro razvijen granulirani endoplazmatski

Slika 2.14. Faze u maturaciji mononuklearnog fagocita

�0

retikulum, poliribozomi i mnogo malih mitohodrija. Pored toga, uočava se i dobro razvijen Goldži-jev kompleks u kome se kondenzuje sadržaj citoplazmatskih granula. Te granule su primarni lizozomi koji se u monocitima opisuju kao sitne azurofilne granule. Sve nabrojane morfološke karakteristike ukazuju na veliku sekretornu potenciju ovih ćelija. Od svih uobličenih elemenata krvi, monociti prvi ulaze u cirkulaciju i tu se zadržavaju oko 72 sata. Nakon toga oni odlaze u tkiva, uvećavaju se oko pet puta, i povećavaju broj lizozoma i mitohondrija (što im omogućava da fagocitiraju veće partikule i u većoj količini nego neutrofili) i postaju makrofagi. Makrofagi naseljavaju specifična tkiva u kojima postaju specifični tkivni makrofagi i čine moćni fagocitni sistem tkivnih makrofaga (mononuklearnih fagocitni sitem – sistem mononuklearnih fagocita). Specifični

tkivni makrofagi su Langerhans-ove dendritske ćelije kože (dermisa i hipodermisa), Kupferove ćelije jetre, plućne alveolarne makrofage, ćelije mikroglije u mozgu, M ćelije u submukozi GIST-a, ali se nalaze i oko krvnih i limfnih sudova i sl. Ukoliko mikroorganizmi dospeju u limfni sistem biće fagocitirani makrofagima koji se nalaze u sinusima. Krvni sudovi, kao i limfni sudovi, u koštanoj srži, slezini, limfnim čvorovima i jetri formiraju sinuse. U okviru sinusa retikulumski fibrili koje produkuju retikulumske ćelije formiraju finu i tananu mrežu koja usporava protok krvi ili limfe i koja je veliki prostor za »kačenje« makrofaga. Pored toga, makrofagi se nalaze na površini endotela koji oblažu sinuse. U prošlosti se ovaj sistem označavao kao retikuloendotelni sistem, dok se danas naziva sistem tkivnih

makrofaga. Njihov životni vek u tkivima je nepoznat, ali transplantacija koštane srži ukazuje da mogu živeti oko 3 meseca. Dosadašnja saznanja ukazuju na to da se ne vraćaju u cirkulaciju.

Makrofage aktiviraju limfokini oslobođeni od strane T limfocita. Aktivirani makrofagi migriraju, kao odgovor na hemotaksne stimuluse, fagocitiraju i uništavaju bakterije u principu sličnim procesima i mehanizmima kojim to čine neutrofili, ali sa mnogo većim kapacitetom i efikasnije. Oni dospevaju u inficirani deo tkiva nakon neutrofila i odgovorni su u najvećoj meri za fagocitnu aktivnost koja se ispoljava u kasnoj fazi infekcije, kao i za uklanjanje mrtvih neutrofila i ćelijskog debrisa. Pored moćne fagocitne sposobnosti, makrofagi sekretuju preko 100 različitih biološki aktivnih molekula, uključujući faktore koji utiču na limfocite i druge ćelije, prostaglandine E serije, faktore koji podstiču koagulaciju, komplement, prostaglandine, i dr., te na taj način dodatno pojačavaju mehanizme imunog odgovora, kako prirodnog, tako i adaptivnog.Zahvaljujući svojim specifičnoj funkcionalnoj organizaciji i širokoj paleti aktivnih materija koje sekretuju, makrofagi su moćni fagocti. Pored toga, imaju sposobnost da štetne agense koji su “nepoznati” i ne prepoznaju se od strane komponenti specifičnog imunog sistema, obrade (procesuju) i iskažu (prezentuju) na svojoj površini u formi prepoznatljivoj za druge ćelije imunog sistema, te se zbog toga nazivaju antigen prezentujuće ćelije (APC). Dakle, makrofagi imaju ključnu ulogu u imunom odgovoru organizma i predstavljaju sponu izmedju ne specifičnog (prirodnog, urodjenog) i specifičnog (adaptivnog, stečenog) imuniteta. Efektorne funkcije makrofaga u prirodnom imunom odgovoru su faogicitoza, kao i produkcija hemijskih medijatore koji aktiviraju druge ćelije imunog sistema ili na neki drugi način učestvuju u eliminaciji štetnog agensa. Efektorne funkcije u adaptivnom imunom odgovoru su fagocitoza mikroba i prezentacija mikrobnih antigena limfocitima koji se nikada pre nisu sreli sa tim antigenom.

Slika 2.15. Funkcije aktiviranih makrofaga

Sve fagocitne ćelije funkcionišu na sličan način i koriste, u kombinacijama, tri modela intracelularnog uništavanja patogena (dopuniti iz ranijeg u tekstu o funkciji neutrofila u poglavlju 1):

1) Lizozomalne antibakterijske supstance ulkljućuju veliki broj hemijskih medijatora sa širokim spektrom funkcija (lizozim-razlaže mukopeptide u zidu bakterijske ćelije; proteolitički i hidrolitički enzimi-digeriraju mikrobe; laktoferin-odzima gvoždje; katepsin-imaju ga samo makrofage-oštećuje ćelijsku membranu i učestvuje u prezentaciji antigena; i dr.) koje omogućavaju efikasno uništavanje patogena (Tabela 2.7.; 2.8.; 2.9. i 2.10.

�1

Tabela 2.9. Neki hemijski medijatori koje sekretuju aktivirani makrofagi

Hemijski medijator FunkcijaInterleukin-1 (IL-1) Stimuliše inflamatorni odgovor i groznicuInterleukin-6 (IL-6)TNFα

Stimulišu adaptivni imuni odgovor i eliminaciju patogena

Proteinisistemakomplementa

Stimulišu inflamatorni odgovor i eliminaciju patogena

Hidrolitički enzimi Stimulišu infalmatorni odgovorInterferon-α (IFN-α) Stimulišu sintezu antiviralnih proteina u ćelijamaTNFα Uništavaju tumorske ćelijeGM-CSF; G-CSF; M-CSF Stimulišu indukovanu hematopoezu

2) O2-zavisni/mijeloperoksidaza-zavisni mehanizmi uključuju procese halogenacije bakterijskih proteina koji su katalisani mijeloperoksidazom, ali i učešće H2O2 i drugih reaktivnih kiseoničnih radikala (Tabela 2.10; a dopuniti iz ranijeg teksta o funkciji neutrofila u poglavlju 1).

3) O2-zavisni/mijeloperoksidaza-nezavisni mehanizmi uključuju reaktivne kiseonične radikale (O2-, OH-, H2O2 i dr.), ali bez učešća mijeloperoksidaze. Antioksidativni enzimi fagocita (katalaza i glutation-S-transferaza) uklanjaju rektivne kiseoične radikale kako ne bi oštetili njihovu ćelijsku membranu (Tabela 2.10; a dopuniti iz ranijeg teksta o funkciji neutrofila u poglavlju 1).

Tabela 2.10. Medijatori antimikrobijalne i citotoksične aktivnosti neutrofila i makrofaga

O2 – ZAVISNO uništavanje O2 – NE ZAVISNO uništavanje

Reaktivni kiseonični radikali (posrednici)O2

- (superoksidni anjon)OH- (hidroksil radikal)H2O2 (vodonik peroksid)ClO- (hipohloritni anjoni)

DefenziniTNFα (samo u makrofagama)

Reaktivni azotni radikali (posrednici) NO (azot oksid)NO2 (azot dioksid)HNO3 (azotna kiselina)

Lizozim

OstaliNH4Cl (monohloramin)

Hidrolitički enzimi

Ostale ćelije uključene u urodjeni imuni odgovor (ali potpomažu i stečeni imuni odgovor) su NK ćelije, K ćelije, LAK ćelije, eozinofili, bazofili i mastociti.

Slika 2.16. Fagocitoza i intraćelijsko uništavanje mikroba

Slika 2.17. Funkcije NK ćelija

�2

Ćelije prirodne ubice - NK ćelijeU perifernoj cirkulaciji čoveka čine oko 15% od ukupnog broja limfocita a od T i B ćelija se razlikuju, izmedju ostalog, i po tome što ne poseduju iste receptore za antigene tj. TCR i BCR. Od površinskih markera obeležava ih prvenstveno prisustvo CD16 markera (receptor za Fc fragment IgM – FcgRIII) i CD56 markera (adhezijski molekul). Veći broj NK ćelija se i morfološki razlikuje od T i B limfocita po sledećim osobinama: veći su; imaju srazmerno više citoplazme; jedro nije okruglo nego je na jednom delu spljošteno; u citoplazmi postoje azurofilne granule (stoga se ove ćelije još nazivaju i Velikim Granuliranim Limfocitima – VGL). Neki autori smatraju da oni i nisu pravi limfociti, nego posebna populacija ćelija koja se s obzirom na svoj razvoj nalazi izmedju limfocita i monocita. Osnovna fiziološka funkcija NK ćelija je delovanje protiv virusom zaraženih ili maligno-transformisanih ćelija.

K (engl. »killer«) ćelijeOva populacija ćelija nije potpuno morfološki opisana. Pokazano je da se K ćelije zakače za ciljnu ćeliju koja je okružena IgG antitelima preko receptora za Fc fragment IgG i mogu da liziraju opsonizovanu ćeliju. S obzirom da imaju receptore za Fc makrofage mogu da funkcionišu kao K ćelije i tako aktivirane mogu da ubiju malignu ćeliju bez uključivanja u antitela taj proces.

LAK ćelije (limfokinima aktivirane ćelije ubice)Ove ćelije su po osobinama slične NK ćelija i na sličan način i funkcionišu. Pokazano je da su LAK ćelije efikasnije od NK ćelija te da mogu da unište i maligno trnasformisane, ali i transformisane ne maligne ćelije.

Eozinofilini granulociti – Eozinofili Eozinofili beležava ih prisustvo jedra podeljenog u dva režnja, kao i prisustvo specifičnih brojnih, velikih, izduženih i sjajnih granula koje se boje ezinom, a imaju posebnu ulogu u imunom odgovoru usmerenom protiv parazitskih infekcija. Specifične granule eozinofila u svom središtu imaju kristalno jezgro koje se naziva inertum i postavljeno je parlelno sa dužom osovinom granula. Inertum sadrži protein sa velikim brojem argininskih ostataka koji se zove glavni bazni protein. Ovaj protein čini 50% ukupne količine proteina granula i smatra se da je odgovoran za uništavanje parazitskih helminata (npr. Shistosoma). Manje gusta materija gradi zonu koja okružuje internum i naziva se externum ili matrix. Na membrani eozinofila se ekspresuje receptor za Fc-IgE što im omogućava da ispoljavju citotoksični efekat usmeren prema velikim parazitima okruženim IgE. Eozinofili, kao i neutrofili imaju kratak životni vek u

cirkulaciji. Slično neutrofilima, priljubljeni su uz površinu endotelijalnih ćelija preko selektina, vezuju integrine i imaju sposobnos i imaju sposobnost dijapadeze. Kao i neutrofili, eozinofili oslobađaju proteine, citokine i hemokine koji učestvuju u inflamaciji i ubijanju invazivnih organizama. Pored toga, stvraju biološki aktivne molekule koji utiču na inflamaciju preko inaktivacije leukotrijena i histamina nastalih u drugim ćelijama. U tkivima se eozinofili nalaze u vezivnom tkivu ispod epitela kože, bronha, GIST-a, uterusa, vagine, kao i oko parazitskih glista, gde obezbeđuju moćnu odbranu od parazita. Povećanje apsolutnog nivoa cirkulišućih eozinofila (eozinofilija) povezano je sa alergijskim reakcijama i helmintacijom (infekcijom helmintima). Kortikosteroidi (hormoni kore nadbubrežne žlezde) uzrokuju brzi pad broja eozinofila u krvi jer ometaju oslobadjanje nezrelih granulocita iz koštane srži u cirkulaciju.

Bazofilni granulociti – BazofiliU perifernoj cirkulaciji čoveka ih ima manje od 0.2% bazofila, te ih je zbog toga relativno teško pronaći na krvnom razmazu. Dijametar im je, kao i neutrofilima i eozinofilima, oko 12 µm-15 µm. Jedro bazofila je bubrežastog oblika i podeljeno na nepravilne segmente, ali se ta segmentiranost obično slabije vidi na prepartu, jer je prikrivena prisustvom specifičnih granula u citoplazmi. Specifične granule se oboje metahromatskim baznim bojama iz mešavine boja za krvne razmaze (Giemsa reagens) tamnoljubičasto zbog toga što sadrže heparin. Specifične granule u bazofilima su malobrojne, nejednake veličine i oblika u donsu na granule neutrofila i eozinofila. Pored heparina, bazofilne specifične granule sadrže i histamin. Pod specifičnim okolnostima (prisutnost hemokinina) bazofili prelaze u vezivno tkivo i sekrecijom specifičnih citokina potpomažu delovanje mastocita u brzoj reakciji preosetljivosti (hipersenzitivnosti). Histamin-oslobađajući faktor, sekretovan od strane T limfociti, aktivira bazofile i oni oslobađaju histamin i druge inflamatorne medijatore, koji su esencijalni za brzu reakciju preosetljivosti (npr. od umerene urtikarije preko rinitisa do anafilaktičkog šoka). Postoji odredjeni stepen sličnosti izmedju granula bazofila i granula mastocita. I jedne i druge su metahromatske i sadrže heparin i histamin. Metahromazija je svojstvo odredjenih supstanci da menjaju boju nekih baznih boja (npr. toluidin-plavog) i da se tako oboje tom promenjenom bojom (u slučaju toluidin-plavog, ljubičasto umesto plavo). Pored svojstva metahromazije, poput mastocita, i bazofili imaju sposobnost degranulacije (egzocitoze specifičnih granula) a kao odgovor na neke antigene. Uprkos navedenim sličnostima, mastociti i bazofili nisu iste ćelije jer i kod biološki iste vrste imaju različita strukturna svojstva, a pored toga, potiču od različitih opredeljenih matičnih ćelija koštane srži.

��

Mastociti Mastociti su granulisane ćelije pronađene u delovima bogatim vezivnim tkivom, a naročito su brojni u subepitelijalnom prostoru. Na membrani imaju receptore za IgE i C5a i C3a proteine sistema komplementa. Receptori za IgE na ćelijskoj membrani omogućavaju, i kao kod bazofila, proces degranulacije, kada se kompleks antigen-IgE kompleks veže za njihovu površinu. U citoplazmi sadrže granule koje su bogate velikim brojem biološki aktivnih materija koje omogućavaju mastocitima široki spektar efektornih funkcija ne samo u mehanizmima imunog odgovora nego i brojnim drugim procesima.Granule sadže citokine, IL-4, IL-5, IL-6, IL-10, IL-13, IL-16, leukotriene, prostaglandine i dr., što omogućava aktivaciju ćelija koje učestvuju u stečenom imunom odgovoru. Istovremeno, uključeni su u inflamatorni odgovor koji je iniciran od strane imunoglobulina IgE i IgG, kao i hemokina, histamina i dr. Osim efektornih funkcija u stečenom imunitetu, mastociti oslobađaju TNF-α kao odgovor na bakterijske produkte (mehanizam nezavistan od antitela) i stoga učestvuju u prirodnom imunom odgovoru. Njihove granule sadrže heparin i predpostavlja se da heparin ima ulogu u obrazovanju granula. Pored toga, granule sadrže brojne proteaze, himoze i triptaze, enzime koji su uključeni u proliferaciju i remodeliranje vezivnog tkiva, kao i dopamin i serotonin. ve napred navedeno omogućava mastocitima da funkcionišu kao integratori urodjenog i stečenog imunog odgovora, a i kao amplifikatori imunosti.

Slika 2.18. Mastocit kao integrator urodjenog i stečenog imunog odgovora, a i kao amplifikatori imunosti.

2.2.4. INFLAMATORNI ODGOVORInflamatorni odgovor predstavlja kompleksnu sekvencu dogadjaja koja uključuje sihronizomavo, multidirekciono

delovanje navedenih ćelija imunog sistema i njihovih produkata. Bakterije, ili oštećeno tkivo izazivaju oslobadjanje ili aktivaciju hemijskih medijatora (histamin, prostaglandini, leukotrieni, sistem komplemenata, kinini itd.), što prouzrokuje seriju paralelnih efekata: 1) vazodilataciju koja povećava protok krvi i doprinosi kretanju fagocita i drugih leukocita do inficiranog regiona; 2) hemotaksično privlačenje fagoctia koji napuštaju krv i ulaze u tkiva; 3) povećanje vaskularne propustljivosti koja dopušta da fibrinogen i komplement iz krvi izlaze u tkivo. Fibrinogen se konvertuje u fibrin, što sprečava širenje infekcije formiranjem izolacionog zida oko inficiranog mesta. Proteini sistema komplementa dodatno pojačavaju inflamatorni odgovor i privlače novu količinu fagocita. Proces oslobadjanja hemijskih medijatora

Slika 2. 19 . Inflamatorni odgovor

��

i privlačenja fagocita traje dok se ne unište bakterije. Fagociti (uglavnom makrofagi) uklanjaju mikroorganizme i mrtvo tkivo, a oštećeno tkivo se obnavlja proliferacijom i remodelovanjem pod uticajem brojnih himoza i triptaza.

Inflamacija može da bude lokalna ili sistemska. Simptomi lokalne inflamacije su ograničeni na specifičan prostor u organizmu i uključuju crvenilo, oticanje, toplota, bol, gubitak funkcije tkiva u kome se inflamacija dogadja. Crvenilo, topolota, oticanje nastaju kao rezultat povećanog protoka krvi i povećanja vaskularne permeabilnosti. Bol je posledica otoka i delovanja hemijskih medijatora na

senzorne receptore ili receptore za bol. Gubitak funkcije tkiva se javlja kao posledica tkivne destrukcije, otoka i bola. Sistemska inflamacija je inflamatorni odgovor koji zahteva veći broj područja u organizmu. U sistemskoj inflamaciji, pored lokalnih simptoma na mestima inflamacije postoje i tri dodatne pojave. Prvo, crvena koštana srž produkuje i oslobadja velike količine neutrofila koji stimulišu i pojačavaju fagocitozni odgovor. Drugo pirogeni (hemijske materije sekretovane od strane mikroba, makrofaga, neutrofila i

dr. ) stimulišu produkciju toplote utičući na mehanizme za regulaciju temperature u hipotalamusu tako da se konyerviše toplota i povećava temperatura tela. Povećana temperatura i groznica promovišu aktivnost imunog sistema preko stimulacije fagocitozu, a inhibicije rasta nekih

mikroorganizama. Treće, u nekim slučajevima sistemske inflamacije vaskularna popustljivost je toliko raširena da se velike količine tečnosti gube iz cirkulacije u tkiva, čime se smanjuje volumen krvi, što može prouzrokovati šok, a nekada i smrt.

Osnovni pojmovi vezani za stečeni – adaptivni imunitetImunogen - molekula koja izaziva specifican imuni odgovorAntigen (Ag) - molekula koja reaguje sa produktima specificnog imunog odgovora.Hapten - mali molekuli koji sami ne mogu da izazovu imuni odgovor. Medjutim kada su vezani za neki nosac (protein)

Slika 2.20 . Zajednički i sinergistički odgovor komponeneti urodjenog imunog odgovora protiv invazivne mreže patogena

Slika 2.21 . Najznačajnije interakcije i odgovori na antigen u prirodnom i stečenom imunitetu

��

dobijaju osobinu imunogenosti. Slobodni hapteni reaguju sa produktima imunog odgovora. Hapteni imaju osobinu antigeničnosti ali ne i imunogeničnosti.Epitop/antigene determinante - deo Ag koji se kombinuje sa produktima specificnog imunog odgovora. Antitelo (Ab) - specifican protein koji je nastao kao odgovor na imunogen i koji reaguje sa Ag. Aktivni imunitet - forma imuniteta koja je indukovana kada je individua izlozena stranom Ag Pasivni imunitet - transfer seruma ili limfocita imunizovane individue, osobama koje nisu bile u kontaktu sa Ag.

Tipovi stečenog-adaptivnog imuniteta

Postoji četiri osnovna načina formiranja stečenog ili adaptivnog imuniteta, a u zavisnosti od načina kontakta sa stranim agensom, i u odnosu na to da li organizam aktivno učestvuje u formiranju antitela. (1) Aktivan prirodni imunitet - slučajan kontakt sa antigenom izaziva primarni odgovor. Pri prvom kontaktu mogu da se razviju simptomi bolesti, ali ne moraju, a razvija se otpornost na dati antigen; (b) Aktivan veštački imunitet - vakcinacija - vakcina sadrži na neki način promenjen antigen (nema sposobnost virulentnosti nego samo imunogenosti) tako da ne izaziva simptome bolesti. Prva injekcija izaziva primarni odgovor, a sledeća odgovor memorijskih ćelija, visok titar antitela i dugotrajnu protekciju; (c) Pasivan prirodni imunitet - majka – fetus, majčino mleko – odojče; (d) Pasivan veštački imunitet - davanje antitela, što prouzrokuje momentalna zaštita, ali kratkotrajna.

U daljem tekstu će detaljnije biti opisan aktivan prirodni stečeni imunitet, odnostno biće detaljnije prikazani adaptivni ili stečeni mehanizmi imunog odgovora.

Slika 2.22 . Načini sticanja imuniteta

��

2.3. STEČENI (ADAPTIVNI) IMUNI ODGOVOR

2.3.1.TIPOVI ADAPTIVNOG (SPECIFIČNOG) IMUNITETA

U cilju eliminacije stetnih agenasa razvila su se dva tipa adaptivnog imunog odgovora, humoralni i ćelijski imunitet. Humoralni imunitet svoje efekte ostvaruje preko antitela, spečificnih proteina koje B limfociti (B ćelije) sekretuju u krv ili se nalaze u mukoznim sekretima. Antitela prepoznaju štetne antigene, neutrališu infektivnost mikroba, i »obeležavaju« štetne agense za njihovu eliminaciju delovanjem različitih efektornih mehanizama koje aktiviraju. Humoralni imunitet je osnovni odbrambeni mehanizam u odbrani protiv ekstracelularnih mikroba i njihovih toksina. Antitela su specijalizovani proteini, u smislu da su specifični za odredjene antigene i da različiti tipovi antitela mogu da aktiviraju različite efektorne mehanizme za eliminaciju antigena. Na primer, neki tipovi antitela stimulišu fagocitozu, dok drugi stimulišu oslobadjanje inflamatornih supstanci iz leukocita. Ćelijski imunitet je posredovan T limfocitima (T ćelijama). Intracelularni antigeni, kao sto su virusi, i intracelularne bakterije, proliferišu u fagocitima i drugim ćelijama domaćina i zbog toga su nedostupni cirkulirajućim antitelima. Funkcija ćelijskog imuniteta je odbrana protiv ovakvih infekcija, kao i protiv ćelija domaćina koje su iz nekih razloga izmenjene i transformisane.

Slika 2.23. Tipovi imunog odgovora

Osnovne karakteristike adaptivnog imunog odgovoraU tabeli 2.11. su prikazane osnovne karakteristike adaptivnog imunog odgovora koje su ključne za funkciju imunog sistema.

Tabela 2.11. Osnovne osobine adaptivnog imunog odgovora

Osobina Funkcionalni znacajSpecifičnost Različiti Ag izazivaju specifične odgovore. Osnova za specifične

odgovore leži u tome što limfociti ekspresuju membranske receptore koji razlikuju fine razlike u strukturi koje postoje izmedju različitih antigena.

Diverzitet Imuni sistem specifično odgovara na širok spektar različitih Ag (repertoar limfocita - izuzetno veliki; izračunato je da imuni sistem može da razlikuje, i odgovori specifično, na 107-109 različitih imunih determinanti). Drugim rečima, postoje mnogi, različiti klonovi limfocita koji se razlikuju u strukturi svojih receptora za antigene i u specifičnosti za antigene

Memorija Ponovljeno izlaganje istom Ag izaziva veći i brzi imuni odgovor. Stimulacija naivnih limfocita sa Ag stimuliše ekspanziju klonova I njihovu diferencijaciju na efektorne i dugo živeće memorijske ćelije. Memorijski limfociti imaju specijalne karakteristike koje ih čine efikasnijim od naivnih limfocita (koji nisu bili u kontaktu sa Ag) u eliminaciji Ag.

Specijalizacija Odgovori su specifični i optimalni za različite tipove AgLimitacija Imuni odgovor je vremenski ograničen - imuni sistem se vraća na

nivo bazalne aktivnosti kada se eliminiše AgTolerancija za sopstveno tkivo

Mehanizmi odbrane na strani patogen ne oštecuju sopstvene ćelije

2.3.2. ĆELIJE KOJE SU NOSIOCI ADAPTIVNOG IMUNOG ODGOVORA.

Limfociti su jedine ćelije sposobne da specifično prepoznaju antigen. Oni su odgovorni za dve osnovne karakteristike adaptivnog imuniteta: specifičnost i postojanje imunološke memorije. Po svojoj funkciji i po proteinskim produktima mogu se podeliti u dve populacije: B i T limfociti. B ćelije su sposobne da produkuju antitela. One prepoznaju ekstracelularne antigene, diferenciraju se u plazma ćelije i produkuju antitela koja su medijatori humoralnog imuniteta. T limfociti su nosioci ćelijskog imuniteta, prepoznaju intracelularne antigene (intracelularne mikrobe ili transformisane ćelije) i funkcionišu u smislu uništavanja intracelularnog antigena. Ovi antigeni se u ćelijama degradiraju i antigenični peptidi tj. produkti tog razlaganja se iskazuju na membrani ćelija u kompleksu sa poreinima domaćina. Dakle, T limfociti prepoznaju i odgovaraju samo na one proteinske antigene koji su iskazani na ćelijskoj membrani. Populaciju T limfocita čine subpopulacje, od kojih su najbolje proučene subpopulacije citotoksičnih

��

(citolitičnih) T limfocita, i ćelija pomoćnica. Kao markeri za fenotipsko razlikovanje subpopulacija limfocita mogu se koristiti membranski proteini. Na primer, ćelije pomoćnice ekspresuju membranski protein CD4, dok citotoksični T limfociti ekspesuju CD8 protein. T i B limfociti imaju klonalno distribuirane receptore za antigen tj. postoji veliki broj klonova za različite antigene, a pripadnici istog klona imaju iste receptore za antigene na svojim membranama. Geni koji kodiraju receptore za antigene, se formiraju rekombinacijom DNA segmenata, tokom razvoja ovih ćelija. Somatske rekombinacije generišu milione različitih gena za receptore, formirajuci vrlo širok repertoar različitih limfocita. Regulatorni T limfociti uglavnom imaju ulogu u zaustavljanju imunog odgovra. Priroda i fiziološka uloga ovih ćelija nije potpuno razjašnjena. Ćelije prirodne ubice (eng. natural killer) su treća populacija limfocita. Receptori ovih ćelija se razlikuju od receptora B i T limfocita, nisu specifični za antigene, a funkcija ćelija prirodnih ubica pripada mehanizmima nespecifične (urodjene) imunosti.

Slika 2.24.Klase limfocita

Specijalizovane antigen-prezentujuće ćelije, hvataju antigene degradiraju ih, i na membrani iskazuju limfocitima. Dendritske ćelije su forma antigen-prezentujućih ćelija, koje fagocitiraju štetne antigene, putem limfe dospevaju do perifernih limfatičnih tkiva, iskazuju ih (prezentuju) naivnim T limfocitima i iniciraju adaptivni imuni odgovor. Aktivacija limfocita vodi ka aktiviranju brojnih mehanizama

koji funkcionišu u eliminaciji antigena. Eliminacija antigena često zahteva učešće ćelija tzv. efektornih ćelija. Mononuklearni fagociti, kao i drugi leukociti, mastociti i druge ćelije funkcionišu kao efektorne ćelije u različitim imunim odgovorima.Razvoj limfocita. Svi limfociti potiču od stem ćelija kosne srži. Prekursori limfocita prolaze kroz kompleksan proces maturacije tokom kojeg ekspresuju specifične receptore za antigen i dobijaju fenotipske karakteristike »zrelih« limfocita. B limfociti, kod ptica maturiraju u bursi Fabrici (otuda i naziv B limfociti), a kod sisara se proces matiracije dešava u kosnoj srži. T limfociti, nose naziv zato što njihovi prekursori migriraju iz kosne srži u timus, gde maturiraju. Nakon završene maturacije, zreli limfociti napuštaju kosnu srž ili timus, ulaze u cirkulaciju i nastanjuju se u različitim zonama perifernih limfnih čvorova. Limfociti koji još nisu bili u kontaktu sa antigenom nazivaju se naivni T ili B limfociti a njihova funkcija je da prepoznaju antigen i da iniciraju adaptivni imuni odgovor.

Slika 2.25. Maturacija limfocita

2.3.3. FAZE ADAPTIVNOG IMUNOG ODGOVORAAdaptivni imuni odgovor može biti podeljen u nekoliko faza: faza prepoznavanja Ag, aktivacija limfocita, efektorna faza eliminacije Ag, koja je praćena povratkom na bazalnu homeostazu i održavanje memorije. Imuni odgovor započinje specifičnim prepoznavanjem Ag. Prepoznavanje vodi ka aktivaciji limfocita koji prepoznaju Ag, i kulminira razvojem efektornih mehanizama koji posreduju u eliminaciji Ag. Kada je Ag eliminisan, imuni odgovor opada do bazalnih vrednosti tj. obnavlja se homeostaza. Prepoznavanje Ag. Svaka individua poseduje veliki broj klonova limfocita, od kojih svaki klon potiče od jednog prekursora, i sposoban je da prepozna, i odgovori na specifične Ag-determinante. Prodor Ag u organizam biva prepoznat od strane specifičnog klona limfocita, koji se zatim aktivira i proliferiše. Ovaj fundamentalni koncept predstavlja hipotezu selekcije klonova. Prema ovoj hipotezi, antigen-

��

specifični klonovi limfocita se razvijaju pre i nezavisno od susreta sa antigenom. Ćelije koje čine isti klon sadrže identične receptore za Ag, a koji se razlikuju od receptora

drugog klona. Iako je teško pretpostaviti broj antigenih determinanti koje mogu biti prepoznate od imunog sistema sisara, izračunato je da verovatno postoji 107 – 109 raličitih klonova sa specifičnim receptorima za antigene.

Aktivacija limfocita. Da bi se limfocit aktivirao potrebno je da prepozna dva različita signala. Prvi signal potiče od samog antigena, a drugi je ili neki produkt mikroba ili komponenta nespecifičnog odgovora organizma (hipoteza dva signala. Antigen tj. prvi signal, obezbedjuje specifičnost imunog odgovora (registrovaće ga samo klon koji ima specifični receptor za taj antigen). Drugi signal, koji potiče ili od produkata mikroba, ili od produkata nespecifične reakcije osigurava da se imuni odgovor pokreće samo onda kada je potreban. Drugim rečima da se aktivira u slučaju prodora mikroba ili štetnih supstanci, a ne protiv npr. sopstvenih antigena (proteina). Odgovor limfocita na antigen podrazumeva aktivaciju transkripcije gena koji ranije nisu bili aktivni tj. sintezu novih proteina, i proliferaciju ćelija odredjenog klona. U slučaju nekih akutnih virusnih infekcija, veličina klona aktivranog antigenom može biti 50 000 puta veća od bazalne. Antigenom-aktivirani limfociti se diferenciraju u efektorne ćelije, (citotoksični T limfociti, ćelije pomoćnice i plazma ćelije), čija je funkcija da eliminišu antigene, i memorijske ćelije, koje su dugoživeće i pokazuju uvećan odgovor prilikom ponovnog susreta sa istim antigenom. Periferni limfatični čvorovi su mesto gde B i T limfociti odgovaraju na antigene (koji pristižu iz perifernog tkiva putem limfe). U slezini limfociti odgovaraju na antigene poreklom iz krvi.

Slika 2.26. Faze adaptivnog imunog odgovora

Slika 2.27. Hipoteza selekcije klonova

Slika 2.28. Hipoteza dva signala potrebna za aktivaciju naivnih limfocita

��

Efektorna faza imunog odgovora: eliminacija antigena. Tokom ove faze imunog odgovora limfociti ispoljavaju efektorne reakcije koje vode ka eliminaciji antigena. Efektorne i neke memorijske ćelije, napuštaju limfne čvorove, odlaze u periferno tkivo na mesto infekcije gde su neophodne za eliminaciju mikroba. Antitela i T limfociti eliminišu ekstracelularne i intracelularne antigene. Efektorna funkcija antitela i T limfocita, često zahteva angažovanje drugih ne-limfoidnih efektornih ćelija kao i angažovanje mehanizama nespecifičnog imuniteta (npr. sistem komplementa i fagocitozu). Kao što je već spomenuto, mehanizmi eliminacije antigena nespecifičnog imuniteta koji se odvijaju u prvoj fazi odbrane od štetnog agensa koriste se i kasnije, kao efektorni mehanizmi adaptivnog imunog odgovora. Homeostaza i održavanje imunološke memorije. Kada se eliminišu štetni antigeni, imuni odgovor opada ka bazalnim vrednostima. Ovo se dešava zbog toga što većina antigen-stimulisanih limfocita umire apoptozom. Apoptoza je oblik regulisane smrti ćelije u toku koje je se dešava kondenzacija i fragmentacija nukleusa, ćelijsku membranu zahvata proces vezikulacije, a mrtve ćelije bivaju fagocitirane bez izlivanja njihovog sadržaja. Apoptoza je proces suprotan nekrozi, obliku ćelijske smrti, u toku koga nuklearana i ćelijska membrana pucaju i sadržaj se izliva što aktivira mehanizme lokalne inflamatorne reakcije. Preživljavanje antigen-stimulisanih limfocita zavisi od stimulacije sa antigenima i antigenom-indukovanim faktorima rasta. S obzirom da je imuni odgovor eliminisao antigene, limfociti su ostali bez stimulatorne komponente za preživljavanje i umiru. Za preživljavanje memorizujućih ćelija nije potrebna stimulacija sa antigenom. Izvestan broj memorizujućih ćelija migriraja u limfne noduse (gde obezbedjuje pul antigen specifičnih limfocita koji mogu biti brzo aktivirani i diferencirani u efektorne ćelije, prilikom ponovnog izlaganja istom antigenu), dok druge ostaju u mukoznom tkivu ili cirkulišu u krvi (odakle mogu biti regrutovane za brzi odgovor u bilo kom delu tela).

2.3.4. PRIMARNI I SEKUNDARNI IMUNI ODGOVOR.Primarni imuni odgovor se aktivira nakon prvog prodora antigena u organizam tj kada predhodno ne stimulisani «naivni» limfociti prepoznaju antigen. Svaki naredni kontakt sa istim antigenom, uglavnom, dovodi do razvijanja sekundarnog imunog odgovora. Sekundarni imuni odgovor započinje kada memorizujuće ćelije (odredjenog primarnim kontaktom aktiviranog i proliferisanog klona) prepoznaju iste antigene. Nakon prepoznavanja, one proliferišu i diferenciraju se u efektorne ćelije koje neutrališu antigen . Dakle, sekundarni imuni odgovor se razvija brže od primarnog i ima veću amplitudu odgovora (npr. veći

je titar antitela u serumu). Smatra se da se zajedno sa sekundarnim, ponovo razvija i primarni imuni ogovor, koji će nakon proliferacije i diferencijacije limfocita, ostaviti odredjeni broj memorizujućih ćelija u limfatičnom tkivu, cirkulaciji ili kosnoj srži.

Slika 2.29. Primarni i sekundarni imuni odgovor.

2.3.5. RECIRKULACIJA LIMFOCITA Stalno kretanje limfocita kroz krv i limfni sistem, od jednog perifernog limfatičnog tkiva do drugog, kao i kretanje ka mestima inflamacije naziva se recirkulacija limfocita. Antigen-prezentujuće ćelije na periferiji fagocitiraju antigene i limfotokom stižu do perifernog limfatičnog čvora. T ćelije, putem krvi, ulaze u limfni čvor “skeniraju” dendritske ćelije na prisustvo antigena i ako prepoznaju antigen, one se aktiviraju, umnožavaju (klonalna ekspanzija), i diferenciraju na efektorne i memorijske T ćelije. Efektorne i memorijske ćelije napuštaju limfni cvor i dospevaju do mesta infekcije. T ćelije koje se ne susretnu sa antigenom izlaze iz limfnog čvora kroz eferentne limfatične sudove i preko ductus-a thoracicus-a vraćaju u venski sistem tj. u cirkulaciju, a potom nastanjuju drugi limfni čvor . Recirkulacija limfocita i njihova migracija u odredjeno tkivo je omogućena adhezionim molekulima na limfocitima, endotelijalnim ćelijama i u ekstracelularnom matriksu, i hemokinima produkovanim u endotelu i u drugim tkivima. Adhezija limfocita za endotelne ćelije postkapilarnih venula – determiniše koja tkiva će biti nastanjena limfocitima. Adhezija i odvajanje od komponenata ekstracelularnog matriksa u tkivu – determiniše koliko dugo će limfociti biti zadržani u tom odredjenom tkivu, pre nego

�0

što limfotokom budu ponovo vraćeni u krvotok. Slika 2.30. Migracija naivnih i efektornih T limfocita.

2.3.6. ĆELIJSKI IMUNI ODGOVOROsnovne funkcije T limfocita su odbrana protiv intracelularnih mikroba i aktivacija drugih ćelija kao što su makrofage i B limfociti. Receptori za antigene na T limfocitima (TCR, engl. T cell receptor), mogu da prepoznaju samo proteinske antigene koji su iskazani na površini drugih ćelija, tako da je za ispoljavanje njihove funkcije nužno da reaguju sa drugim ćelijama npr. sa inficiranim ćelijama domaćina, antigen-prezentujućim ćelijama, makrofagama i B limfocitima. Specijalizovani proteini, koji imaju ulogu u iskazivanju antigena T limfocitima, su produkti gena glavnog histokompatibilnog kompleksa (MHC, engl. major histocompatibility complex). TCR prepoznaje strukturu antigeničnog peptida kao i odredjene ostatke MHC molekula, na površini antigen-prezentujucih ili drugih ćelija domaćina.

Slika 2.31. Prepoznavanje peptid-MHC kompleksa od strane TCR-a. TCR prepoznaje dve sekvence polimorfnih rezidua MHC molekula i jednu peptidnu.

Tabela 2.11. Karakteristike antigena koje prepoznaju T limfociti

Karakteristike antigena koje prepoznaju T limfociti

objašnjenje

T ćelije prepoznaju samo peptide MHC moze da veže samo peptide

T ćelije prepoznaju linearnu a ne konformacionu determinantu peptidnih antigena

Peptidi se vezuju u pukotinu MHC molekula u linearnoj konformaciji i ne mogu da formiraju konformacionu determinantu

T ćelije prepoznaju samo antigene vezane za ćelijsku membranu

MHC molekule su membranski proteini koji iskazuju stabilno vezan peptid na ćelijskoj membrani

CD4+iCD8+ T ćelije prepoznaju antigene iz ekstracelularnog ili citoslonog pula

CD4+ ćelije pomoćnice prepoznaju peptide vezane za klasuIIMHCmolekula,DokCD8+ citotoksični T limfociti prepoznaju peptide vezane zaklasuIMHCmolekula.

Karakteristike MHC molekula. MHC molekule, su integralni membranski proteini, koji imaju ulogu u iskazivanju stranog antigena kao i u njihovom prepoznavanju. Dva tipa polimorfnih MHC gena, kodiraju dve grupe strukturno različitih ali homologih proteina: to su MHC geni klase I i II. Obe klase MHC molekula su heterodimeri koji sadrže ekstracelularni region (sadrže pukotinu u koju se semešta peptid, i Ig-sličan domen za koji se vezuju CD4 i CD8 molekule T limfocita), transmembranski (kojim je kompleks vezan za ćelijsku membranu) i kratak citoplazmatični region. MHC molekule klase I iskazuju peptide na membranama gotovo svih ćelija koje imaju nukleus. Antigenični peptid, koji se na membrani iskazuje u kompleksu sa molekulama MHC klase I su citosolni proteini, uglavnom sintetisani u ćeliji. Na primer, sve ćelije mogu da budu inficirane virusom ili transformisane iz nekog razloga. Antigenični protein se u ćeliji proteolitički degradira i peptid iskazuje na membrani uz pomoc MHC molekula klase I. Kompleks peptid + MHC molekule klase I, prepoznaju CD8+ citotoksicni T limfociti. Klasa I MHC molekula se sastoji od α (teškog) lanca, koji je nekovalentno vezan za polipeptidni lanac tzv. β2-mikroglobulin.

MHC molekule klase II se ekspresuju na membrani tzv. «profesionalnih» antigen-prezentujućih ćelija. Ove ćelije fagocitiraju strane agense, razlažu ih u svojim endozomalnim

�1

vakuolama i produkte razlaganja tj. peptide iskazuju na membrani kao kompleks peptid + MHC molekule klase II. MHC molekule klase II su izgradjene od α i β lanca, koji su nekovalentno povezani, a za potpuno formirani kompleks potrebno je da se na membrani iskažu sva tri dela tj. peptid + α i β lanci MHC molekula (slika…). Formirane komplekse prepoznaju CD4+ ćelije pomoćnice.

2.3.6.1. Iskazivanje proteinskih antigena CD4+ T limfocitimaCD4+ ćelije pomoćnice kontrolišu imune odgovore na proteinske antigene. One su efektorne ćelije u ćelijskom imunitetu i obezbedjuju stimuluse koji su značajni za proliferaciju B limfocita i citotoksičnih T limfocita. Kao što je već rečeno, CD4+ limfociti prepoznaju antigene na membrani antigen-prezentujućih ćelija (dendritske ćelije, makrofage, B limfociti). Antigen-prezentujuće ćelije «hvataju» ekstracelularne proteinske antigene, transportuju ih, koncentrišu u limfnom čvoru, i iskazuju u formi koja može biti prepoznata od antigen-specifičnih CD4+ T limfocita.

Slika 2.33. «Hvatanje» i pezentacija ekstracelularnih antigena

Populacije antigen-prezentujućih ćelija su rasporedjene na glavnim mestima prodora antigena u organizam, u epitelu kože, gastrointestinalnog i respiratornog trakta, i u mnogim parenhimalnim organima, gde vrše funkciju endocitoze. Usled delovanja mikroba, i hemijskih medijatora koji se oslobadjaju aktivacijom mehanizama nespečificne imunosti (inflamatorni citokini), one gube receptore koji su odgovorni za njihovu adheziju i zadržavanje u epitelu, i migriraju ka limfnim čvorovima. Tokom migracije, maturiraju i postaju sposobne da efikasno iskažu antigene na svojoj membrani.

Slika 2.32MHC molekule klase I i II.

�2

Ukratko, ekstracelularni proteini se internalizuju u endozome, gde se proteoliticki razlažu enzimima. Endozomi su vezikule koje sadrže proteolitičke enzime, imaju kiselu pH, i komuniciraju sa lizozomima. Biosinteza MHC molekula klase II se odigrava u endoplazmatskom retikulumu, a novosintetisani MHC molekuli povezani sa invarijantnim lancem (Ii, okupira pukotinu u koju će se vezati antigenični peptid) se transportuju do endozoma. Lanac koji okupira mesto vezivanja peptida se proteolitički cepa, i odvaja od molekula MHC, a na oslobodjeno mesto se vezuje peptid poreklom od ekstracelularnog proteina. Nastali trimerni kompleksi (α i β lanac MHC klase II + antigenični peptid) se iskazuju na membrani antigen-prezentujućih ćelija . Naivni CD4+ T limfociti prepoznaju antigene i započinju imuni odgovor. Takodje, predhodno aktivirane efektorne i memorijske ćelije (u efektornoj fazi imunog odgovora) mogu prepoznati i odgovoriti na iskazane antigene i u nelimfoidnom tkivu, odnosno u perifernom tkivu, na mestu inflamacije ili infekcije.

Slika 2.34. procesovanje i iskazivanje ekstracelularnih proteinskih antigena ukompleksusaMHCIImolekulama.

2.3.6.2. Iskazivanje proteinskih antigena CD8+ T limfocitima. Sve ćelije koje imaju nukleus mogu da iskazuju antigenične peptide vezane za MHC molekule klase I. Antigeni koji se iskazuju uz pomoć molekula MHC I su endogeni tj. citosolni antigeni. Na primer, to su viralni proteini u slučaju virusnih

infekcija ili mutirani proteini kod tumorskih ćelija. Efektorni CD8+ limfociti (citotoksični) prepoznaju ovakve antigene, i uništavaju ćelije koje ih iskazuju. Osataje pitanje kako te ćelije dospeju do limfatičnog tkiva gde mogu biti prepoznate od strane naivnih CD8+ T limfocita i kao se aktiviraju naivni CD8+ limfociti? Objašnjenje aktivacije naivnih CD8+ T limfocita možda predstavlja problem, zbog toga što antigen može biti produkovan u bilo kojoj ćeliji koja nije profesionalna antigen-prezentujuća ćelija. Da bi se aktivirali i da bi proliferisali naivni CD8+ T limfociti treba da prepoznaju kompleks peptid-MHC klase I, i da budu kostimulisani od antigen-prezentujućih ćelija ili da prime signal od T ćelija pomoćnica. Verovatno je da antigen-prezentujuće ćelije (dendritske ćelije) fagocitiraju virusom inficirane ili tumorske ćelije i da ekspresuju viralne ili tumorske antigene na svojoj površini. Njih prepoznaju naivni CD8+ T limfociti koji započinju primarni imuni odgovor. Ovaj proces se naziva «unakrsna-prezentacija» (engl. cross-presentation) i označava da antigen-prezentujuće ćelije mogu da iskazu antigene drugih ćelija (inficiranih virusom ili tumorskih) i na taj način aktiviraju T limfocite specifične za taj antigen.

Slika 2.35 Unakrsna prezentacija. Antigen prezentujuće ćelija fagocitira inficiranu ćeliju i iskazuje antigen-MHC I na svojoj membrani.Antigen-MHC I preoznaju naivni CD8+ T limfociti koji se aktiviraju i iniciraju primarni imuni odgovor.

Degradacija i iskazivanje antigena u slučaju citosolnih proteina se razlikuje od degradacije i prezentacije ekstracelularnih proteina. Ukratko, citosolni proteini se proteolitički degraduju u proteozomima. Proteozomi su veliki multiproteinski enzimski kompleksi, nadjeni u citoplazmi gotovo svake celije. Proteozomi su odgovorni za degradaciju različitih citoplazmatičnih proteina i time uključeni u održavanje osnovnih funkcija svake ćelije. Proteini koji su obeleženi sa nekoliko kopija malog polipeptida, zvanog «ubikvitin» (engl. ubiquitin), ćeliji nisu potrebni i izloženi su proteolitičkom delovanju proteozoma. Nastali peptidi se iz citosola translociraju u endoplazmatski retikulum, gde novosintetisani MHC molekuli klase I, mogu da reaguju sa njima. Antigenični peptidi se iz citosola u endoplazmatski retikulum transportuju ATP-zavisnim transporterom,

��

tzv. transporterom povezanim sa procesovanjem antigena (TAP; engl. transporter associated with antigen processing). Novosintetisani α i β2-mikroglobulin dimeri u endoplazmatskom retikulumu, se vežu za TAP kompleks, i primaju transportovani antigeničan peptid. Stabilni kompleks peptid- MHC klase I, izlazi iz endoplazmatskog retikuluma i preko Goldzi zone tj. Goldzi vezikula, putuje do ćelijske membrane.

Slika 2.36.procesovanje i iskazivanje citosolnih proteinskih antigena u kompleksu sa MHC I molekulama

Tabela 2.12. Karakteristike procesovanja i prezentovanja antigena i MHC molekulaklaseIiII

Osobina Put iskazivanja antigeničnog peptida+ MHC klase II

Put iskazivanja antigeničnog peptida+ MHC klase I

Sastav kompleksapeptid+MHC

Polimorfni α i β lanci + peptid Polimorfni α lanac i β2-mikroglobulin + peptid

Tipovi antigen-presentujućih ćelija

Dendritske ćelije, mononuklearni fagociti, B limfociti, endotelne ćelije, epitel timusa

Sve ćelije koje imaju nukleus

T ćelije koje prepoznaju

CD4+ ćelije CD8+ ćelije

Izvor proteinskog antigena

Endosomalni/lizozomalni proteini (uglavnom internalizovani iz ekstracelularnog okruženja)

Citosolniproteini(uglavnom sintetisani u ćeliji; mogu da dospeju u citosol iz fagosoma)

Enzimi odgovorni za formiranje peptida

Endosomalneilizozomalneprotease

Citosolniproteozom

Mesto formiranja kompleksaMHC+peptid

Specijalizovani vezikularni konpartman

Endoplazmatskiretikulum

Molekuli uključeni utransportivezivanje za MHCmolekule

Kalneksinuendoplazmatskomretikulumu, invarijantni lanac u endoplazmatskomretikulumu

Kalneksin,kalretikulin,TAPuendoplazmatskomretikulumu

2.3.6.3. Receptor za antigen na T limfocitima (TCR) i pomoćne molekule. T limfociti reaguju na peptidne fragmente proteinskih antigena koji su iskazani na površini antigen-prezentujućih i drugih ćelija. Receptor koji specifično prepoznaje peptid-MHC kompleks je receptor za antigen na T limfocitima (TCR). Ovaj receptor je klonalno distribuiran, tj. klonovi T ćelija sa različitim specifičnostima ekspresuju različite TCR. Biohemijski signal koji se ostvaruje nakon prepoznavanja antigena (vezivanja TCR za peptid-MHC) se ne prenosi samim TCR nego su u taj proces uključeni proteini nekovalentno vezani za antigeni receptor tzv. TCR kompleks (CD3 i ζ

��

lanci). Drugim rečima za prepoznavanje antigena i signaling, odgovorne su dve grupe molekula: visoko varijabilni receptor za antigen (TCR) i proteini koji učestvuju u prenosu informacija (CD3 i ζ lanci). T ćelije takodje ekspresuju i druge membranske receptore koji ne prepoznaju antigen, ali doprinose u odgovoru na antigen. To su pomoćne (akcesorne) molekule koje funkcionišu kao adhezione molekule u stabilizaciji vezivanja T ćelija za antigen-prezentujuće ćelije. Adhezione molekule, takodje, regulišu migraciju T limfocita do mesta gde odgovaraju na antigene. Aktivirani T limfociti ekspresuju neke membranske, i molekule koje sekretuju, a koje su uključene u efektorne funkcije limfocita.

Slika 2.37. TCR i pomoćne molekule

2.3.6.4. Efektorni mehanizmi ćelijskog imunog odgovoraU zavisnosti od tipa intracelularnog antigena razvile su se dve grupe imunoloških reakcija zavisnih od T limfocita. CD4+ T ćelije aktiviraju fagocite da unište mikrobe koji se nalaze u vezikulama fagocita, i CD8+ T limfociti ubijaju ćelije koje sadrže citoplazmatične mikrobe i tako eliminišu rezervoar infekcije.Efektorne CD4+ ćelije pomoćnice (TH1) ekspresuju CD40 ligand i sekretuju interferon-γ, koji funkcionišu kooperativno u aktivaciji makrofaga. Aktivirani makrofag produkuje substance, uključujuci kiseonične radikale, azot oksid i lizozomalne enzime, koje uništavaju internalizovane antigene. Makrofage, takodje, produkuju inflamatorne citokine i druge citokine odgovorne za fibrozu i obnovu tkiva.

Efektorne CD4+ ćelije pomoćnice (TH2) stimulišu eozinofilnu inflamaciju i inhibišu aktivaciju makrofaga. Eozinofilni granulociti su značajni u odbrani domaćina protiv parazita. S`obzirom da TH1 promovišu, a TH2 ćelije imaju supresivan efekat na odbranu protiv mikroba, odnos izmedju aktivacije TH1 i TH2 ćelija determiniše ishod mnogih infekcija. CD8+ T limfociti se diferenciraju u citotoksične limfocite koji ubijaju inficirane ćelije uglavnom indukcijom DNA fragmetacije i apoptoze. CD8+ i CD4+ T limfociti često funkcionišu kooperativno u eliminaciji intracelularne infekcije. Mnogi patogeni mikrobi su razvili mehanizme koji su otporni na ćelijski imuni odgovor. Ovi mehanizmi uključuju inhibiciju fuzije endozoma i lizozoma, «bezanje» iz vezikula fagocita, inhibicija formiranja kompleksa peptid-MHC molekule klase I, i produkovanje inhibitornih citokina ili blokiranje citokinskih receptora.

Slika 2.38. Efektorni mehanizmi CD8 T limfocita

2.3.7. HUMORALNI IMUNI ODGOVOR

Osnovna funkcija B limfocita je prepoznavanje ekstracelularnog antigena i produkcije specifičnih antitela koja će preko aktivacije odredjenih efektornih mehanizama eliminisati antigene iz organizma.

2.3.7.1. Receptori za antigene na B limfocitma

BCR (engl. B cell receptor) prepoznaju oblik ili konformaciju nativnih makromolekula, uključujući proteine, lipide, karbohidrate, kao i male hemijske grupe i delove makromolekula. Ovi antigeni mogu biti solubilni ili ekspresovani na površini mikroorganizama. Aktivacija specifičnog klona B ćelija se dešava u slezini ili u perifernim limfnim čvorovima. Medjutim, malo se zna o tome kako antigeni stižu u limfni čvor do specifičnih B limfocita. U

��

limfoidnim folikulima slezine i perifernih limfnih čvorova se nalazi populacija folikularnih dendritskih ćelija, čija je funkcija da pokažu antigene aktiviranim B limfocitima. Ove ćelije svojim Fc receptorima vežu antigene koji su okruženi antitelima, i svojim receptorima za C3d protein komplementa vežu antigene za koje je zakačen komplement. Ovakve antigene prepoznaju specifični B limfociti tokom humoralnog imunog odgovora i uglavnom funkcionišu u selekciji B ćelija visokog afiniteta..

2.3.7.2. Aktivacija B limfocitaNaivni B limfociti se aktiviraju vezivanjem antigena za Ig na ćelijskoj membrani i aktiviranjem kompleksa za proteina koji učestvuju u signalnoj transdukciji i grade BCR kompleks. Drugi signal neophodan za aktivaciju B ćelija je obezbedjen vezivanjem proteina komplementa (C3d) koji je sa jedne strane vezan za antigen a sa druge strane se vezuje i za receprtor na B limfocitima (slika). Ovi signali obezbedjuju ekspanziju specifičnog klona B limfocita i sekreciju malih količina IgM. Za proliferaciju visokog nivoa i diferencijaciju B ćelija

Slika 2.39. Efektorne funkcije CD4 T limfocita

potrebno je da B limfociti budu stimulisani i interakcijom sa T ćelijama pomoćnicama. Citokini koji se produkuju u ćelijama pomoćnicama indukuju promenu u sintezi teškog lanca Ig tako da B limfociti počinju da produkuju različite klase antitela (vidi kasnije).

2.3.7.3. Antitela Razlikuju se dve forme antitela: to su antigeni receptori vezani za membranu B ćelija tzv. BCR i sekretovana antitela. Sekretovana antitela su prisutna u krvi, mukoznim sekretima i u intersticijalnom fluidu gde neutrališu i eliminišu mikrobe i toksine tj. funkcionišu kao efektorne molekule humoralnog imuniteta. Sekretovana antitela i BCR prepoznaju antigene svojim varijabilnim domenima, dok konstantni regioni sekretovanih antitela imaju sposobnost da vežu druge molekule (npr. receptore na fagocitima, mastocitima, ćelijama prirodnim ubicama ili proteine komplementa) u smislu eliminacije štetnog antigena. Može se reći da antitela imaju dve funkcije u humoralnom imunitetu: BCR prepoznaje antigene i inicira humoralni imuni odgovor, dok sekretovana antitela eliminišu antigene u efektornoj fazi imunog odgovora.

Molekularna struktura antitela. Molekul antitela je izgradjen od dva identična teška lanca (H) i dva identična laka lanca (L) koja grade varjabilni region i jedan ili više konstantnih regiona. Četiri lanca su povezana tako da formiraju molekul koji ima oblik Y. Disulfidnim vezama su medjusobno povezana dva teška lanca, kao i laki lanci za teške lance. Teški i laki lanci su izgradjeni iz serije ponavljanih homologih jedinica koji imaju globularnu konformaciju – Ig domen. Teški i laki lanci su izgradjeni od amino-terminalnog varijabilnog regiona (V) koji je odgovoran za prepoznavanje antigena i karboksi-terminalnog konstantnog kraja (C). U teškom lancu V region je izgradjen od jednog Ig-domena, a C region se sastoji od 3-4 Ig-domena. Svaki laki lanac se sastoji od jednog V i jednog C regiona. Varijabilni regioni sadrže različite sekvence amino kiselinskih ostataka, koje su specifične za antitela produkovana u B limfocitima odredjenog klona i razlikuju se od antitela drugih klonova B limfocita. Deo antitela koji sadrži ceo laki lanac (VL i CL) povezan sa VH i prvim CH regionom teskog lanca je deo antitela zadužen za prepoznavanje antigena tzv. Fab (engl. fragment antigen binding). V region teškog lanca (VH) i V region lakog lanca (VL) formiraju antigen vezujuće mesto. Zbog toga sto svaki molekul antitela izgradjen iz dva teška i dva laka lanca, svako antitelo sadrži dva mesta za koja se vezuje antigen tj. dvovalentno je. C regioni ne doprinose prepoznavanju antigena. C regioni teških lanaca formiraju tzv Fc region (engl. fragment crystalline) koji interaguju sa

��

efektornim molekulama i ćelijama imunog sistema, tako su odgovorni za većinu bioloških funkcija antitela. Karboksi-terminalni kraj teškog lanca je povezan sa membranom B limfocita, tako da formira antitela vezana za membranu tj. BCR. Postoji 5 tipova teških lanaca koji se razlikuju u C regionu (µ, δ, γ, ε, α). U zavisnosti od teškog lanca koji sadrže, antitela se mogu klasifikovati u 5 klasa (izotipova): IgM, IgD, IgG, IgE, i IgA. Fizičke i biološke karakteristike ovih klasa kao i njihove efektorne funkcije sumirane su u tabeli 2.13.B limfociti, pripadnici istog klona mogu da se razlikuju po tome što u toku imunog odgovora mogu da produkuju antitela različite strukture. B ćelije inicijalno produkuju samo Ig koji su povezani sa ćelijskom membranom tj. BCR. Ovi receptori na naivnim B limfocitima, su u stvari molekuli IgM i IgD vezani za membranu ćelija. Nakon stimulacije naivnih B limfocita sa antigenima i T ćelijama pomoćnicama, antigen-specifični klon proliferiše i diferencira se u plazma ćelije koje sekretuju antitela. Drugim rečima, promene na karboksi-terminalnom kraju antitela vodi ka produkciji antitela koja se sekretuju ali imaju istu specifičnost za odredjeni antigen. Neke plazma ćelije poreklom od iste naivne B ćelije sekretuju IgM a druge IgD antitela. Ova mogućnost sinteze antitela razlicite klase tj različitog izotipa teškog lanca Ig nosi naziv «haevy chain class (isotype) switching». Iako tokom humoralnog imunog odgovora, može doći do zamene C regiona teškog lanca antitela, svaki klon B limfocita zadržava svoju specificnost, zato što se V region ne menja. Drugim rečima različiti izotipovi antitela su nosioci različitih efektornih funkcija pri tom svi izotipovi imaju istu

Klasa antitela

Izoforme H lanac Koncentracija u serumu (mg/mL)

Poluživot u serumu (dani)

Forma u kojoj se sekretuje Funkcija

IgAIgA1, 2 α (1 ili 2) 3.5 6 Monomer,dimer,trimer Mukozni imunitet, neonatalni pasivni imunitet

IgD- δ u tragu 3 - Receptor za antigene na naivnim B limfocitima

IgE - ε 0.05 2 monomer Aktivacija mastocita

IgG IgG1-4 γ (1.2.3,4) 13.5 23 monomer Opsonizacija, aktivacija komplementa, citotoksičnost zavisna od antitela, neonatalna imunost, inhibicijaB limfocita povratnom spregom

IgM - µ 1.5 5 pentamer Receptor za antigene na B ćelijama, aktivacija komplementa

Tabela 2.13. Osnovne karakteristike pojedinih klasa antitela

Slika 2.40. Molekularnastrukturaantitela.

��

antigensku specifičnost. Zašto je to potrebno? Sinteza Ig različitih klasa omogućava humoralnom imunom odgovoru da se adaptira na karakteristike konkretnog antigena tj pronalaženja optimalnog načina za eliminaciju antigena.

2.3.7.4. Antigen-antitelo interakcijaAntitelo može da prepozna i da se veže za makromolekule kao i za male molekule, pa čak i hemijske grupe odredjenih molekula. Ovo je moguće zato što se antitelo vezuje za odredjen mali deo molekule antigena koji se zove antigena determinanta ili epitop. Antigene determinante mogu biti formirane kovalentnom strukturom ili kao u slučaju proteina i nukleinskih kiselina, nekovalentnim organizovanjem molekule u prostoru. Ukoliko epitope formira nekoliko susednih ostataka aminokiselina tj. determinisane su linearnom sekvencom zovu se linearne determinante. Ako ih čine ostaci aminokiselina koji nisu u linearnoj sekvenci nego predstavljaju ostatke aminokiselina u 3D prostoru onda su to konformacione determinante. Antitela koja prepoznaju konformacione determinante obično prepoznaju

nativne proteine dok antitela koja prepoznaju linearne determinante obično prepoznaju denaturisane proteine.Reakcija izmedju antigena i antitela je reverzibilna reakcija, koja se ostvaruje nekovalentnim vezama npr. vodonikovim vezama, elektrostatičkim vezama, Van der Waals-ovim silama i hidrofobnim vezama. Ag + At ⇔ AgAtAfinitet je suma privlačnih i odbojnih sila izmedju jedne antigene determinante i jednog veznog mesta na antitelu. Aviditet je mera celokupnog vezivanja antitela za antigen. Npr. u slučaju IgM koje je pentamerne strukture (10-0 valentno antitelo) aviditet je mnogo veći nego u slučaju vezivanja istog antigena za dvovalentno antitelo.

2.3.7.5. Efektorni mehanizmi humoralnog imunog odgovora Iako se antitela se produkuju u limfnim čvorovima, ona se sekretuju i putem krvi dospevaju do mesta infekcije gde ispoljavaju različite efektorne funkcije. Efektorne reakcije humoralnog imunog odgovora prikazane su u tabeli …

Funkcija antitela Objasnjenje

Neutralizacija Neutrališu infektivnost mikroba ili patogenost toksina vezujući se za njih, i tako smanjuju sposobnost mikroba da se vežu za ćeliju domaćina

Opsonizacija Opsonini stimulišu fagocitozu tako što se Fc regioni antitela vezuju za Fc receptore na fagocitima. Vezivanje Fc regiona za Fc receptor stimuliše baktericidnu funkciju fagocita

Aktivacija komplementa Aktivacija komplementa je objašnjena ranije. Aktivacija komplementa vodi ka formiranju citolitičkog kompleksa membrane. Različiti produkti aktivacije komplementa promovišu fagocitozu, izazivaju lizu ćelija i stimulišu inflamaciju.

Mukozni imunitet IgA se produkuje u lamini proprii mukoznih organa i aktivno transportuje kroz epitel (vezivanjem za Fc receptor) u lumen, gde blokira sposobnost mikroba da prodru u epitel

Neonatalni imunitet Novorodjenče je zaštićeno IgG majke koja prolaze kroz placentu (fetus) ili je zaštićeno antitelima iz majčinog mleka, tako što se IgG transportuje kroz epitel creva (neonatalni Fc receptor).

Tabela 2.14. Efektorne reakcije humoralnog imunog odgovora

��

Uporedni Pregled Funkcija Cirkulatornog Sistema 03

3.1. OPšTI PRINCIPI FUKCIONISANJA CIRKULATORNOG SISTEMA

Sistem sudova kroz koje protiče telesna tečnost se naziva sistem za cirkulaciju. Ovim sistemom sudova se po telu transportuje telesna tecnost i u njoj gasovi, hranljive materije, produkti metabolizma, hormoni, i druge biološki aktivne materije. Cirkulacijom se prenosi toplota kroz organizam a često je izvor i hidrauličkog pritiska potrebnog za funkciju pojedinih organa. Razvojem sistema za cirkulaciju je dramatično povećana brzina transporta materija. Naime, transport biološki značajnih materija prostom difuzijom kroz vodeni rastvor je efikasan na razdaljini od svega nekoliko milimetara. Sitne životinje mogu da koriste ovaj način transporta, dok veće životinje zahtevaju postojanje cirkulatornog sistema za transport materija adekvatnom brzinom s jednog na drugi kraj organizma. Sve metazoe imaju neku formu sistema za cirkulaciju koji distribuira telesnu tečnost po telu, i na taj naćin smanjuje tzv. difuzionu berijeru tj. razdaljinu koju molekuli, difuzijom, treba da prodju kako bi se odvijala efikasna razmena materija.Kod ljudi i većine životinja transport kiseonika se obavlja isključivo putem cirkulatornog sistema. Od svih materija koje su neophodne za funkcionisanje ćelija i tkiva, kiseonik je taj koji mora da se transportuje najvećom brzinom. Potrebe tkiva za kiseonikom najčešće uslovljavaju brzinu cirkulacije krvi u organizmu. Otuda su, evolutivno posmatrano, intenzitet metabolizma, razvoj sitema za usvajanje kiseonika i kapacitet cirkulatornog sistema za transport kiseonika

tesno povezani procesi. Sistem za cirkulaciju je pretrpeo progresivne promene počevši od kretanja tečnosti spoljašnje sredine kroz telo životinje (u kojoj životinja živi), do efikasnog kretanja telesne tečnosti strogo kontrolisanog sastava kroz organizovan zatvoren sistem za cirkulaciju.

3.2. KANALNI SISTEM ZA CIRKULACIJUKanalni sistem predstavlja sistem dovodnih i odvodnih kanala razvijenih u telu životinje, kroz koji se kreće voda spoljašnje stedine (hidrolimfa). Kanalni sistem je razvijen kod Spongia, Celenterata i Turbellaria, i u zavisnosti od organizacije tela životinje može biti više ili manje složene gradje. Uglavnom je zastupljen kod kod malih životinja mada se nalazi i kod većih adinamičnih oblika, koji vode sesilni način života (sundjeri). Kod meduza, ovaj sistem je izgradjen od centralno postavljene komore – gastera, od koje polaze radijalno rasporedjeni kanali, koji su povezani sa kružnim kanalom. Ovako organizovan sistem kanala naziva se gastro-vaskularni sistem za cirkulaciju. Vrlo često je razviće kanalnog sistema za cirkulaciju povezano sa životom u morima, gde morska voda obezbedjuje osmotski izbalansiranu sredinu kao i medijum snabdeven kiseonikom i hranljivim materijama koji obliva tkiva životinje.

3.3. OTVOREN SISTEM ZA CIRKULACIJUSistem u kome je cirkulacija unutrašnje tečnosti ostvarena kretanjem ekstracelularnog fluida kao integralnog dela ukupne cirkulirajuće tečnosti naziva se otvoreni sistem za cirkulaciju. Naime, kod otvorenog sistema za cirkulaciju telesna tečnost se kreće kroz sistem izdiferenciranih sudova

��

koji gube kontinuitet i tečnost se izliva u sistem lakuna i sinusa tj. direktno obliva ćelije (ekstracelularna tečnost). Lakune su mali prostori izmedju ćelija u okviru tkiva, koji često grade mrežu lakunarnih «kanala», nepravilnog oblika kojima se tečnost dovodi do gotovo svake ćelije u organizmu, dok su sinusi veći prostori izmedju tkiva. Telesnu tečnost kroz sudove pokreće kinetička energija koju generiše srce ili se kretanje tečnosti održava aktivnošću somatske muskulature. Životinje acelomatne ili pseudocelomatne organizacije, kao što su pljosnati crvi i nematode, (kod kojih tečnost blastocela direktno obliva ćelije) nemaju specifično izdiferenciranu pumpu koja pokreće tečnost, nego su pokreti tela dovoljni da obezbede cirkulaciju. Životinje u koje spadaju zglavkari i većina mekušaca, imaju izdiferenciran pulsatorni organ (srce), razvijen sistem arterijskih sudova koji odvode hemolimfu iz srca, distribuiraju je po telu i dobro razvijenu telesnu duplju tzv. hemocel u koji se izliva hemolimfa. Ponekad se u odredjenim organima, arterije nastavljaju u kapilare, male krvne sudove sastavljene od jednog sloja endotelijalnih ćelija. Otvoreni sistem za cirkulaciju predstavlja tipičan sistem u kome se telesna tečnost kreće u uslovima niskog i promenljivog pritiska, koji zavisi od aktivnosti životinje tj. u velikoj meri zavisi od telesnih pokreta. Ovi pokreti dovode do stvaranja razlike u pritiscima između dva kraja tela, što omogućava kretanje telesne tečnosti. Tako, na primer, kod američkog jastoga brza savijanja abdomena dovode do porasta pritiska u ovom delu tela, koji postaje veći od pritiska u grudnom regionu, a što ima za posledicu porast brzine protoka telesne tečnosti od abdomena ka grudima za deset puta. Kod školjki i nepulmonatnih puževa pritisak u

arterijskim sudovima je za svega 0.1 – 0.5 kPa veći od pritiska u venskim sudovima. Međutim, postojanje ovako niskog pritiska ne znači i da se telesna tečnost kreće sporo kroz cirkulatorne sudove. Na primer, rakovi imaju tri puta veću brzinu kretanja telesne tečnosti u odnosu na ribe. Premda je pritisak telesne tečnosti kod rakova manji u odnosu na ribe, otpor kretanju telesne tečnosti kroz cirkulatorne sudove je mnogo manji, što za posledicu ima veću brzinu kretanja telesne tečnosti. Ipak, generalno govoreći, otvoren sistem za cirkulaciju, ipak imaju slabo pokretljive životinje, manje mase. Naravno, izuzetak su insekti, koji su aktivne životinje, visokog kapaciteta za aerobni metabolizam a koje imaju otvoren sistem za cirkulaciju. Ove životinje potrebe za kiseonikom zadovoljavaju zahvaljujući postojanju efikasnog sistema za transport kiseonika tj. trahealnog sistema.

3.3.1. SISTEM ZA CIRKULACIJU KOD MEKUšACA (MOLLUSCA).

Sa izuzetkom Cephalopoda, mekušci imaju otvoren sistem za cirkulaciju. Generalno, predstavnici ove grupe imaju dobro razvijeno srce, izgradjeno od jedne ili više pretkomora i jedne komore. U srce se ulivaju vene koje donose oksigenisanu hemolimfu, koja se kontrakcijom istiskuje u aortu i preko arterijskog sistema dospeva do lakuna, gde se obavlja razmena materija. Deoksigenisana hemolimfa se venskim sistemom transportuje do organa za disanje i ekskretornih organa, i ponovo vraća u srce. Ritam rada srca ovih životinja je uskladjen sa fiziološkim potrebama životinje, u prvom redu potrebama za kiseonikom. Srce mekušaca se automatski kontrahuje tj. poseduje tzv predvodničke ćelije koje imaju sposobnost spontane geneze

Slika 3.1. Kanalnisistem

�0

akcionog potencijala koji zatim diktiraju ritam kontrakcija. Neurotransmiteri i neurosekreti su glavni modulatori srčane aktivnosti kod mekušaca. Acetilholin usporava srčani rad dok serotonin ima stimulatoran efekat na ritam kontrakcija.

Kod nekih mekušaca, pogotovo kod vrsta koje se ukopavaju u podlogu i koriste stopalo za kretanje po dnu, aktivno kretanje stopala je povezano sa ulogom hemolimfe kao hidrauličnog fluida. U stopalu se nalaze veliki sinusi snabdeveni zaliscima koji kontrolišu punjenje sinusa a time i pokretljivost i turgor tj. veličinu stopala.

3.3.2. SISTEM ZA CIRKULACIJU KOD RAKOVA (CRUSTACEA).

Neki juvenilni i sedentarni oblici rakova nemaju srce i cirkulatorne sudove. Kretanje telesne tečnosti kod ovih organizama se isključivo vrši kroz lakune i sinuse zahvaljujući pokretima tela. Kod nekih drugih oblika rakova srce je prisutno, ali pumpa telesnu tečnost u lakunarne i sinusoidne prostore, a ne u cirkulatorne sudove. Kod većine dekapodnih rakova (krabe, škampi, jastozi i srodne vrste) srce je vrećastog oblika, sastavljeno od jedne komore, smešteno na dorzalnoj strani torkasa u perikardijalnom sinusu za koje je vezano mišićnim i elastičnim vlaknima. Svi krvni sudovi povezani sa srcem su arterije. Srce se puni hemolimfom tako što hemolimfa iz perikardijalnog sinusa ulazi u srce kroz proreze nazvane ostia. Perikardijalni

sinus se snabdeva hemolimfom preko vene branchialis koja donosi oksigenisanu hemolimfu iz škrga i respiratornih površina.

Kada se srce kontrahuje (sistola), ostije su zatvorene i onemogućavaju hemolimfi da se vrati u perikardijalni sinus. Kretanje hemolimfe je usmereno ka arterijama. Za vreme dijastole kontraktilni elementi struktura koje vezuju srce za zid perikardijalnog sinusa se skraćuju, tako da dodatno povećavaju zapreminu srca i generišu tzv. negativni pritisak (pritisak u komori postaje niži od pritiska u perikardijalnom sinusu), koji stimuliše punjenje srca sa oksigenisanom hemolimfom. Iz srca hemolimfa se arterijama raznosi po telu, napušta sudove i mrežom lakuna drenira do sistema ventralnog sinusa. Aferentnim sudovima deoksigenisana hemolimfa dospeva do škržnih lakuna gde se vrši oksigenacija respiratornog pigmenta a potom eferentnim branhijalnim sudom nazad do perikardijalnog sinusa i srca.

Slika 3.2 Sistem za cirkulaciju kod puža.

Slika 3.3. Srce rakova.

�1

Zid arterija kod rakova ne poseduje mišićni sloj, otuda arteriije nemaju sposobnost pulsiranja ili vazomotorne kontrole. Do pre dvadesetak godina se smatralo da kod rakova nisu razvijeni kontrolni mehanizmi regionalne distribucije telesne tečnosti. Međutim, danas se zna da se regionalna distribucija telesne tečnosti kod ovih životinja ostvaruje preko nervne kontrole arterijskih mišićnih zalistaka. Ekscitatorni neurotransmiteri dovode do kontrakcije zalistaka i smanjenja protoka hemolimfe kroz arterijski sud. S druge strane, inhibitorni stimulusi dovode do relaksacije zalistaka i povećanja protoka telesne tečnosti u datoj arteriji.

3.3.3. SISTEM ZA CIRKULACIJU KOD INSEKATA (INSECTA)

Kao i svi zglavkari, insekti imaju otvoren sistem za cirkulaciju. Dorzalni sud koji se prostire celom dužinom tela je podeljen na posteriorni region, odnosno srce (obično je smešteno u abdomenu) i anteriorni region (aorta), koji se nalazi u toraksu i glavenom regionu. Srce ima ostije i puni se na sličan način kao i kod rakova. Insekti imaju tzv. peristaltičko srce, koje peristaltičkim talasima potiskuje hemolimfu u aortu. Kod mnogih vrsta insekata, aorta je jedini sud za cirkulaciju, dok se kod nekih grana na lateralne arterije. Bez obzira da li postoji samo aorta ili više lateralnih

arterija hemolimfa veoma brzo dospeva do sistema lakuna i sinusa. Sistem sudova kod insekata je slabije razvijen u odnosu na dekapodne rakove i ne postoji dobro razvijena kapilarna mreža. Ovako slabo razvijen cirkulatorni sistem kod insekata predstavlja svojevrsni paradoks, obzirom na činjenicu da su insekti veoma aktivne životinje, sa relativno visokim potrebama za kiseonikom. Odgovor na ovaj paradoks leži u dobro razvijenom trahealnom sistemu za disanje. Ovim sistemom, koji je nezavisan od cirkulatornog, kiseonik se transportuje do svake pojedinačne ćelije u organizmu. Uloga cirkulatornog sistema kod insekata je prvenstveno u transportu hranljivih materija i hormona, a ne u transportu gasova. Zbog toga je sistem za cirkulaciju kod insekata slabije razvijen.

3.3.4. SISTEM ZA CIRKULACIJU KOD PLAšTAšA (TUNICATA)

Plaštaši imaju sistem za cirkulaciju izgradjen od dva suda sa dobro diferenciranim zidovima koji idu ka prednjoj strani tela pa se povijaju. Prednji sud daje ogranke za glaveni region. Oba suda se granaju u brojne longitudinalne (uzdužne) sudove koji su medjusobno povezani poprečnim sudovima. Tek na krajevima longitudinalni sudovi daju ogranke koji se otvaraju u uske medjućelijske prostore tj. mrežu lakuna. Kroz ovaj sistem sudova hemolimfa se kreće u oba pravca tj. sudovi funkcionišu i kao arterije i kao vene. Hemolimfa se kroz sudove potiskuje kontrakcijama cevastog srca koje leži u perikardu i sagradjeno je od tankog sloja mišića. Srce Tunicata pumpa hemolimfu u oba smera, ka prednjem delu tela a nakon toga ka zadnjem delu tela. Ovakva aktivnost srčanog mišića je omogućena postojanjem dve grupe predvodničkih ćelija koje se nalaze na suprotnim krajevima srca. U predvodničkim ćelijama se generiše akcioni potencijal čiji ritam diktira ritam kontrakcija srca tj. ritam potiskivanja hemolimfe u odredjenom pravcu. Kada periferni pritisak hemolimfe poraste, funkciju predvodnika preuzima grupa ćelija koja se nalazi na suprotnoj strani srčane cevi i srce se kontrahuje tako da pumpa hemolimfu u suprotnom smeru. Hemolimfa se kreće u oba smera i u izolovanom srcu kada nema promene pritiska u njemu. Ukoliko u sredini srca postavimo ligaturu, oba kraja srca će se kontrahovati nezavisno jedan od drugog. To znači da je kretanje hemolimfe u oba pravca posledica spontane aktivnosti predvodnickih ćelija na oba kraja srca a ne zbog promene u perifernom pritisku.

3.4. ZATVOREN SISTEM ZA CIRKULACIJUEfikasniji sistem za cirkulaciju telesnih tečnosti u okviru koga se telesna tečnost kreće u tzv. kontinualnom sistemu sudova je zatvoren cirkulatorni sistem. Drugim rečima,

Slika 3.4.circulacija kod rakova

�2

telesna tečnost se u zatvorenom sistemu za cirkulaciju kreće kroz sistem dobro diferenciranih arterijskih i venskih sudova koji su medjusobno povezani mrežom kapilara. Razmena materija se odvija na nivou kapilara. Tečna komponenta krvi se na nivou kapilara filtrira u intersticijalni prostor, gradeći intersticijalnu tečnost tj. limfu. To je tečnost, iz koje one usvajaju hranljive materije i kiseonik, i u koju odaju produkte svoje aktivnosti. Izdvajanje tečnosti, koja predstavlja neposrednu sredinu u kojoj žive ćelije, dovelo je do znatne redukcije količine fluida koji cirkuliše u sistemu. Tako na primer, količina tečnosti koja cirkuliše u otvorenom sitemu iznosi 30% od telesne mase, dok u zatvorenom sistemu sisara cirkuliše tečnost koja čini 8% od telesne mase.Tok krvi u ovom sistemu je omogućen kinetičkom energijom koju generišu kontrakcije srca. Zatvaranje sistema tj. razvoj areteriola i mreže kapilara, vrlo malog dijametra, je znatno povećao periferni otpor kretanju krvi, što je nužno dovelo do progresivnog razvoja pulsatornog organa koji svojim kontrakcijama potiskuje krv. Tokom filogeneze, razvoj zatvorenog cirkulatornog sistema je postepeno doveo do razvoja sudova za transport oksigenisane i dezoksigenisane krvi tj. do odvajanja sistemske od plućne cirkulacije.U zatvorenom sistemu za cirkulaciju arterijski krvni pritisak je stabilan, i znatno viši od venskog, i veća je brzina protoka krvi. Razvijeni su regulatorni mehanizmi koji omogućuju preraspodelu krvi u telu, usmeravajući je ka aktivnim organima tj. u pravcu onog organa sa najvećim potrebama za kiseonikom. U zatvorenom sistemu za cirkulaciju došlo je do razvoja portnog sistema u odredjenim organima (npr. u bubrezima i jetri). Za portni sistem odredjenog organa je karakteristično da se snabdeva venskim krvotokom iz drugog organa (stepen zasićenosti sa kiseonikom je obično 75%). Portni sistem, omogućava lokalizaciju odredjenih metabolita u cirkulaciji, tako da oni ne ulaze u opštu cirkulaciju tj. ne prolaze kroz srce. Na primer, jetra prima vensku krv koja je bogata produktima digestije iz regiona creva, što omogućava metabolizam potencijalno toksičnih substanci i njihovo uklanjanje iz opšte cirkulacije; u mozgu, vena koja nosi krv iz hipotalamusa gradi portni sistem u adenohipofizi i na taj način omogućava efikasno dostavljanje hipotalamičnih hormona do ćelija adenohipofize, zaobilazeći opštu cirkulaciju.Zatvoren sistem za cirkulaciju imaju Cephalopoda, Annelidae, i Vertebrata.

3.4.1. ZATVORENI SISTEM ZA CIRKULACIJU KOD BESKIČMENJAKA.

Zatvoreni sistem za cirkulaciju kod beskičmenjaka se javlja kod cefalopodnih mekušaca (sipe, hobotnice i njihovi srodnici)

i nekih člankovitih glista (Annelidae). Specifičnost njihovog cirkulatornog sistema je odraz izuzetne aktivnosti ovih životinja, u poređenju sa ostalim predstavnicima njihovog filuma (školjke i puževi). Pored toga, sipe i hobotnice se odlikuju i velikom brzinom kretanja, koja je u rangu brzine kretanja mnogih riba, tako da se mogu svrstati u najaktivnije akvatične životinje. Cirkulatorni sistem sipa i hobotnica se sastoji od dobro razvijene mreže elastičnih arterija i vena, međusobno spojenih kapilarima. Sipe i hobotnice imaju osnovno srce koje se još naziva i sistemsko, kao i dva sporedna pomoćna srca, koja se nazivaju branhijalna srca (škržna srca). Sistemsko srce je miogeno, sastoji se od moćne muskulozne komore sa zaliscima koji regulišu ulazak i izlazak telesne tečnosti iz srca. Telesna tečnost ulazi u sistemsko srce iz škrga, a iz srca se izbacuje u dve veće arterije (aorte), koje je zatim transportuju do različitih tkiva. Prilikom vraćanja krvi/hemolimfe putem velikih vena, a pre ulaska u srce, krv/hemolimfa se usmerava u škrge. U blizini škrga se nalaze branhijalna srca koja pumpaju telesnu tečnost u aferentni branhijalni sud. Iz aferentnih branhijalnih sudova krv/hemolimfa prelazi u kapilare škrga, gde se vrši oksigenacija, a zatim se eferentnim branhijalnim sudom vraća u sistemsko srce. Ovakav sistem za cirkulaciju u velikoj meri podseća na sistem kod većine riba, ptica i sisara.

Slika 3.5. Sistem za cirkulaciju kod Cephalopoda.

��

Cirkulatorni sistem sipa i hobotnica fiziološki mnogo više podseća na sistem kod kičmenjaka nego na sistem kakav se sreće kod srodnih grupa mekušaca (sa otvorenim sistemom za cirkulaciju). Kod hobotnice Enteorctopus dofleini i visokoaktivne sipe Loligo pealli krvni pritisak koji stvara sistemsko srce iznosi 4-5 kPa, a u trenutku kada krv prođe sistemska tkiva i dospe do vena pritisak opada do 1 kPa. Ovakav gradijent pritiska koji se javlja kod glavonožaca u velikoj meri podseća na isti kod riba. Otpor koji stvaraju krvni sudovi prilikom kretanja krvi je relativno visok, sličan onom koji se sreće u zatvorenom sistemu za cirkulaciju. Za ove životinje je karakterističan brz protok krvi/hemolimfe kroz sudove, postojanje visokog otpora kretanju krvi/hemolimfe, kao i održavanje relativno visokog pritiska u sistemskim arterijama. Zbog svega navedenog sistem za cirkulaciiju kod glavonožaca u velikoj meri podseća na isti kod kičmenjaka.Cirkulatorni sistem kod Annelida je relativno jednostavne gradje. Sastoji se iz dva longitudinalna suda, dorzalnog i ventralnog, koja su medjusobno povezana anastomozama. Dorzalni sud ima funkciju propulzivnog organa, on peristaltičkim pokretima pumpa krv/hemolimfu ka prednjem kraju tela. Ventralni sud nosi telesnu tečnost u suprotnom pravcu. Sudovi koji povezuju dorzalni i ventralni sud, takodje, imaju sposobnost kontrakcije, i funkcionišu kao akcesorna srca.

Slika 3.6. Cirkulacija kod Annelida

Dorzalni sud gigantskog zemljanog crva (Glossoscolex giganteus) se kontrahuje 6-8 puta u minuti i generiše sistolni pritisak oko 20 mm Hg (2.7 kPa). Ovim kontrakcijama se krv/hemolimfa ubacuje u 5 pari segmentalnih lateralnih srca u prednjem delu tela životinje. Zahvaljujući kontrakciji ovih lateralnih srca, pritisak u ventralnom sudu raste i iznosi 75 mm Hg (10 kPa). Annelide uglavnom dišu preko

integumenta, koji je snabdeven mrežom kapilara u kojima se vrši oksigenacija/oksidacija respiratornog pigmenta.

3.4.2. ZATVOREN SISTEM ZA CIRKULACIJU KOD KIČMENJAKA.

3.4.2.1. Sistem za cirkulaciju kod riba (Pisces) Sistem za cirkulaciju kod većine riba je prikazan na slici (3.7.).

Slika 3.7. Sistem za cirkulaciju i gradja srca kod Teleostea. Iz srca se krv pumpa prema prednjem delu tela u ventralnu aortu koja dovodi krv do aferentnih škržnih sudova. Krv zatim prolazi kroz škrzne kapilare, a potom se eferentnim škržnim sudovima odvodi do dorzalne aorte. Dorzalna aorta dalje odvodi krv do svih tkiva. Nakon što se izvrši razmena gasova u tkivima, krv se vraća u srce putem vena. Dakle, kod riba koje dišu preko škrga, kroz srce protiče deoksigenisana krv. Za cirkulatorni sistem riba je karakteristično postojanje hepatičnog i bubrežnog portnog sistema.

Srce riba je dobro razvijeno i sastoji se iz četiri odeljka: venozni sinus (sinus venosus) u koji se prazne velike vene, pretkomora (atrium), komora (ventriculum) i bulbus, iz koga polazi ventralna aorta. Kod riba sa hrskavičavim skeletom (Elasmobranchiata - ajkule, raže) i plućašica (Dipnoa) bulbus se naziva conus arteriosus, snažan mišićni organ koji se kontrahuje zajedno sa komorom, i pomaže pumpanje krvi. Kod riba sa koštanim skeletom (Teleostee) bulbus se naziva bulbus arteriosus, sastoji se od glatke muskulature i ne kontrahuje se sa ostalim delovima srca. Verovatno funkcioniše kao elastična komora čija je primarna funkcija ublažavanje oscilacija u pritisku. Srce riba je automatski

��

organ. Predvodničke ćelije, najveće frekvence geneze akcionih potencijala, se nalaze u venoznom sinusu. Nodalno tkivo, sporijeg ritma geneze akcionog potencijala se nalazi u atrioventrikularnom regionu i bulbusu. Srce riba je inervisano samo parasimpatičkim nervnim vlaknima, čija stimulacija ima kardioinhibitoran efekat. Među ribama postoji velika raznovrsnost u veličini i osobinama srca, koje su u korelaciji sa fizičkom aktivnošću životinje. Vrste koje su neaktivne i trome imaju relativno malo srce i nizak nivo srčanog rada, dok aktivne vrste imaju veliko srce i visok srčani rad. Interesantno je da neke vrste tuna i tokom odmora imaju visok nivo srčanog rada, koji je dvostruko veći nego kod drugih riba. Među ribama tune imaju i najveću količinu hemoglobina po jedinici zapremine krvi.Nekoliko stotina vrsta riba, su se adaptirale na usvajanje kiseonika iz vazduha. U većini slučajeva organi za disanje, preko kojih se usvajaja kiseonik iz vazduha su nastali, od struktura poput creva, ribljeg mehura, usnih membrana, i sistema kapilara koji su prvobitno bili uključeni u sistemsku cirkulaciju.

Slika 3.7. Različite organizacije sistema za cirkulaciju u zavisnosti od respiratorne površine preko koje se usvaja O2.

Kao primer može da posluži električna jegulja Electrophorus electricus, koja isključivo koristi kiseonik iz vazduha. Njene škrge su toliko redukovane da više nemaju ulogu u usvajanju kiseonika, te se kiseonik najvećim delom usvaja u usnoj šupljini i grkljanu. Unutrašnjost usne duplje je obložena izuzetno dobro vaskularizovanim tkivom koje formira udubljenja i brazde, tako da čitava unutrašnjost podseća na crveni karfiol. Samim tim, i sistem za cirkulaciju kod električne jegulje je doživeo određene promene. Aferentni krvni sud koji dovodi krv u usnu duplju je nastao od krvnog suda koji je dovodio krv u škrge. Eferentni krvni sud koji nosi oksigenisanu krv iz usne duplje se prazni u vene. To znači da se u venama i srcu oksigenisana krv iz usne duplje, kao organa za disanje, meša sa deoksigenisanom krvlju koja dolazi iz tkiva. Dakle, srce električne jegulje, pumpa mešavinu oksigenisane i deokisgenisane krvi kako u sistemske arterije, tako i u respiratorni organ. Stepen zasićenosti hemoglobina kiseonikom u takvoj krvi nikad ne prelazi 60-65%, iako je krv koja napušta usnu duplju kod električne jegulje 90% zasićena kiseonikom. Ribe plućašice Ribe plućašice imaju sistem za cirkulaciju različit od riba koje usvajaju kiseonik iz vazduha na neki od navedenih načina. Karakterističan primer je afrička plućašica iz roda Protopterus. Kod ove ribe se razvio sistem za cirkulaciju koji omogućava značajno razdvajanje oksigenisane od deoksigenisane krvi. Pluća Protopterusa imaju vensku mrežu krvnih sudova koja se drastično razlikuje od ostalih vrsta riba koje usvajaju kiseonik iz vazduha (ne preko pluća). Vene od pluća vode direktno u levi deo pretkomore srca, pri čemu izbegavaju spajanje sa venama sistemske cirkulacije. To znači da je krv iz pluća anatomski razdvojena od krvi u sistemskim venama sve do trenutka dok ne dospe u pretkomoru. Stoga venozni sinus isključivo prima deoksigenisanu krv iz sistemskih vena i usmerava je u desni deo pretkomore. Srce Protopterusa i ostalih plućašica je takođe drugačije nego kod ostalih riba. Pretkomora i komora su delimično, ali ne i kompletno podeljene septom na levi i desni deo. Conus arteriosus, koji je u obliku uvrnute cevi, poseduje greben koji delimično deli lumen conusa na dva posebna kanala. Ventralna aorta je potpuno odsutna kod riba plućašica, a četiri para aferentnih branhijalnih arterija polaze neposredno iz prednjeg dela conus arteriosusa, slično homolognim sudovima kod vodozemaca. Dva od četiri para aferentnih branhijalnih arterija koje polaze iz ventralnog dela conus arteriosusa formiraju direktnu vezu sa dorzalnom aortom. Druga dva para arterija koji polaze iz dorzalnog dela conus arteriosusa donose krv u rudimentarne škržne lamele i formiraju arterijske krvne sudove koji nose krv u pluća.

��

Slika 3.7. Krvni sudovi koji dovode krv u respiratorne organe kod Dipnoa.

3.4.2.2. Sistem za cirkulaciju kod vodozemaca (Amphibia)

Vodozemci koji dišu preko pluća imaju dve potpuno odvojene pretkomore i jednu komoru. Oksigenisana krv iz pluća ulazi u levu pretkomoru, dok pretežno deoksigenisana venska krv ulazi u desnu pretkomoru preko venoznog sinusa. Na taj način je obezbeđeno odvajanje oksigenisane od deoksigenisane krvi, sve do ulaska krvi u komoru. Komora vodozemaca nije prosta šupljina, već poseduje veliki broj krista i zatoka (uvrata) koje donekle sprečavaju mešanje krvi u srcu. Krv se iz komore prazni u kontraktilni conus arteriosus, a zatim u parne karotidne sistemske i plućne arterije. Kod većine vodozemaca se u unutrašnjosti konusa nalazi uvrnuti greben od endotelijalnog tkiva, koji nepotpuno deli conus arteriosus.

Slika 3.8. Srce žabe.

Premda postoji velika raznovrsnost među vodozemcima, jasno je da su mnogi od njih, uključujući žabe i daždevnjake, sposobni da selektivno distribuiraju krv kroz nepotpuno podeljen sistem za cirkulaciju. Žaba Rana catesbeiana je klasičan primer napred navedenog. Kada krv kod ove žabe ulazi u desnu pretkomoru zapreminska koncentracija kiseonika u krvi je 4.2%, a kada dolazi u levu prekomoru iz pluća koncentracija iznosi 8.6%. Krv koja odlazi u plućne arterije sadrži 4.4 zapreminska procenta kiseonika, dok krv u sistemskim arterijama ima 8.0% kiseonika. Ovi podaci govore da 91% krvi iz plućnih vena preko srca odlazi u sistemske arterije, dok 84% sistemske venske krvi dospeva u plućne arterije. Iz ovog primera vidimo da kod vodozemaca postoji visok stepen selektivne distribucije oksigenisane i deoksigenisane krvi, što omogućava efikasni transport kiseonika kod ovih organizama. Drugim rečima, kod žaba funkcioniše dvostruka cirkulacija.

Slika 3.9. Organizacija sistema za cirkulaciju kod žabe.Koža vodozemaca je veoma značajan respiratorni organ, pa cirkulacija u koži zaslužuje posebnu pažnju. Plućne arterije (arterije pulmocutaneus) pored toga što vode krv do pluća, istovremenu daju ogranke za kožu . To znači da se deoksigenisana krv pumpa ne samo u pluća nego i u kožu. Vene koje polaze iz kože se spajaju sa sistemskim venama, i ulivaju u sinus venosus. Sinus venosus i desna pretkomora primaju mešovitu tj. pretežno deoksigenisanu krv. Kada žaba roni, nema razmene gasova preko pluća, koža preuzima ulogu jedinog respiratornog organa i sistemska cirkulacija prema koži je povećana. Kao rezultat ovakvog preusmeravanja, mešovita venska krv koja se vraća u srce nosi više kiseonika.Srce žabe poseduje sistem za automatsku genezu i provodjenje akcionog potencijala sa predvodničkim tkivom najvećeg ritma smeštenim u venoznom sinusu. Takodje, rad srca može biti modulisan parasimpatičkim (inhibitorna) i simpatičkim (stimulatorna) vlaknima vegetativnog nervnog sistema.

��

3.4.2.3. Sistem za cirkulaciju kod gmizavaca (Reptilia)Kod gmizavaca se gubi conus arteriosus i arterije polaze direktno iz komore. Kod kornjača, zmija i guštera komora je obično nepotpuno podeljena mišićnim grebenima i septama u tri manje komore. Obzirom da je srce jednokomorno, za očekivati je da dolazi do mešanja deoksigenisane i oksigenisane krvi. Međutim, brojne studije su pokazale da ovi organizmi ispoljavaju visok stepen selektivne distribucije krvi (na primer, plućne arterije primaju isključivo deoksigenisanu krv). Tačan mehanizam ovakve distribucije nije u potpunosti obajašnjen i čini se da varira od grupe do grupe. Kornjače, zmije, gušteri i vodozemci spadaju u grupu organizama koji mogu da prekidaju disanje za odredjeno vreme. Tokom ovog perioda nepotpuno pregrađeno srce im omogućava usmeravanje krvi na takav način da se cirkulacija sinhronizuje sa ciklusima disanja. U suštini, ovi organizmi redistribuiraju tok krvi koja prolazi kroz centralnu cirkulaciju tako da povećavaju ili smanjuju priliv krvi u pluća. Obično ovi organizmi povećavaju tok krvi u pluća za vreme perioda kada koriste atmosferski kiseonik, a smanjuju za vreme perioda ronjenja. Među gmizavcima iz grupe Crocodylia komora je kompletno podeljena septumom na dva dela (komore). Međutim, to ne znači da je njihovo srce slično srcu ptica i sisara. Naprotiv, postoje velike razlike. Ovi gmizavci imaju dve sistemske aorte: levi aortin luk potice iz desne komore i prima deoksigenisanu krv, a desni aortin luk potiče iz leve komore. Dve aorte su neposredno u osnovi povezane otvorom koji se naziva foramen Panizza (Paničeov otvor). Plućne aterije polaze iz desne kmore. Funkcionalne studije su pokazale da srce krokodila i srodnih vrsta praktično ispoljava savršenu selektivnu distribuciju oksigenisane i deoksigenisane krvi. Deoksigenisana krv iz sistemskih vena dolazi u desnu pretkomoru, iz nje u desnu komoru, a zatim se dominantno pumpa u plućne arterije. Ovakvu selektivnost omogućuje i prisustvo zalistaka, kao i odnos pritisaka i otpora toku krvi u srcu (plućne arterije su većeg lumena, dakle pružaju manji otpor kretanju krvi), koji zajedno onemogućuju ulazak deoksigenisane krvi iz desne komore u sistemske aorte. Kada životinja roni, cirkulacija se menja: priliv krvi u pluća se smanjuje i preusmerava u levi aortin luk. Ovo preusmeravanje omogućava da cirkulacija potpuno zaobidje pluća u periodu kada je životinja pod vodom.

3.4.2.4. Sistem za cirkulaciju kod ptica (Aves) i sisara (Mammalia)Odvajanje puteva oksigenisane i deoksigenisane krvi tj. odvajanje sistemskog od plućnog krvotoka je potpuno kod

ptica i sisara. Funkcionalna posledica potpunog odvajanja dva krvotoka je mogućnost postojanja različitih pritisaka u sistemskoj i plućnoj cirkulaciji. Otpor koji arteriole i kapilari pružaju kretanju krvi kroz plućnu cirkulaciju je znatno manji od otpora u sitemskoj cirkulaciji, tako da je pritisak krvi u plućnoj cirkulaciji samo mali deo pritiska koji se generiše u sistemskoj cirkulaciji. Cirkulatorni sistem ptica i sisara je u osnovi vrlo sličan, iako postoje izvesne anatomske razlike. Na primer, sisari su zadržali levi aortin luk, dok ptice imaju desni aortin luk. Fiziološki značajna razlika se odnosi na renalni potralni krvotok koji su zadržale ptice, a nema ga kod sisara. Naime, bubrezi svih kičmenjaka sa izuzetkom sisara, primaju vensku krv iz zadnjeg dela tela tj. imaju razvijen bubrežni portni sistem. Ova razlika je značajna za razumevanje funkcije bubrega koja će biti objašnjena kasnije.

Slika 3.10. Tok krvi kroz srce krokodila. Kada životinja udiše atmosferski vazduh, krv iz desne komore teče u plućnu arteriju. Pritisak koji se generiše u desnoj komori tokom sistole nije naročito visok tj. niži od pritiska u levom aortinom luku, tako da je zalistak izmedju desne komore i leve aorte zatvoren. Krv se iz leve komore uglavnom pumpa u desni aortin luk; nešto krvi može da dospe u levu aortu preko foramena Paniče. Kada životinja roni, promene u pritisku tokom sistole desne komore dovode do otvaranja zaliska izmedju desne komore i levog aortinog luka, tako da se deo krvi kontrakcijom desne komore, pumpa u levu aortu i time zaobilaze pluća. Na ovaj način, nekompletno podeljena cirkulacija kroz srce, omogućava smanjen priliv krvi u pluća dok životinja roni.

��

Slika 3.11. Organizacija sistema za cirkulaciju kod sisara i ptica.

Srce ptica i sisara se sastoji od pretkomore koja je podeljena na levu i desnu, i snažne mišićne komore, koja je takođe podeljena na levu i desnu polovinu. Krv iz pluća preko plućnih vena ulazi u levu pretkomoru, a zatim u levu komoru, iz koje se izbacuje u aortu, koja daje ogranke za glavu, ruke, abdomen i ostale regione tela, kao i za sam miokardijum (koronarna cirkulacija). Između leve pretkomore i komore srca se nalaze zalisci (bikuspidalni zalistak ili mitralni) koji se sastoje od vezivnog tkiva prekrivenog endotelijalnim tkivom, a slične strukture se javljaju i između leve komore i aorte. Ovi zalisci usmeravaju krv u jednom smeru, sprečavajući vraćanje krvi prilikom kontrakcije komore. Nakon što krv uđe u aortu raspoređuje

se po sistemskim tkivima, da bi se vratila u srce preko venskog sistema (velikih šupljih vena). Iz šupljih vena krv prvo ulazi u desnu pretkomoru, a zatim i u desnu komoru. Funkcija “desnog” srca je pumpanje krvi kroz plućnu cirkulaciju, odnosno usmeravanje krvi u plućne arterije koje nose deoksigenisanu krv u pluća. I u ovom procesu učestvuju zalisci, postavljeni između desne pretkomore i komore (trikuspidalnih zalisaci), kao i između komore i pulmonarnog stabla (pulmonarni ili semilunarni zalistak), koji sprečavaju vraćanje krvi u suprotnom smeru.

3.4.2.4.1. Srčani ciklusRazdoblje od završetka jedne kontrakcije srca do završetka druge kontrakcije naziva se srčani ciklus. Srčani ciklus započinje kada se u sinoatrijalnom (SA) čvoru generiše akcioni potencijal. Zbog karakteristika provodnog sistema koji vodi impuls iz pretkomora u komore, impuls prolazi kroz komore za 1/10 sekunde kasnije nego kroz pretkomore.

Slika 3.13. Sistem za genezu, provodjenje impulsa i širenje depolarizacije krozsrcesisara.

To omogućava da se pretkomore kontrahuju pre komora i ubace krv u komore pre nego što se komore počnu kontrahovati. Prema tome, pretkomore pumpaju krv u komore, a komore zatim svojom kontrakcijom generišu glavninu sile koja pokreće krv kroz sistem krvnih sudova. Srčani ciklus obuhvata dve faze: relaksacije (dijastole) i kontrakcije (sistole). Za vreme dijastole srčane šupljine se pune krvlju, a u sistoli srce izbacuje krv dalje u arterije. Analizom pritisaka i kretanja krvi tokom ova dva perioda može se razumeti rad srca kao pumpe. Kao primer može da nam posluži “levo” srce kod čoveka (leva pretkomora i komora). Slika 3.12. Srcesisara.

��

Slika 3.14. Srčani ciklus

Odnos EKG zapisa i srčanog ciklusa. Na slici su prikazana dešavanja u toku srčanog ciklusa: gornja kriva pokazuje EKG; sledeće tri promene pritiska u aorti, levoj pretkomori i levoj komori; treći dijagram pokazuje promene u volumenu komore; i četvrti protok krvi kroz ventrikul. Uporedimo li EKG zapis sa krivom koja prikazuje promene pritiska u pretkomori videćemo da P talas, koji je odraz širenja depolarizacije po miokardu pretkomore, predhodi sistoli pretkomore. Ova depolarizacija traje 0.15 sekundi, a u 0.16 sekundi depolariše se komora tj. pojavljuje se QRS kompleks (komorni kompleks) i započinje sistola komore. Ovo zakašnjenje omogućava pretkomori da ubaci krv u

komoru pre nego što one započnu kontrakciju. T talas pokazuje repolarizaciju komore i nastaje nešto pre nego što se završi sistola komore. PQ interval u EKG zapisu (vreme od početka P talasa do početka Q talasa) približno odgovara vremenskom razdoblju izmedju sistole atrijuma i početka sistole komore. QT interval (vremensko razdoblje od Q talasa do kraja T talasa) je obično nešto kraći od ukupnog trajanja sistole. Pretkomora kao pumpa. Krv iz velikih vena neprekidno teče u pretkomoru, prolazi kroz predkomoru, tako da oko 70% krvi stigne u komoru pre nego što se pretkomora kontrahuje. Kontrakcijom pretkomore, u komoru, se ubacuje preostalih 30% krvi. Analizom zapisa promene pritisaka u pretkomori mogu se videti 3 karakteristična talasa: talas “a” nastaje usled kontrakcije pretkomore i pokazuje promenu pritiska od 7-8 mmHg (u desnom 4-6 mmHg); talas “c” nastaje jednim delom zbog toga što se nešto krvi za vreme kontrakcije komore vraća nazad u pretkomore (regurgitacija), a delom što se AV zalisci, koji su se zatvorili, izbočuju u pretkomore usled porasta pritiska u komori; talas “v” nastaje zbog nakupljanja krvi u pretkomori, koja pristiže iz velikih telesnih vena tokom sistole komore (AV zalisci su zatvoreni). Kada se završi kontrakcija komore AV zalisci se otvaraju i krv ističe u komore, pa i v talas nestaje. Komora kao pumpa. Nakon završetka sistole komore u pretkomori se nakupila velika količina krvi, koja kad pritisak u komori padne i otvore se AV zalisci, utiče u komoru. To je razdoblje brzog punjenja i odgovara prvoj trećini dijastole. Za vreme druge trećine dijastole u komoru utiče mala količina krvi tj. krv koja i dalje pristiže iz vena, protiče kroz pretkomoru i dospeva u komoru. Ova faza se naziva dijastaza. U toku zadnje trećine dijastole, sistolom pretkomore u komoru se ubacuje preostalih 30% krvi. Kada komora počne da se kontrahuje, pritisak unutar komore vrlo brzo prevazilazi onaj u pretkomori što dovodi do zatvaranja AV zalistka. Potrebno je da prodje 0.02-0.03 sekunde da pritisak u komori poraste iznad pritiska u aorti (ili areteriji pulmonalis) iI da dodje do otvaranja semilunarnog zalistka i izbacivanja krvi u aortu. Ovaj interval kada su oba zalistka zatvorena a komora se kontrahuje ali još uvek nema izbacivanja krvi se naziva razdoblje izometrijske kontrakcije. Kada se pritisak na ušću aorte poveća iznad 80 mmHg (na ušću plućne areterije iznad 8 mmHg) otvoriće se semilunarni zalistak i započeće izbacivanje krvi u aortu. Komora se napola isprazni za vreme 1/4 sistole komore, a preostala krv se isprazni u naredne 3/4 sistole. U toku zadnje četvrtine (ili zadnje petine) sistole komore, krv gotovo uopšte ne teče u aortu, iako i dalje traje kontrakcija komore. Ovaj period se naziva protodijastola. Usled relaksacije miokarda

��

pritisak u komori pada ispod onog u aorti, što dovodi do zatvaranja semilunarnog zalistka. U toku sledećih 0.03-0.06 sekundi relaksacija miokarda komore se nastavlja, pritisak i dalje opada, a kada padne na vrednost ispod pritiska pretkomore AV zalistak se otvara i započinje novi ciklus punjenja komore. Zapremina krvi koja se izbaci iz srca u arterije po jedinici vremena se naziva minutni volumen srca. Minutni volumen srca je rezultat brzine rada srca i zapremine krvi koja se ispumpa po srčanom ciklusu i naziva se udarni volumen. �.�.2.�.2. Vaskularni sistem kod ptica i sisara.Kao što je već spomenuto, krvotok ptica i sisara se može podeliti na dva odvojena dela. Deoksigenisana krv ulazi u desnu polovinu srca preko velikih šupljih vena, a zatim se iz desne komore pumpa u pluća, gde se obavlja proces razmene gasova. Oksigenisana krv iz pluća preko plućnih vena ulazi u levu polovinu srca. Ovakav tok krvi se naziva mali ili plućni krvotok. Iz leve komore srca krv se putem aorte raspoređuje po svim tkivima organizma. Iz tkiva se krv skuplja u velike vene i odnosi u desnu polovinu srca. Ovakav tok krvi se naziva veliki ili sistemski krvotok. Struktura krvnih sudova. Za sve kičmenjake zajedničko je da su svi tipovi krvnih sudova sa unutrašnje strane obloženi jednim slojem epitelijalnih ćelija koji se naziva vaskularni endotel. Ćelije endotela ostvaruju direktan kontakt sa krvlju i stoga poseduju mnoge funkcije. Neke od njih sekretuju razne materije, poput prostaglandina, prostaciklina ili azot oksida, koje učestvuju u važnim procesima, kao što je kontrakcija i relaksacija muskulature krvnih sudova. Neke od njih, s druge strane, mogu da sintetišu hormone od njihovih prekursora. Mnogi endokrinolozi veruju da vaskularni endotel predstavlja jednu od najvećih endokrinih struktura u organizmu kičmenjaka.

ARTERIJE Sve velike arterije imaju debeo zid izgrađen od glatke muskulature sa mnogo elastičnih i kolagenih vezivnih vlakana. Ovakva histološka građa arterija omogućava transport krvi od srca do perifernih tkiva pod velikim pritiskom. Elastičnost obezbeđuje dve važne hidrodinamične funkcije: 1) otklanjanje oscilacija u pritisku i 2) održavanje rezervoara pritiska između sistola. Ukoliko bi srce izbacivalo krv u rigidne i neelastične sudove krvni pritisak u arterijama bi oscilirao gore-dole sa svakom kontrakcijom i relaksacijom srca. Srećom, arterije su elastične i šire se kada primaju krv od srca. Na račun širenja u zidu arterija se stvara potencijalna energija koja se oslobađa za vreme dijastole. Na taj način se između dve kontrakcije odžava pritisak u velikim arterijama i smanjuju varijacije u arterijskom pritisku.

Arterije postaju manje a njihovi zidovi tanji kako se granaju ka periferiji organizma. Na kraju arterije predaju mreži mikroskopski sitnih krvnih sudova koja se nalazi u svim organima i tkivima a naziva se mikrocirkulatorna mreža. Ova mreža se sastoji od tri tipa krvnih sudova: arteriola, kapilara i venula.ARTERIOLE Iako sitne, imaju istu strukturu kao i arterije. Zid arteriola se sastoji od glatkog mišićnog tkiva i vezivnog tkiva. Može se reći da je zid arteriola veoma bogat ovim tipovima tkiva, tako da je u poređenju sa njihovim dimenzijama čak relativno debeo. Na primer, prečnik lumena arteriola je oko 30 µm, dok je debljina zida oko 20 µm. Glatka muskulatura u zidu arteriola igra značajnu ulogu u vazomotornoj kontroli. Pri kontrakciji i relaksaciji glatke muskulature menja se prečnik krvnog suda i time se menja brzina protoka krvi kroz kapilarnu mrežu. Od arteriola krv odlazi u kapilare. Na mestu odvajanja kapilara nalazi se prekapilarni sfinkter, izgradjen od kružnih glatkih mišića, koji mogu da kontrolišu kretanje kroz kapilarnu mrežu. Mreža kapilara spaja arteriole i venule, medjutim prelazak krvi iz arteriole u venulu može biti i direktan, preko arterio-venskih anastomoza. Zid kapilara se sastoji samo od vaskularnog endotela – jednog sloja pločastih ćelija koje naležu na spoljašnju bazalnu membranu. Zid kapilara je veoma tanak i porozan u izvesnoj meri, te su kapilari mesta razmene gasova i drugih materija između krvi i tkiva.

Slika 3.15. Mreža kapilara.

KAPILARNA MREŽA Sastoji se od velikog broja kapilara koji se granaju između ćelija i tkiva. Lumen kapilara je često takvih dimenzija da jedva omogućava prolazak eritrocita

�0

u nizu jedan za drugim. Gustina kapilarne mreže varira među tkivima. Najgušća je u skeletnoj muskulaturi, miokardu i mozgu. U ovim tkivima površina za razmenu gasova i drugih materija koju obezbeđuje kapilarna mreža je zapanjujuća. Kubni centimetar skeletne muskulature ili srčanog mišića može da sadrži 10-20 metara kapilara. Takođe, moguće je formiranje novih kapilara, ali i nestanak starih za vreme aklimatizacije, starenja ili bolesti. Kapilarna mreža odvodi krv u venule, male krvne sudove sa tankim zidom koji sadrži vezivno i mišićno tkivo. Mreža kapilara nema iste ultrastrukturne karakteristike u svim organima. U zavisnosti od kontinuiteta endotelnih ćelija i bazalne membrane, razlikuju se tri tipa kapilara: kontinualni, fenestrirani i sinusoidni kapilari. Kontinualni kapilari, imaju u zidu bazalnu membranu i kontinualan niz endotelnih ćelija. Izmedju susednih endotelnih ćelija nalaze se prostori siroki oko 10 nm ispunjeni tzv. medjucelijskim cementom. Kapilari ovog tipa se nalaze u mišićima, koži, nervnom sistemu, plućima, vezivnom i masnom tkivu. Fenestrirani kapilari su izgradjeni od endotelnih ćelija izmedju kojih se nalaze fenestre tj. prostori dijametra 50-60 nm. Postojanje fenestri omogućava brzu razmenu materija. Fenestrirani kapilari se nalaze u egzokrinim i endokrinim žlezdama, tkivima koja vrse apsorpciju i bubrežnim glomerulima. Karakteristika sinusoidnih kapilara je da imaju velike intracelularne prostore izmedju endotelnih ćelija (preko 100 nm) i diskontinualnu bazalnu membranu. Intracelularne pukotine omogućavaju razmenu velikih proteinskih molekula i ćelijskih elemenata kao što su eritrociti. Nalaze se u kosnoj srži, slezini i jetri. Dakle, tip kapilara koji je zastupljen u pojedinim organima je povezan sa specifičnom funkcijom organa. Kapilari su odgovorni i za postojanje tzv. krvno-tkivnih barijera. Tako na primer, zahvaljujući odredjenoj strukturi kapilara u CNS, postoji krvno-moždana barijera koja je od suštinskog značaja za funkciju CNS, tako što ga štiti od perifernih uticaja. Takodje, postojanje krvno-testikularne barijere, obezbedjuje mikrosredinu neophodnu za odvijanje spermatogeneze a istovremeno sprečava prodor produkata ćelijske deobe u opštu cirkulaciju.

VENE Krv se iz venula do srca odvodi sistemom venskih sudova. Obzirom da krvni pritisak opada kako krv napušta mikrocirkulatornu mrežu, zid vena ne mora da se opire visokom pritisku, i otuda je tanak u poređenju sa onim kod arterija. Vene poseduju pasivne jednosmerne zaliske. Ovi zalisci su listaste tvorevine tkiva oblikovane tako da omogućuju neprekidan tok krvi ka srcu, a sprečavaju obrnut tok. Pritisak krvi koji generiše srce se u izvesnoj meri zadržava u venama, što takođe pomaže kretanju krvi

ka srcu. Još jedna sila koja u značajnoj meri potpomaže tok krvi u venama je sila koja nastaje kontrakcijama skeletne muskulature. Prilikom kontrakcije mišića dolazi do kompresije zida vena i zadržavanja krvi u okolnim venama. S`obzirom da venski zalisci sprečavaju vraćanje krvi tj. favorizuju kretanje krvi kroz vene samo u jednom smeru, rezultat rada skeletne muskulature je kretanje krvi ka srcu.Funkcija krvnih sudova. U pogledu funkcije krvni sudovi se mogu podeliti u nekoliko kategorija.Krvni sudovi visokog pritiska – održavaju visok pritisak i na taj način definišu visinu pritiska u arterijskom sistemu. To su aorta i arterije većeg dijametra. Krvni sudovi stabilizatori pritiska – pružaju otpor kretanju krvi i na taj način održavaju nivo arterijskog krvnog pritiska. To su arterije manjeg dijametra i arteriole.Krvni sudovi usmerivači kapilarnog krvotoka – su arteriole, metaarteriole i prekapilarni sfinkteri (koji broj funkcionalnih kapilara).Krvni sudovi za razmenu materija – su kapilari.Krvni sudovi za akumulaciju – su vene manjeg dijametra i venule koje imaju sposobnost da promenom dijametra nakupljaju krv.Krvni sudovi za vraćanje krvi u srce – vene većeg dijametra i velike telesne vene (šuplje vene) kojima se krv vraća u desnu pretkomoru.Krvni sudovi za povezivanje («šantovanje») – povezuju arteriole i venule ili arterije i vene, tako što se zaobilazi mreža kapilara.Resorptivni sudovi – su limfni sudovi (limfni kapilari i limfni sudovi) u koje se reapsorbuju proteini i višak intersticijalne tečnosti i tako transportuju nazad u krv.

�.�.2.�.�. Pritisak, otpor i tok krvi u sistemu za cirkulacijuKrvni pritisak nastaje radom srca ili aktivnošću nekog mišićnog organa koji dovodi do kretanja krvi kroz sistem krvnih sudova. Krvni pritisak predstavlja veličinu koja opisuje za koliko je pritisak krvi veći od pritiska u spoljašnjoj sredini. Izražava se u u kilopaskalima (kPa) ili u milimetrima živinog stuba (mmHg), što je uobičajeno u medicini. Kada kažemo da je krvni pritisak 10 kPa ili 75 mmHg to znači da je krvni pritisak veći za 10 kPa ili 75 mmHg od pritiska spoljašnje sredine koji okružuje životinju. U arterijama krvni pritisak pada i raste za vreme srčanog ciklusa. Najveći pritisak se javlja za vreme sistole srca i naziva se sistolni pritisak, dok se najniži javlja za vreme relaksacije srca i naziva se dijastolni pritisak. Pored pritiska koji se javlja kao posledica srčanog rada, opštem pritisku u krvnim sudovima doprinosi i hidrostatički

�1

pritisak. Zbir dva napred navedena pritiska predstavlja totalni pritisak u krvnim sudovima. Zbog postojanja hidrostatičkog pritiska krvni pritisak raste u krvnim sudovima koji se nalaze dalje ispod srca. Tako, na primer, kod osobe koja stoji krvni pritisak je mnogo veći u nogama nego u aorti. S druge strane, u krvnim sudovima koji se nalaze iznad srca krvni pritisak je mnogo manji i smanjuje se za 10 mmHg na svakih 13 cm iznad srca u krvnim sudovima vrata i glave. Kretanje krvi kroz krvne sudove se obavlja pre zahvaljujući ukupnoj energiji fluida nego zbog razlike pritisaka. Ova ukupna energija se sastoji iz tri različite forme energije: 1) energija koja nastaje kao posledica srčanog rada, pri čemu dolazi do formiranja potencijalne energije krvi; 2) kinetička energija same krvi; 3) potencijalna energija koja nastaje usled položaja tela u Zemljinom gravitacionom polju. Karakterisitčan primer uticaja ukupne energije fluida na kretanje krvi je kretanje krvi od aorte u arterije nogu. Samo na osnovu razlike u pritiscima za očekivati je da krv teče iz nogu u aortu, zbog postojanja hidrostatičkog pritiska koji je u arterijama nogu veći za 10 kPa. Međutim, to se ne dešava, jer pored potencijalne energije koju stvara samo srce, a koja je veća u aorti nego u arterijama nogu, od presudnog značaja je i potencijalna energija koju stvara položaj tela u odnosu na Zemljino gravitaciono polje. Krv u aorti ima mnogo veću potencijalnu energiju položaja nego arterije nogu. Uzimajući sve ovo u obzir, ukupna energija fluida u aorti je veća nego u nogama što dovodi do kretanja krvi u pravcu aorta-arterije nogu. Brzina kretanja krvi kroz krvne sudove predstavlja onu zapreminu krvi koja proteče u određenom vremenskom periodu kroz određenu površinu i izražava se u ml/min. Ona zavisi od razlike u pritiscima koji vladaju na krajevima kvnog suda, lumena i dužine krvog suda, kao i od viskoznih osobina krvi ili telesne tečnosti. Ovaj zakon se naziva Poiseuille-ov zakon ili Hagen-Poiseuille-ov zakon, po Jean Poiseuille-u (1797-1869) i Gotthilf Hagen-u (1797-1884).

Q=∆P/R ; Q – tok krvi kroz krvni sud, ∆ P – gradijent pritiska u krvnom sudu, R- otpor

Prema ovom zakonu, ako se poveća razlika u pritiscima na krajevima krvog suda doći će i do povećanja brzine kretanja krvi. Takođe, povećanjem viskoznosti krvi smanjuje se brzina protoka iste. Poiseuille-ov zakon je primenjiv na jednostavne fluide, kao što je proticanje vode kroz tvrde cevi koje se ne granaju. Međutim, krv nije jednostavni fluid jer sadrži suspendovane ćelijske elemente i protiče kroz krvne sudove koji ne predstavljaju rigidne, već elastične tvorevine. Bez obzira na ovo, pokazano je da se Poiseuille-ov zakon može

primenti na kretanje krvi kroz krvne sudove, jer prilikom mišićne kontrakcije dolazi do promene radijusa krvnog suda usled pritiska što uslovljava i promenu u brzini kretanja krvi. Još jedan činilac se mora uzeti u obzir kada se govori o kretanju krvi kroz krvne sudove, a to je otpor kretanju krvi. Ukoliko se otpor kretanju krvi kroz krvne sudove poveća paralelno dolazi do smanjenja brzine proticanja krvi kroz te krvne sudove. Koristeći Poiseuille-ov zakon možemo zaključiti da je otpor obrnuto proporcionalan četvrtom stepenu radijusa krvnog suda. To znači da sa smanjenjem radijusa krvnog suda za pola dolazi do povećanja otpora kretanju krvi za faktor 16. Ako se tečnost kreće ravnomerno i bez turbulencija kroz krvni sud, ona se kreće u slojevima (laminama) koji se razlikuju prema brzini kretanja krvi. Ovakav tip kretanja se naziva laminarno kretanje. Sloj krvi koji se nalazi u kontaktu sa krvnim sudom se uopšte ne kreće ili se kreće jako sporo, dok se krv u slojevima koji idu ka centru krvnog suda sve brže i brže kreće kako je sloj bliži centru. Pošto se slojevi kreću različitom brzinom između dva sloja u kontaktu javlja se određeno trenje. Stepen trenja zavisi delimično od dimenzija krvnog suda, ali i od osobina tečnosti, pre svega viskoznosti.

Slika 3.16. Laminarno kretanje krvi kroz krvni sudViskoznost predstavlja odsustvo ili prisustvo trenja izmedju dva sloja u kontaktu koji se kreću različitim brzinama. Tečnosti koje se odlikuju velikim trenjem su vrlo viskozne i ispoljavaju tzv. sirup viskoznost. Usled međusobnog trenja slojeva krvi dolazi do gubitka kinetičke energije tokom kretanja krvi kroz krvni sud, što dovodi i do pada pritiska

�2

na kraju tog suda. Pritisak na početku krvnog suda koji se formira radom srca predstavlja potencijalnu energiju kretanja krvi. Jedan deo te energije se konvertuje u kinetičku energiju - energiju koja omogućava sam proces kretanja krvi. Tokom kretanja krvi, usled trenja koje se javlja kao posledica laminarnog toka krvi, jedan deo kinetičke energije se gubi kao toplota kako bi se prevazišlo trenje. Deo pritiska se konvertuje u toplotu i stoga krv koja izlazi iz krvnog suda ima manji pritisak nego ona na ulasku u isti. Gubitak pritiska je različit za različite krvne sudove. Kod nekih je veoma mali (radijalna arterija u zglobu ima za samo 0.5 kPa niži pritisak od aorte), dok je kod nekih krvnih sudova pad pritiska mnogo veći, što ukazuje na velike troškove kretanja krvi kroz takve sudove. Krvni pritisak koji se održava u sistemskoj cirkulaciji kod ptica i sisara je najveći u životinjskom carstvu. Potreba za visokim pritiskom kod ovih životinja je nastala kao odgovor na povecan otpor u krvnim sudovima. Otpor kretanju krvi kroz sistemsku cirkulaciju je velik. Da bi održali visoku brzinu kretanja krvi uprkos velikom otporu, ptice i sisari moraju da stvore visok krvni pritisak u sistemskim arterijama. Prema Poiseuille-ovoj jednačini, krvni sudovi malog radijusa prave najveći otpor kretanju krvi. Kod zatvorenog sistema za cirkulaciju svako tkivo je gusto protkano mikroskopski sitnim krvnim sudovima kroz koje krv mora da prođe. Ovi sitni krvni sudovi stvaraju veliki otpor.Krv iz srca preko aorte dospeva do svih većih arterija sa vrlo malo gubitaka u pritisku. Prilikom kretanja kroz arteriole i kapilare dolazi do značajnijeg gubitka pritiska, jer ovi krvni sudovi imaju male radijuse. Na kraju, prilikom ulaska krvi u mikrocirkulaciju tkiva, srednja brzina kretanja krvi drastično opada. Iako svaki pojedinačni kapilar ima veoma mali poprečni presek, njihov zbirni poprečni presek je veoma velik, obzirom na brojnost kapilara, i daleko prevazilazi poprečni presek aorte. Kapilari su veoma kratki, manje od 1 mm u dužinu, tako da krv kroz njih mora da prolazi veoma sporo, kako bi stigla da se izvrši razmena materija na nivou kapilara. U venskom delu sistemski pritisak je mali, kao i otpor krvnih sudova. Pritisak koji je stvorila leva komora srca se najvećim delom izgubio u vidu toplote do trenutka kada krv iz šupljih vena pređe u desnu pretkomoru. Za razliku od sistemske, plućna cirkulacija je mnogo kraća i ne poseduje arteriole. Iz tog razloga je otpor u plućnoj cirkulaciji mnogo manji nego u sistemskoj, a samim tim je i arterijski pritisak mnogo manji. Na primer, pritisak u plućnim arterijama, koji nastaje radom desne komore, je oko 1.9 kPa, nasuprot 12.7 kPa u aorti. Takođe, razmena gasova u plućima zahteva da plućni kapilari budu u tesnom kontaktu sa prostorom ispunjenim vazduhom. Ukoliko bi u plućnoj cirkulaciji postojao sistem visokog pritiska i visokog

otpora krvnih sudova, došlo bi do izlaska tečnosti iz kapilara, koja bi napunila plućne alveole i sprečavala razmenu gasova. Do ovoga ne dolazi, zato što je plućna cirkulacija sistem niskog pritiska. Samo u određenim patološkim stanjima može doći do povećanja pritiska i izlaska tečnosti u plućne alveole, što se naziva plućni edem.

�.�.2.�.�. Regulacija toka krviKod kičmenjaka je došlo do razvoja višestrukih regulatornih mehanizama kardiovaskularnog sistema. Ovi mehanizmi omogućuju redistribuciju krvi u organizmu, u zavisnosti od potreba, a time i povećan ili smanjen gubitak toplote.

Regulacija protoka je omogućena promenom srčane aktivnosti, promenom dijametra krvnih sudova (uglavnom arteriola) tj. otpora koji oni pružaju protoku krvi, i promenom kapaciteta venskih sudova tj. količine krvi u venama.

Tabela 3.1. Faktori koji utiču na regulaciju toka krvi

Vazokonstrikcija Vazodilatacija

Lokalni faktori⇓lokalnetemperature ⇑CO2i⇓O2

⇑K+,adenozina,laktata⇓lokalnepH⇑lokalnetemperature

Produkti endotelaEndotelin-1 NOSerotonin, lokalno produkovan iz trombocita

Kinini

Tromboksan A2 ProstacikliniHormoniAdrenalin (sa izuzetkom skeletne muskulature i jetre)

Adrenalin u skeletnoj muskulaturi i jetri

Noradrenalin CGRPαAVP SupstancaPAngiotenzin II HistaminInhibitor Na+-K+ ATP-aze u cirkulaciji ANP

NeuropeptidY VIP

Neuralni faktori

⇑ odašiljanje iz noradrenergičnih vazomotornih nerava

⇓ odašiljanje iz noradrenergičnih vazomotornih nerava

Aktivacija holinergičnih vlakana u skeletnoj muskulaturi

��

Slika 3.17. Vazodilatacija posredovana NO poreklom iz endotelnih celija.

Promena otpora kretanju krvi se ostvaruje kontrakcijom ili relaksacijom krvnih sudova tj. vazokonstrikcijom i vazorelaksacijom. Dijametar arteriola se delimično reguliše mehanizmima autoregulacije tj. sposobnosću odredjenog tkiva da reguliše sopstveni protok krvi. U aktivnim tkivima tok krvi je ubrzan, zahvaljujući lokalno produkovanim metabolitima koji imaju vazodilatatorni efekat, signalnim molekulama poreklom iz endotela, vazoaktivnim substancama iz opšte cirkulacije, kao modulacijom aktivnosti nervnih vlakana koja inervišu arteriole. Tabela 3.1. sadrži sumaran prikaz faktora koji regulišu protok krvi kroz odredjeno tkivo.

3.4.2.4.5. Razmena tečnosti na nivou kapilaraU kapilarima, kao i u intersticijalnom prostoru se nalazi tečnost: krvna plazma unutra i ekstracelularna tečnost sa spoljašnje strane krvnog suda (intersticijalna tečnost). Srednji krvni pritisak u kapilarima je obično veći od hridrostatičkog pritiska ekstracelularne tečnosti oko kapilara. Ova razlika u pritiscima omogućava da tečnost iz krvne plazme prelazi kroz kapilarni zid u intresticijalni prostor. Ovaj proces se naziva ultrafiltracija. S druge strane, krvna plazma ima veći osmotski pritisak od ekstracelularne tečnosti, koji omogućava kretanje vode u krvnu plazmu kroz kapilarni zid. Odnos hidrostatičkog i osmotskog pritiska će odrediti kretanje tečnosti u ili iz kapilara. Na osnovu rezultata Starlinga i Landisa sa kraja XIX i početka XX veka ustanovljen je model razmene tečnosti

kroz kapilarni zid za koji se veruje da je osnov razmene u mnogim tkivima. Osmotski pritisak krvne plazme je kod većine sisara veći od osmotskog pritiska tkivnog fluida za oko 25 mmHg (3.3 kPa) tokom cele dužine kapilara. Ova razlika zvana koloidno-osmotski pritisak krvne plazme se javlja zato što je plazma bogatija proteinima (albumini) od tkivne tečnosti. Ovi proteini veoma teško mogu da prođu kroz kapilarni zid. Na arterijskom delu kapilara hidrostatički pritisak krvne plazme je veći od pritiska tkivne tečnosti za više od 40 mmHg. Zbog toga što je hidrostatički pritisak koji je odgovoran za izlazak tečnosti iz kapilara veći od koloidno-osmotskog pritiska koji favorizuje ulazak tečnosti u kapilar, na arterijskom delu kapilara dolazi do filtracije tečnosti tj. do neto kretanja tečnosti u intersticijalni prostor (efektivan filtracijski pritisak od ≈ 13 mmHg). Kako krv prolazi kroz kapilar, tako hidrostatički pritisak krvi opada i postaje manji od koloidno-osmotskog te dolazi do refiltracije tj. kretanja tečnosti iz intersticijalnog prostora u kapilar. Naime, na venskom kraju kapilara hidrostatički pritisak iznosi ≈ 18 mmHg, pritisak prethodno profiltrovane tečnosti ≈ 2 mmHg, a koloidno-osmotski pritisak 25 mmHg, što dovodi do formiranja neto refiltracijskog pritiska od –9 mmHg. Na osnovu hipoteze Starlinga i Landisa može se zaključiti da krvna plazma gubi na zapremini na arterijskom delu kapilara, dok nadoknađuje zapreminu na venskom delu kapilara. Međutim, ipak se više tečnosti izgubi na arterijskom, nego što se nadoknadi na venskom delu kapilara. Višak tečnosti u intersticijalnom prostoru prelazi u limfni sistem koji na kraju tu tečnost vraća u krv.

Tabela 3.2. Pritisci koji obezbedjuju filtraciju/refiltraciju na nivou kapilara u skeletnom misiću.

Arterijski deo kapilara

Venski deo kapilara

Hidrostatički pritisak u kapilaru

40 mmHg 18 mmHg

Hidrostatički pritisak u intersticijumu

2 mmHg 2 mmHg

Onkotski pritisak u kapilaru

25 mmHg 25 mmHg

Neto 13 mmHg -9 mmHg

Limfotok.Tečnost koja se filtrira u intersticijalni prostor je limfa. Obično se, na venskom kraju kapilara, u krv ne vrati celokupna profiltrirana limfa, nego se preostali deo, polako drenira u limfne kapilare. Limfni kapilari se sakupljaju u veće limfne sudove, a ovi u još veće i na kraju limfa se drenira

��

u velike limfne sudove (kod sisara su to ductus thoracicus i ductus limphaticus dexter) koji se ulivaju u venski sistem. Smatra se da mali limfni sudovi imaju sposobnost slabe ritmične kontrakcije koja je odgovorna za nastajanje malog negativnog pritisaka koji favorizuje kretanje limfe u limfne kapilare. Može se reći, da je limfni sistem deo vaskularnog sistema, kojim se tečnost «izgubljena» na nivou kapilara, drenira nazad u cirkulaciju.Limfa se po svom sastavu razlikuje od krvne plazme, najviše po tome što sadrži manju količinu proteina. U stvari, količina proteina u limfi zavisi od organa tj. mesta njenog formiranja.

Tabela 3.3. Količina proteina u humanoj limfi u pojedinim organima.

Mesto formiranja limfe Količina proteina (g%)

Horoidnipleksus 0Cilijarno telo 0Skeletnamuskulatura 2Koža 2Pluća 4Gastrointestinalnitrakt 4.1Srce 4.4Jetra 6.2

Limfa ima sposobnost da u in vitro uslovima koaguliše, tj. sadrži faktore koagulacije. Takodje, limfom se transportuju masti absorbovane iz digestivnog trakta kao i limfociti koji recirkulišu u organizmu. Isto tako, antigen prezentujuće ćelije, putem limfe dospevaju do perifernog limfatičnog tkiva.

��

Uporedni pregled Funkcija Respiratornog Sistema 04Smatra se da je život nastao u sredini bez kiseonika (anoksičnoj sredini) koju su predstavljali anaerobni heterotrofi prisutni u okeanu skoro jedan bilion godina nakon formiranja Zemlje. Prema tome, anaerobni život postoji bar 3 500 miliona godina i koristi se mehanizmima anaerobne razgradnje hranljivih materija, a u cilju sinteze energije u formi molekula ATP. U anaerobnom okruženju prisutnost i veoma male količine O2 prouzrokovale bi probleme zbog produkcije veoma reaktivnih redukcionih sredstava, odnosno reaktivnih kiseoničnih čestica tzv. slobodnih radikala, uključujući super-oksidni anjon (O2

-); vodonik-peroksid (H2O2); hidroksilni radikal (OH-) i dr. Ove čestice su mnogo reaktivnije nego “normalni molekularni” O2 jer imaju nespareni elektron u zadnjoj elektronskoj orbitali, što ih čini veoma reaktivnim nukleofilnim radikalima, sposobnim da oštećuju molekule u funkcionalnoj organizaciji ćelije. Izgleda da su prvobitni mikroorganizmi morali razviti efikasne detoksifikacione mehanizme koji bi sprečili stvaranje ovih reaktivnih čestica i/ili njihovo efikasno i blagovremeno uklanjanje. Tokom evolucije, u ranom Prekambironu, razvio se sistem antioksidativne zaštite predstavljen sistemom enzima (super-oksid dismutaza; katalaza; glutation-peroksidaza; glutation-S-transferaza i dr.) i drugih molekula (vitamini C i E, β-karoten i dr.) koji efikasno uklanjaju reaktivne čestice kiseonika. Smatra se da kompleksni mehanizam citohromima posredovanih reakcija u mitohondrijama vodi poreklo od predačkih prokariotskih detoksifikacionih mehanizama koji su bili usmereni na anaerobne fermentativne procese, a potom su razvili mehanizme aerobne respiracije (oksidativne forforilacije) kojima se produkuje više energije (38 molekula

ATP) po jedinici ugljeničnog supstrata nego u reakcijama anaerobne razgradnje (2 molekula ATP).

Osnovne karaketeristike gasova u gasovitim i tečnim fluidimaUkupni pritisak mešavine gasova je suma parcijalnih pritisaka koju gasovi iskazuju individualno (Dalton-ov zakon). Parcijalni pritisak svakog gasa je nezavisan od prisutnosti drugih gasova. Koncentracija i parcijalni pritisak pojedinog gasa u smeši gasova su jednostavno-proporcionalne veličine, odnosno, što je koncentracija gasa u smeši gasova veća i njegov parcijalni pritisak je veći i obrnuto. Koeficijent proporcionalnosti svih gasova na datoj temperaturi je isti, jer se pokorava i korelira sa univerzalnim gasnim zakonima (podsetiti se iz fizike Bojl-Mariot-ovog, Gej-Lisak-ovog i dr. zakona relevantnih za fiziku fluida). Gasovi su rastvorljivi u tečnostima i grade tzv. prave rastvore, odnosno ne postoje mehurići gasova u tečnosti. U stanju dinamičke ravnoteže, parcijalni pritisak gasa u tečnoj fazi je jednak parcijalnom pritisku istog fasa u gasovitoj fazi sa kojom je tečna faza u kontaktu. I u tečnoj fazi je koncentracija odredjenog gasa u proporcionalnoj korelaciji sa parcijalnim pritiskom tog gasa u okolnom vazduhu. Koeficijent proporcionalnosti ove dve veličine se naziva apsorpcioni koeficijent i značajno varira u zavisnosti od vrste gasa, a veoma zavisi od temperature i saliniteta. Rastvorljivost gasova se smanjuje s povećanjem temperature, što se vidi ukoliko se posuda sa tečnosti prenese iz hladnog u topli prostor, posle odredjenog vremena će se u tečnosti formirati mehurići jer povećanje temperature smanjuje rastvorljivost i “gura” molekule gasa iz tečnosti.

��

Pored toga, rastvorljivost opada i sa povećanjem saliniteta, što je evidentno ukoliko se u gazirano piće doda šećer primetiće se “burno i zvučno” formiranje mehurića jer povećana koncentracija mineralnih materija “gura” molekule CO2 iz tečnosti. Generalno, imajući u vidu tri osnovna atmosferska gasa, O2 i N2 imaju prilično slabu rastvorljivost, dok je CO2 dobro rastvorljiv, te su stoga O2 i N2 prisutni u vodi u mnogo nižoj molarnoj koncentraciji nego u vazduhu, dok je koncentracija CO2 približno ista u oba medijuma.

Difuzija gasovaGasovi uvek difunduju iz regiona gde im je veći parcijalni pritisak (koncentracija) u regione gde je njihov parcijalni pritisak manji brzinom koja je proporcionalna razlici parcijalnih pritisaka izmedju dva regiona. Gas u sistemu je u stanju dinamičke ravnoteže ili ekvilibrijuma kada je njegov parcijalni pritisak isti u svim delovima sistema. Gasovi brže difunduju u vazduhu nego u vodi, što ilustruju Krogh-ovi difuzioni koeficijenti: 200 000 puta veći za O2 i 9 000 puta veći za CO2 u vazduhu nego u vodi pri temperaturi od 20 oC. Ukoliko se molekule gasa hemijski tansformišu i/ili kombinuju prestaju da imaju udela u parcijalnom pritisku gasa, a samom tim nemaju efekta ni uticaja na stepen difuzije gasa.

4.1. OSNOVNI PRINCIPI RESPIRACIJE I RAZMENE GASOVA

Količina dostupnog O2 u životnom okruženju tzv. “modernog” živog sveta varira prostorno i vremenski. Nekada su ta variranja velika u okviru istog staništa, te se životinje mogu naći u uslovima trenutne ili stalne hipoksije (smanjena koncentracija dostupnog O2) ili anoksije (popuno odsustvo dostupnog O2). Nekada ovu uslovi mogu biti praćeni povećanom koncentracijom CO2 (hiperkapnija). U pogledu osetljivosti na variranje koncentracije O2 životinje mogu ispoljavati dve vrste reakcija, te se svrstavaju u kiseonik-konformere i kiseonik-regulatore. Kiseonik-konformeri (nekoliko protozoa, većina knidarija, većina morskih crva, većina parazitskih crva, mali broj mekušaca i rakova, većina bodljokožaca i mali broj akvatičnih insekata) smanjuju potrošnju O2 sa smanjenjem koncentracije dostupnog O2 iz spoljašnje sredine. Generalno, konformnost prema kiseoniku je uobičajena kod morskih beskičmenjaka, posebno kod velikih sedentarnih formi ili manjih, ali i slabo aktivnih formi, kod kojih nisu razvijeni respiratorni organi niti cirkulatorni sistem. Nasuprot ovome, kiseonik-

regulatori (većina protozoa, slatkovodnih i terestrialnih anelida, većina mekušaca i rakova, manji broj akvatičnih i verovatno svi terestrični insekti i skoro svi kičmenjaci) održavaju svoju potrošnju O2 u nekim granicama promene O2 koji je dostupan iz spoljašnje sredine. Ove životinje regulišu i održavaju svoj metabolizam na normalnom niou do vrednosti tzv. kritičnog parcijalnog pritiska O2 (Pc) koji je specifičan za svaku vrstu. Da bi se održala homeostaza, potrebni su specifično dizajnirani mehanizmi kojima se obezbedjuje efikasna razmena gasova. Razmena (usvajanje i odavanje) gasova izmedju organizma i sredine u kojoj on živi uključuje tzv. mesto za razmenu koje je u kontaktu sa spoljašnjom sredinom preko veoma tankog epitelijalnog sloja i velike je površine. Pored toga neophodan je i bliski kontakt epitela sa cirkulišućim fluidima, kao i prisustvo transportnog sistema (respiratorni pigmenti i dr.) s obzirom na malu difuzionu sposobnost gasova. Kod većih žiotinja neophodna je i ventilacija ovih površina da bi dovoljna količina spoljašnjeg medijuma prošla korz mesto za razmenu. Prisustvo adekvatne ventilacije i/ili transportnog sistema je najvažnija determinanta za odredjivanje konformera ili regulatora, s obzirom da izgleda da su konformeri limitirani nesposobnošći da efikasno i dovoljno brzo transportuju O2 do metabolišućih tkiva. Distanca izmedju konformera i regulatora nije tako jasna i oštra, posebno kod regulatora sa visokim Pc. Pored toga, i beskičmenjaci i ektotermni kičmenjaci mogu da budu kiseonik-regulatori pri niskim temperaturama kada je potrošnja O2 prilično niska, a kiseonik-konformeri pri visokim temperaturama kada im je brzina metabolizma, pa samim tim i potrošnja O2 mnogo veća. Vrednost Pc može da se menja tokom aklimacije tj. smanjuje se nakon hipoksije, oslikavajući aklimaciju u jednoj ili više kompnenti (respiratorni sistem, cirkulacija, kardiovaskularna funkcija) koje obezbedjuju O2. Stoga, metabolički odgovor organizma na dostupnost O2 nije fiksan, nego se može kretati od konformiteta ka regulaciji, zavisno od uslova u spoljašnjoj sredini i individualnog “iskustva” organizma. Respiracija ili disanje je skup kompleksnih medjusobno povezanih procesa kojima se organizmu omogućuje, da preko snabdevanja kiseonikom i uklanjanja metaboličkih gaova, a uz adekvatnu ishranu i digestiju, obezbedi dovoljnu količinu energije koja je potrebna za održavanje homeostaze. Respiracija se odvija u dve osnovne faze. Prva podrazumeva razmenu gasova izmedju ćelija i sredine u kojoj organizam živi, a druga predstavlja ćelijsko disanje (unutrašnje disanje) odnosno korišćenje kiseonika za stvaranje energije preko procesa oksidativne fosforilacije. Na nivou mitohondrija

August Krogh (1874-1949) je jedno od najvećih, najuspešnijih i najpoznatijih imena u respiratornoj fiziologiji. Krog je prvi kvantifikovao kolika je distanca koju mogu molekule O2 da predju prostom difuzijom kako bi bile zadovoljene potrebe ćelije za O2, a u cilju održavanje i očuvanje energetske homeostaze. On je pokazao da O2 difunduje manjom brzinom kroz životinjsko tkivo nego kroz vodu, i na osnovu činjenica dostupnih u to vreme, zaključio je da je brzina difuzije O2 u životinjskim tkivima svega 1/3 u odnosu na brzinu difuzije O2 u vodi. Krogove teorije vezane za dinamiku kretanja i razmene gasova nisu osporene do danas. Jedna od njih, vezana za difuzionu distancu glasi: Difuzija od izvora velikog parcijalnog pritiska koz jednak medijum tkiva može se očekivati da će obezbediti uobičajene zahteve za O2 u stanju aerobnog metabolizma jedino na kratkom rastojanju (oko 1 mm ili manje). Difuzioni transport duž veoma malih distanci, kakva je ćelijska membrana, je veoma brz, ali dramatično opada sa povećanjem distance, te je potreban konektivni transport,odnosno transport strujanjem, koji vrše cirkulišuće telesne tečnosti.

��

je broj molekula O2 koji životinja ekstrahuje iz spoljašnje sredine i koristi, približno jednak broju molekula CO2 koji se produkuje u metabolizmu i koje životinja izbacuje u spoljašnju sredinu. Kod veoma malih životinja gasovi se samo procesom difuzije razmenju izmedju mitohondrija i spoljašnje sredine. Kod većih životinja je razmena gasova mnogo kompleksniji proces i uključuje i podrazumeva:

1) spoljašnju razmenu gasova koja predstavlja razmenu gasova (O2 i CO2) izmedju spoljašnje sredine i organizma, odnosno, njegove telesne tečnosti (hidrolimfe, hemolimfe, krvi). Ostvaruje se preko respiratornih površina koje omogućavaju prelazak molekula gasova (O2 i CO2) iz spoljašnje sredine u telesnu tečnost i obrnuto, odnosno obezbedjuju difuziju O2 iz spoljašnje sredine u organizam i difuziju CO2 iz organizma u spoljašnju sredinu. 2) transport gasova od respiratorne površine do ćelija tkiva koji se ostvaruje strujanjem cirkulišuće telesne tečnosti, ali uz učešće specifičnih respiratornih pigmenata koji se nalaze u telesnim tečnostima i tkivima, kao i hemijskih jedinjenja (bikarbonati u slučaju CO2; videti ranije, tekst o respiratornim pigmentima). Pored toga, kod nekih vrsta se transport ostvaruje kretanjem gasova kroz specifične respiratorne organe (npr. traheje).3) unutrašnju razmenu gasova koja se ostvaruje na niovu ćelija i predstavlja prelazak molekula gasova (O2 i CO2) iz telesne tečnosti u ćelije i u suprotnom smeru.

S obzirom da su razmena gasova izmedju telesnih tečnosti i respiratornih površina, kao i transport gasova respiratornim pigmentima, a potom razmena na nivou telesnih tečnosti i ćelija tkiva, opisana u tekstu o respiratornim pigmentima (Poglavlje 1.4), ovo poglavlje se odnosi samo na spoljašnju razmenu gasova i pokušaće da opiše evolutivno značajne mehanizme adaptacije koje su životinje razvile kako bi obezbedile svojim ćelijama dovoljnu količinu O2 za potrebe sinteze energije, a u cilju očuvanja homeostaze celokupnog organizma i opstanka.Fundamentalni koncept spoljašnje respiracije – U osnovi i pojednostavljeno, usvajanje i gubitak gasova životinje ostvaruju procesom jednostavne difuzije. Kiseonik uvek prolazi ćelijsku membranu procesom difuzije. To znači da će O2 ući u organizam samo ukoliko je njegov parcijalni pritisak sa spoljašnje strane veći od parcijalnog pritiska sa unutrašnje strane površine kroz koju se vrši razmena.

4.1.1. OSNOVNE KARAKTERISTIKE RESPIRATORNIH ORGANA I RESPIRATORNIH POVRšINA

Svi respiratorni organi su po poreklu derivati kože, tj. ektodermanog porekla ili derivati prednjeg creva, tj.

endodermalnog porekla. Da bi mogli da obavljaju funkciju razmene gasova većina respiratornih organa i površina poseduju osnovnu respiratornu jedinicu koja je gradjena od finog, niskocilindričnog, pločastog, jednoslojnog epitela tankih membrana (respiratorni epitel) koji je u bliskom kontaktu sa vaskularnim sistemom (lakunom kod otvorenog cirkulatornog sistema, ili kapilarom kod zatvorenog cirkulatornog sistema) i koji mora da bude vlažan kako se ne bi došlo do oštećenja i rupture osetljivih, finih membrana epitela. Iako vlažni sloj smanjuje difuziju gasova, veoma je važno njegovo prisustvo, posebno kod suvozemnih životinja. Vlažnost epitela kopnenih životinja obezbedjuju mukozne žlezde koje su smeštene ispod epitela. Pored toga, vlažnost obezbedjuje i kondenzovana vodena para poreklom od metaboličke H2O koja nastaje u suvišku u reakciji razgradnje H2CO3 na CO2 i H2O i difunduje u respiratorne organe. Respiratorni organi se prema funkciji u razmeni gasova mogu podeliti na:

1) osnovne respiratorne organe: integument, škrge, traheje i pluća2) pomoćne respiratorne organe: izmenjena crevna mukoza, riblji mehur i gasna žlezda, kao i vazdušne kese kod ptica

Da bi razmena gasova bila efikasna, neophodno je stalno obnavljanje spoljašnjeg medijuma koji je u kontaktu sa respiratornom površinom, odnosno ventilacija.

IntegumentIntegument je embrionalna tvorevina ektodermalnog porekla. Disanje preko integumenta predstavlja najrasprostranjeniji oblik disanja u živom svetu. Ne postoji ni jedna životinja kod koje bar u nekom minimalnom procentu nije zastupljen ovaj oblik disanja. Korišćenje integumenta kao respiratorne površine može biti: 1) osnovni i jedini tip disanja; 2) osnovni tip uz dodatak pomoćnih respiratornih organa; 3) pomoćna respiratorna površina koja se javlja uz neki osnovni tip.

ŠkrgeŠkrge predstavljaju evaginaciju ili invaginciju ektodermalnog (škrge beskičmenjaka) ili endodermalnog (škrge hordata) porekla. Široki spektar različito funkcionalno organizovanih škrga su delom prema poreklu, a delom prema nekoj funkcionalnoj osobenosti, podeljene u četiri osnovna podtipa: 1) kožne škrge; 2) trahealne škrge; 3) fizičke škrge; 4) škrge hordata. Prva tri tipa su zastupljena kod beskičmenjaka, a poslednji kod životinja koje imaju hordu. Škrge mogu biti: 1) osnovni tip uz dodatak pomoćnih respiratornih organa; 2) pomoćna respiratorna površina koja se javlja uz neki osnovni tip.

��

TrahejeTraheje prestavljaju duboke evaginacije kože te su ektodermalnog porekla. One su osnovni respiratorni organi većine životinja iz grupe Tracheata (Insecta, Miriapoda i neke Arachnoidea), a uz njih se integument koristi kao pomoćni respiratorni organ, ali u mnogo manjoj meri.

PlućaPluća predstavljaju endodermalne kesaste invaginacijeu faringsa koje sa spoljašnjom sredinom komuniciraju preko različito razvijenih disajnih puteva. Ukoliko su dobro razvijena, pluća predstavljaju u najvećem broju slučajeva osnovni respiratorni organ, ali mogu biti i pomoćni.

4.2. RAZMENA GASOVA KOD BESKIČMENJAKA

Zbog širokog spektra prilagodjenosti na različite uslove životne sredine, kod beskičmaenjaka su zastupljeni raznoliki oblici respiratornih organa i različite kombinacije razmene gasova: integument, kožne škrge, trahealne škrge, fizičke škrge, a kod nekih i primitivni oblici pluća (puževi plućaši).

4.2.1. RAZMENA GASOVA PREKO INTEGUMENTAIntegument je najzastupljeniji oblik respiratorne površine i, kao što je ranije pomenuto, odlikuje ga tanki, pločasti, niskocilindrični epitel koji je u bliskom kontaktu sa bogato vaskularizovanim subepitelijalnim tkivom. Pored toga, integument se odlikuje velikom vlažnošću kako bi se sprečilo oštećenje finog epitela. Razmena gasova preko integumenta je zastupljena u velikoj meri kod Annellida (Oligohaeta, Hirudinea) i kod njih je to osnovni tip respiratornog organa. Kod nekih organizama se javljaju i kožne škrge, ali samo kao pomoćni respiratorni organi sa minimalnim udelom u razmeni gasova. Integument se javlja kao osnovni tip respiratorne površine kod malog broja Polichaetae, a uz učešće kožnih škrga kao pomoćnog respiratornog organa, dok je kod većeg broja prestavnika ove grupe obrnuto: kožne škrge su osnovni respiratorni organ, a integument je pomoćni. Integument kao respiratorni organ je u velikoj meri zastupljen i kod grupa Trematodes i Nemertina, a delimično i u grupi Mollusca, kao i kod Ostracoda i Copepoda na mestima gde je kutikula istanjena. Kod grupe Insecta, integument ima značajnu (95%-97%) ulogu isključivo u eliminaciji CO2. Kod svih beskičmenjaka integument ima funkciju u eliminaciji bar 3% CO2.

4.2.2. RAZMENA GASOVA PREKO šKRGA BESKIČMENJAKAŠkrge većine akvatičnih bekičmenjaka su evoluirale nezavisno i prestavljaju široki spektar morfoloških adaptacija

koje prema tome uslovljavaju i različite i brojne načine ventilacije škrga. Interesantno je da veoma jednostavan tip respiratorne površine može procesom diverzifikacije dati veliki broj različitih načina razmene gasova u okviru jedne filetičke grupe.

Slika 4.1. Različiti tipovi škrga kod akvatičnih vertebrataPreuzeto uz modifikacije iz Hill, Wyse i Anderson: Animal Physiology ( 2004)

Ovaj osnovni princip je veoma lepo ilustrovan u grupi mekušaca (Mollusca) kod kojih je funkcija većine respiratornih organa vezana za plaštanu duplju i/ili su locirani u plaštanoj duplji. Iako i akvatični puževi i lamelibranhijate primenjuju ventilaciju škrga uz pomoć cilija, kod puževa su škrge umerene veličine i poredjane su kao listovi letaka, dok su kod lamelibranhijata one veoma velike površine (kao tabaci “plakata” u odnosu na letke). Kod nekih cefalopoda (oktopusa) se ventilacija škrga postiže aktivnim učešćem mišića. Za razliku od akvatičnih organizama, većna kopnenih puževa je prelaskom na kopneni način života izgubila škrge i razmenu gasova vrši preko primitivno razvijenih pluća (difuziona pluća) koje vode poreklo od plašta a ventiliraju se difuzijom gasova.

��

Slika 4.2. Različiti tipovi respiratornih površina kod mekušaca (Mollusca)Preuzeto uz modifikacije iz Hill, Wyse i Anderson: Animal Physiology ( 2004)

4.2.2.1. Razmena gasova preko kožnih škrgaKožne škrge nastaju evaginacijom ektoderma i najprostije su gradjene kod bodljokožaca. Zid tih evaginacija čini fini, respiratorni epitel, a O2 koji je rastvoren u vodi difunduje kroz respiratorni epitel u celomsku tečnost. Nešto složenije gradje su kožne škrge lamelibranhijata koje predstavljaju listolike nabore u vidu lamela koje su organizovane u pravilne redove. Još složeniju gradju imaju škrge filibranhijata jer su listići-lamele još tanje i zbijenije, ali veće površine, a postoje i poprečne veze izmedju lamela, što škrgama daje izgled rešetkastih ploča. Škržne lamele su pokrivene finim, tankim, pločastim, trepljastim epitelom koji je u bliskom kontaktu sa lakunama vaskularnog sitema. Ovi respiratorni organi u najvećoj meri služe za ekstrakciju O2, a znatno manje za eliminaciju CO2. Kao što je ranije napomenuto, kod Annelida je osnovna respiratorna površina integument, a kožne škrge se javljaju kao pomoćni respiratorni organi i to u formi kožnih evaginacija na parapodijama, bočnoj strani tela, u analnom otvoru i sl. Većina Polichaeta kao osnovni respiratorni organ koristi kožne šrge, uz integumenta kao pomoćnu respiratornu površinu (u najvećoj meri za izbacivanje CO2). Kod ove grupe životinja postoji velika raznolikost u morfološkim, pa samim tim i funkcionalnim osobenostima i načinu ventilacije škga. One mogu biti u formi listolikih žbunova, bogato perasto-razgranatih lamela velike površine i sl. Pokrivene su tankim, finim trepljastim epitelom a, locirane su u najvećem broju slučajeva na parapodijama. Kod većine rakova kožne škrge su smeštene na parapodijama i u formi su bogato razgranatih perastih evaginacija. Kožne škrge rečnog raka su listaste i nalaze se na bočnim naborima grudnog koša, i gradjene su od tankoslojnog epitela koji je, kao i kod svih drugih respiratornih površina, u bliskom kontaktu sa lakunama cirkulatornog sistema.Kod kopnenih rakova su kožne škrge modifikovane u cilju korišćenja atmosferskog O2. Kopnena kraba (Birgus Latro) koja živi na ostrvima Tihog okeana ima posebno izdiferencirane kožne škrge u vidu speciičnih evaginacija koje podsećaju na plućne kese. Ove kesaste evaginacije su locirane ispod prednjih, torakalnih, ekstremiteta a sa spoljašnjom sredinom “komuniciraju” preko otvora koji se nalazi na ventralnoj strani. Kesaste tvorevine su prekrivene finim, tankoslojnim, trepljastim epitelom koji je u bliskom kontaktu sa lakunama cirkulatornog sistema. Atmosferski vazduh ulazi u unutrašnjost kesastih škrga kroz otvor na ventralnoj strani, a O2 difunduje iz unutrašnjosti kesaste evaginacije, kroz respiratorni epitel u lakune vaskularnog sistema. Vazduh osiromašen kiseonikom, a obogaćen ugljen-dioksidom se zamenjuje procesom ventilacije koji se ostvaruje pokretima torakalnih ekstremiteta, pri čemu se vrši pritsak na kesaste evaginacije tankih zidova. Kod mokrica (Isopoda)

100

su kožne škrge takodje prilagodjene u smislu usvajanja O2 iz atmosferskog vazduha. Na njihovim pločastim ekstremitetima su se formirali tankozidni ektodermalne invaginacije prekrivene finim, niskocilindričnim, bogato vaskuolarizovanim respiratornim epitelom. Vazduh ulazi u uvrate, a O2 difunduje u vaskularni sistem. Sam mehanizam ventilacije uvrata tj. obnavljanje vazduha u invaginacijama nije precizno definisan. Eliminacija CO2 se ostvaruje preko integumenta (skoro 100%).

4.2.2.2. Razmena gasova preko fizičkih škrga – disanje preko vazduškog mehuraFizičke škrge su pomoćne respiratorne tvorevine za trahealni sistem kao osnovni tip respiratornog sistema insekata koji neki deo svoga života provode u vodi. To su zapravo vazdušni mehurovi koje insekt sa površine vode “unese” u vodu (ponese deo atmosfere) i predstavljaju “rezervoar” iz koga će organizam ekstrahovati/nadomešćivati O2 (kao ronioc iz svoje boce). Formiranje fizičkih škrga je omogućeno postojanjem izuzetno velikog površinskog napona koji

se javlja na mestima gde se na hitinskoj kutikuli nalaze veoma gusti, četkasti izraštaji. Ove dlakave strukture su obložene voštanim materijalom što dodatno povećava površinski napon i onemogućava prodor vode izmedju dlaka četkastog pokrova, odnosno, onemogućava kvašenje tog dela integumenta, te se na taj način “čuva” deo atmosferskog vazduha u prostoru izmedju dlaka. Za insekta koji se nalazi u vodi biće aktivne i korisne jedino one fizičke škrge koje se formiraju u neposrednoj blizini ili na samoj stigmi (otvori trahealog sistema). Pad parcijalnog pritiska O2 na krajevima trahealnog sistema, usloviće difuziju O2 iz fizičke škrge kroz stigmu u trahealni sistem.

Slika 4.4. Fizičke škrge – disanje preko vazdušnog mehuraPreuzeto uz modifikacije iz Randall, Burggren & French: Eckert Animal Physiology – mechanisms and adaptations (1997)

U cevčicama trahealnog sistema (traheama) koje su ispunjene vazduhom O2 će se kretati sa mesta većeg parcijalnog pritiska (vazdušni mehur-fizička škrga) ka mestima gde je parcijalni pritisak O2 manji (krajevi trahejnog sistema koji su u kontaktu sa ćelijama tkiva). S obzirom na površinu/zapreminu fizičke škrge i metaboličku aktivnost insekata, tj. potrošnju O2, za očekivati je da se brzo potroše “rezerve” O2 u fizičkoj škrgi. Medjutim, Krogh je pokazao da se za 4-5 minuta koncentracija O2 smanji tek za 1% u odnosu na atmosfersku koja je prisutna u fizičkoj škrgi jer se O2 nadomešćuje difuzijom O2 iz okolne vode u fizičku škrgu, te životinja ne mora često da izlazi na površinu vode i “menja” fizičku škrgu. Ipak, nakon izvesnog vremena životinje moraju da “zamene” postojeće fizičke škrge novim rezervoarima vazduha. Smatra se da je povećanje koncentracije/parcijalnog pritiska azota u fizičkoj škrgi (za više od 5% u odnosu na prvobitnu) “stimulus” koji “natera životinju da izadje na površinu vode, odbaci staru fizičku škrgu i formira novu.

Slika 4.3. Kožne škrge i njihova ventilacija kod rakaPreuzeto uz modifikacije iz Hill, Wyse i Anderson: Animal Physiology ( 2004)

101

4.2.2.3. Razmena gasova preko trahealnih škrgaTrahealne škrge su, kao i fizičke, pomoćni respiratorni organi, uz trahealni sistem, kod insekatskih larvi koje žive u vodi (adultni oblici ne moraju da žive u vodi). S obzirom da žive u vodenoj sredini, ove larve moraju imati poklopčiće na stigmama, tj. zatvorene stigme, kako bi se onemogućio prodor okolne vode u trahealni sistem. Kako je onda omogućeno korišćavanje O2 okolnog vodenog okruženja u trahealni sistem? Obnavljanje O2 u trahealnom sistemu se vrši ekstrakcijom uz pomoć trahealnih škrga koje su smeštene u neposrednoj blizini stigme i u kontaktu su sa otvorom stigme.Trahealne škrge su bogato razgranate, žbunaste evaginacije ektodermalnog porekla. Veoma su nežne i tanane konstitucije, te ih strujanje vode stalno pomera, te one kontinuirano trepere svojim listolikim lamelama i na taj način omogućavaju “provetravanje” i obnavljanje vode koja je u neposrednom kontaktu sa epitelom koji gradi zid lamelarnih izraštaje. Važno je napomenuti da zid trahealnih škrga čini jedan, jedini sloj niskocilindričnog, pločastog, finog epitela, a u subepitelijalnom prostoru nema vaskularnih sudova, nego je ovaj prostor ispunjen smešom atmosferskih gasova. Dakle, ovaj respiratorni epitel nije u kontaktu sa lakunama cirkularnog sistema, nego sa prostorom ispunjenim atmosferskim vazduhom koji je u kontaktu sa otvorom stigme. Smanjenje parcijalnog pritiska O2 u trahealnom sistemu prouzrokovaće difuziju O2 iz subepitelijalnog prostora trahealne škrge, a O2 će se u ovom prostoru “nadoknadjivati” difuzijom O2 iz okolnog vodenog okruženja kroz tanak zid respiratornog epitela trahealne škrge. Kod larvi vodenog cveta su trahealne škrge locirane u zidu debelog creva. Ekstrakcija O2 se vrši iz okolne vode koja kroz analni otvor dospeva do trahealnih škrga.

4.2.3. RAZMENA GASOVA KOD INSEKATA I DRUGIH “TRAHEATNIH” ARTROPODA – TRAHEALNO DISANJE

Insekti su tokom evolucije razvili karakterističan način razmene gasova, različit od svih drugih metabolički aktivnih životinja, predstavljen sistemom cevčica (trahealni sistem) različite dužine i dijametra kroz koje se kreću gasovi, i to u mnogo značajnijom meri O2, dok se za eliminaciju CO2 koriste drugačiji mehanizmi. Trahealni sitem je osnovni sistem za respiraciju kod insekata, nekih “traheatnih” artropoda (stonoga i nekih paukova) i malog broja rakova kod kojih se javlja u nekom primitivnom obliku. Uz trahealni sistem, kao pomoćni respiratorni organi su uključene fizičke i trahealne škrge, integument, kao i tzv. knjiška pluća (engl. book lungs).

Trahejni sistem “započinje” otvorom prema spoljašnjoj sredini koji se nalazi na integumentu i naziva se stigma. Svaka stigma je sa spoljašnje strane (te koja je okrenuta prema spoljašnjoj sredini) snabdevena poklopčićem koji omogućava trahealnom sistemu zaštitu od vode ili nekih nečistoća iz životnog okruženja. U zavisnosti od stepena evolutivne složenosti, uslova u kojima žive, kao i metaboličke aktivnosti organizma, trahealni sistem može biti različito razvijen. Kod insekata sa složenom gradjom trahealnog sistema i velikom metaboličkom aktivnosti poklopčići stigme imaju ulogu u ventilaciji

Slika 4.5. Svi insekti koriste trahealni sistem za razmenu gasovaPreuzeto uz modifikacije iz Hill, Wyse i Anderson: Animal Physiology ( 2004)

Ceo trahealni sistem cevčica je ispunjen smešom atmosferskih gasova. Izuzetno, kod nekih organizama, krajevi traheola mogu biti ispunjeni telesnom tečnošću (hemolimfom). Važno je naglasiti da nigde u trahealnom sistemu nema respiratornog epitela niti trehejni sistem poseduje “klasičnu” respiratornu jedinicu koja je dobro vaskularizovana. Kako se onada vrši ekstrakcija dovoljne količine O2 koja je neophodna za stvaranje energije potrebne za nesmetano funkcionisanje organizma i održavanje? Mehanizme koji se koriste za usvajanje O2 preko trahealnog sistema donekle je definisao Krogh (1920.godine) i formulisao ih u svojoj difuzionoj teoriji koja je i danas prihvaćena i delimično objašnjava

102

fiziologiju respiracije preko trahealnog sistema. Krogh je pokazao da je parcijalni pritisak O2 u trahealnom sistemu jednak parcijalnom pritisku O2 u atmosferskom vazduhu. Ćelije koriste O2 koji difunduje iz krajeva traheola jer mu je tu koncentracija veća nego u ćeliji. To uzrokuje da se u traheolama smanji koncentracija O2 pa iz trahejnog sistema O2 difunduje zbog razlike u parcijalnim pritiscima. Smanjenje parcijalnog pritiska O2 u trahejnom sistemu uslovljava difuziju O2 iz spoljašnjeg okruženja u trahejni sistem. Dakle, O2 utrošen za aktivnosti i održanje homeostaze ćelija biće nadoknadjen difuzijom O2 iz spoljašnjeg životnog okruženja organizma. Brzina difuzije O2 kroz trahealni sistem je upravo proporcionalna dijametru traheja, a obrnuto proporcionalna njihovoj dužini (Krogh-ova difuziona teorija). Na osnovu ovih postavki Krogh je mogao da izračuna potrošnju O2 i jedinici vremena i da odredi veličinu bazalnog metabolizma insekta. Pokazao je da insekti sa širim i kraćim trahejama imaju veći bazalni metabolizam, nego insekti sa dužim i užim trahejama. Krog je ove postavke formulisao u tzv. Krogh-ovoj formuli intenziteta metabolizma insekata

S = ---------------------- x K

S - potrošnja O2 u jedinici vremenaPa – parcijalni pritisak O2 u atmoferskom vazduhu; Pt - parcijalni pritisak O2 na krajevima traheole a – dijametar traheja; l – dužina traheja; K – difuziona konstanta za O2 na temperaturi od 25oC

iz koje je evidentno da je potrošnja O2 u jedninici vremena upravo porporcionalna razlici izmedju parcijalnih pritisaka O2 u atmosferskom vazduhu i na krajevima traheole i dijametru traheja, a obrnuto srazmerna dužini treheja. Pored teorija o difuziji O2 u trahealnom sistemu, Krogh je utvrdio i da se pri normalnoj aktivnosti praktično celikupna količina O2 eliminiše preko integumenta, odnosno, da je trahealni sitem osnovni respiratorni organ za usvajanje O2, dok se za eliminaciju CO2 u najvećem broju slučajeva u najvećoj meri koristi integument. Zanemarljivo mala količina O2 se usvaja integumentom, a zanemarljivo mala količina CO2 se eliminiše trahealnim sistemom u uslovima normalne/bazalne tj. uobičajene metaboličke aktivnosti životinje.Osnovne postavke Krogh-ove difuzione teorije važe i danas i koriste se u modernoj fiziologiji respiracije, ali je shvatanje načina kretanja gasova u trahealnom sistemu “prošireno” nekim procesima/mehanizmima koji su definisani modernijim tehnikama. Pored difuzije, načini kretanja gasova u trahejnom sistemu su: makroskopska ventilacija (pumpanje uz učešće abdominalnih mišića); autoventilacija (ventilacija uz učešće mišića koji se koriste pri letenju);

kao i nekoliko formi tzv. mikroskopske ventilacije. Iako su navedeni procesi definisani upotrebom modernijih eksperimentalnih pristupa, tehnika i opreme, i to tek nakon vremena u kome je živeo i radio Krogh, oni se negde u osnovi slažu sa Krogh-ovim prikazom ventilacije trahealnog sistema, tj. modelom usvajanja O2 i eliminacije CO2 kod veoma aktivnih insekata-brzih letača koji imaju veoma intenzivan metabolizam, tj. visoku vrednost potrošnje O2 u jedinici vremena. Kod ovako aktivnih insekata je potrebna veća količina O2, a to se postiže postojanjem evolutivnih funkcionalnih adaptacija u formi kesastih, loptastih, spiralnih tvorevina, tzv. pomoćnih mehurova na trahejama. Ove tvorevine imaju funkciju “rezervoara” O2 i obezbedjuju difuziju O2 u trahealni sistem, te služe kao “fiziološki dodatak” trahealnom sistemu u uslovima visoke metaboličke aktivnosti i povećanih potreba za O2. Krogh je konstatovao da razmena gasova procesom proste difuzije zadovoljava potrebe životinja male telesne mase, kao i krupnijih koje su slabije aktivne. Za one životinje koje su aktivnije, te im je i metabolizam tj. potrošnja O2 i stvaranje CO2 povećano, difuzioni procesi nisu dovoljni da obezbede neophodnu količinu O2 koja će zadovoljiti energetske potrebe aktivne životinje. Kod aktivnih životinja se respiracija ubrzava aktivnim učešćem muskulature abdomena i toraksa, čime se menja zapremina/pritisak gasova samo u uzdužnim-longitudinalnim kanalima trahealnog sistema, ali obezbedjuje ventilaciju celokupnog sistema traheja. Lep primer je ventilacija trahealnog sistema bubašvabe. Poznato je da ova životinja ima veoma visok metabolizam, te stoga mora efikasno usvajati O2 i eliminisati CO2. Funkcionalna prilagodjenost trahealnog sistema bubašvabe su kratke traheje, velikog dijametra, što omogućava veliku brzinu difuzije gasova kroz trahejni sistem. Usled intenzivnih metaboličkih procesa u centralnim-longitudinalnim trahejama ove životinje će se nakupljati metabolički gasovi (CO2 i N2), a povećanje parcijalnog pritiska ovih metaboličkih gasova ometaće efikasnu difuziju O2. Da bi se ovo izbeglo neophodno je «provetriti» centralne kanale trahealnog sistema. Ventilacija se omogućava aktivnim učešćem muskulature abdomena i toraksa, pri čemu su abdominalni i torakalni mišići recipročno inervisani (u toku kontrakcije mišića abdomena, mišići toraksa su relaksirani i obrnuto). Pored toga, recipročno je regulisano i podizanje/spuštanje poklopčića stigmi u ovim regionima. Kontrakcijom abdominalnih mišića vrši se presija na zidove centralnog kanala trahealnog sistema u abdomenu, pri čemu su poklopčići stigmi spušteni u abodominalnom delu tela. Ovo prouzrokuje smanjenje zapremine, a porast pritiska gasova u abdominalnoj regiji. Istovremeno, relaksacija muskulature toraksa i podignuti poklopčići

(Pa – Pt) x a

l

10�

stigmi u ovom regionu tela omogućavaju veći prostor gasovima, te je pritisak manji. Razlika u pritiscima gasova izmedju abdominalnog i torakalnog dela centralne traheje prouzrokovaće kretanje gasova od abdominalnog dela tela prema torakalnom i njihovu eliminaciju kroz otvorene stigme na toraksu. Relaksacijom abodominalne muskulature i otvaranjem poklopčića stigmi na ovom regionu tela ulazi nova količina vazduha, a potom se opet ponavljaju aktivnosti kojima se potiskuju gasovi prema torakalnom delu i izbacuju u spoljašnju sredinu. Krogh je pokazao da jedna ventilacija (jedan ciklus kontrakcije abdominalnih i relaksacije torakalnih mišića) nije dovoljan da izmeni sav vazduh u trahealnom sistemu, nego je potrebno 5-17 ciklusa ventilacije.

Dakle, insekti i veliki broj arahnida usvajaju O2 koristeći trahealni sistem koji povezuje atmosferski vazduh preko otvora-stigmi na površini tela sa sistemom traheja, cevčica ispunjenih vazduhom-gasom, koje “dopremaju” O2 do svih ćelija tkiva. Tipovi kretanja gasova kroz trahealni sistem uključuju 1) difuziju; 2) makroskopsku ventilaciju - pumpanje uz učešće abdominalnih mišića i autoventilacija uz učešće mišića koji se koriste pri letenju; kao i 3) nekoliko formi mikroskopske ventilacije (npr. diskontinualna razmena gasova gde se ravnomerno i stalno obnavlja O2, a CO2 se izbacuje u tzv. “dramatičnim naletima ili ekspolozijama” (engl. dramatic intermittent bursts); zatim “minijaturni ventilacioni pulsevi” kod skakavca; “pragovni ciklusi” oslobadjanja CO2 kod buba i dr). Navedene činjenice ruše staru dogmu o tome da insekti koji ne koriste makroskopsku ventilaciju uz pomoć abdominalnih i/ili torakalnih mišića, ventiliraju procesom difuzije.

Neki predstavnici iz grupe arahnida, pored trahealnog sistema, poseduju i veoma neuobičajen i interesantan tip respiratornog organa koji se naziva “knjiška pluća” ili pluća kao knjiga (engl. book lungs). Interesantno je napomenuti da škorpioni imaju ovakav tip “pluća” kao jedini respiratorni organ, a integument koriste u veoma maloj meri za eliminaciju CO2, dok neki pauci pored ovih pluća imaju i traheje kao pomoćne respiratorne organe. Broj “knjiških pluća” varira i može biti jedan par, kao kod nekih pauka, pa do četiri para, kao kod škorpiona. Ovaj tip respiratornog organa je predstavljen sistemom listolikih/lamelarnih invaginacija ventralnog abdomena. Tanane listolike lamele su “zaštićene” u komori koja se naziva atrialna šupljina, a koja komunicira sa spoljašnjom sredinom preko ventralne pore koja može da se zatvara i naziva se spirakulum. Ventilacija vazduha u antralnoj šupljini se ostvaruje difuzijom vazduha kroz otvor atriuma-spirakulum.

Slika 4.6. Knjiška pluća (engl. book lungs) nekih arahnidaPreuzeto uz modifikacije iz Hill, Wyse i Anderson: Animal Physiology ( 2004)

Dorzalna ili anteriorna površina antruma je izdeljena na veliki broj već pomenutih listolikih lamelarnih pregrada koje liče na stranice knjige, te tako zajedno (na stotine lamela) čine tvorevinu koja veoma liči na knjigu. Telesna tečnost struju kroz otvoreni cirkulatorni sistem čije su lakune u veoma bliskom kontaktu sa zidom lamela. Zid lamela, odnosno, distanca izmedju telesne tečnosti i vazduha je manja od 1 µm. Površina izmedju lamela je ispunjena vazduhom-gasom. Kod nekih organizama “knjiška pluća” predstavljaju difuzioni tip pluća, dok se kod drugh ventilacija postiže aktivnim pokretima pumpanja.

4.3. RAZMENA GASOVA KOD KIČMENJAKA

Razmena gasova kod kičmenjaka se ostvaruje preko škrga i pluća, kao osnovnih respiratornih organa, a kao pomoćni respiratorni organi se javljaju integument, riblji mehur i gasna žlezda, kao modifikovana crevna mukoza kod riba, i vazdušne kese kod ptica. Uloga integumenta, odnosno kože, kao respiratorne površine različita je kod različitih kičmenjačkih grupa. Kod nekih riba i gmizavaca, integument skoro da ni nema značaja u respiraciji, dok se kod nekih drugih vrsta riba i gmizavaca, a posebno vodozemaca 70% respiracije ostvaruje preko kože. Kod nekih salamandera koji imaju rudimentirana pluća, ali neuobičajeno i ekstremno visoko razvijenu kapilarnu mrežu u epidermisu, integument predstavlja osnovnu respiratornu površinu. Slično je i kod žaba. I kod salamandera i kod žaba integument je tako gradjen da se kroz njega gubi velika

10�

količina vode, ali se zato usvaja velika količina O2. Suprotno je kod ptica i sisara. U odnosu na to, kod grupa koje koriste integument, razvio se veoma bogato razvijeni potkožni kapilarni splet koji je u bliskom kontaktu sa spoljašnjom sredinom. Generalno, integument ima udela oko 20% u razmedni gasoma kod nekih riba i gmizavaca, a kod nekih vodozemaca, posebno larvenih oblika, čak i do 100%. Na suprot tome, integument ima veoma malog udela u razmeni gasova kod ptica i sisara i to isključivo u smislu izbacivanja CO2 iz organizma. Ova smanjena uloga integumenta u respiraciji je i posledica razvoja različitih rožnih tvorevina kao što su perje, dlake i sl. Značajnost integumenta u razmeni gasova kod kičemenjaka pokazao je veliki fiziolog Krogh u eksperimentima sa ribom čikovom (Misgurnus fossilis L; tzv. pra-riba koja se smatra živim fosilom) i žabom. Krog je podvezao usni otvor čikovu i sprečio ga da guta atmosferski vazduh, a potom mu je podvezao i vaskularne sudove u škrgama, te je na taj način sprečio i ekstrakciju O2 preko škrga. Uočio da je riba povećala respiratornu aktivnost integumenta za više od 80% (tzv. rektivacija integumenta) i na taj način obezbedila potrebnu količinu O2. Krogh je u svojim eksperimentima pokazao veoma veliki značaj integumenta u izbacivanju CO2 kod riba. Kod Amfiba integument ima značajnu ulogu u razmeni gasova i učestvuje čak sa 60%-70%. Kod ove grupe životinja pluća su veoma slabo razvijena te ne mogu zadovoljniti potrebe organizma za O2. Veliki udeo integumenta u usvajanju O2 i izbacivanju CO2 kod žabe pokazao je Krogh u eksperimentima kojima je podvezivao traheju i pokazao da je žaba nesmetano funkcionisala i da su preko “reaktivacije” integumenta potpuno zadovoljene potrebe organizma za O2, kao i adekvatna eliminacija CO2. Na suprot tome, ukoliko je onemogućio korišćenje integumenta kao respiratorne površine (stavljanjem žabe u parafin) žaba je uginula posle tri do pet nedelja. Pored dobrih karakteristika integumenta u smislu posedovanja žlezda koje obezbedjuju stalnu vlažnost, efikasnu respiraciju omogućava i veoma dobro razvijena kapilarna mreža koja je u bliskom kontaktu sa epitelom. Zbog toga, kožna vena u koju se uliva krv iz venskih kapilara kože, nosi oksigenisanu krv koja se preko Kivijer-ovih kanala, pa sinusa venosusa ubacuje u desnu pretkomoru srca žabe te uslovljava mešanje oksigenisane i deoksigenisane krvi (videti ranije u poglavlju Cirkulacija). Veličine respiratornih površina variraju kod različitih organizama. Površina škrga kod većine riba odredjene veličine je jednaka površini pluća vodozemaca i gmizavaca iste veličine. Ptice i sisari imaju mnogo veću površinu pluća nego vodozemci i gmizavci. Objašnjenje za tako veliku respiratornu površinu je gradja njihovih pluća koja u osnovi imaju veoma veliki broj grana i ogranaka, kao i

alveola, što čini veliku dodirnu površinu izmedju vazduha koji ulazi u pluća i respiratorne membrane. Pored toga, postoji razlika u veličini distance, odnosno debljini barijere, izmedju spoljašnje sredine iz koje se usvaja O2 i krvi. Kod gmizavaca postoji mnogo manja/tanja barijera izmedju krvi i vazduha u njihovim plućima, nego što ribe imaju izmedju krvi i vode u škrgama. Kod riba, tanja barijera izmedju krvi i sredine sa kojom se vrši razmena gasova je kod onih koji su aktivniji plivači i slična je kao kod sisara (npr. kod tune je 0.6 µm u poredjenju sa deset puta većom-6 µm koliko je kod pastrmke). Barijera izmedju spoljašnje sredine sa kojom se vrši razmena gasova i krvi je još tanja kod sisara, a najmanja je kod ptica, što ukazuje da je razmena gasova kod ovih organizama najbrža, što je veoma važno zbog velike potrebe za kiseonikom/energijom, a u cilju omogućavanja pokreta letenja. Ritam i kontrolu aktivne ventilacije škrga i pluća kičmenjaka omogućava aktivno učešće skeletnih mišića. Ovi mišići se, kao i svi ostali skeletni mišići, aktiviraju nervnim impulsima, odnosno akcionim potencijalima, koji dolaze motornim neuronima. Ritam disanja je diktiran obrascem

Slika 4.7. Procentualni udeo integumenta u razmeni gasova kod različitih grupa kičmenjakaPreuzeto uz modifikacije iz Hill, Wyse i Anderson: Animal Physiology ( 2004)

10�

električne aktivnosti centralnog generatora ritma (nalazi se u produženoj moždini), a ostvaruje se tj prenosi električnom aktivnošću motornih neurona. Centralni generator ritma disanja kod kičmenjaka nije izolovan sistem, nego može biti modulisan i usmeren senzornim neuralnim imputima.

4.3.1. RAZMENA GASOVA KOD RIBA (PiscEs)Veliki broj riba na početku svoga života, odnosno u larvenom stadijumu, koristi celu površinu tela (integument) za disanje, te se razmena gasova ostvaruje prostom difuzijom. U ovom stadijumu razvoja riba nije razvijen niti cirkulatorni, a ni respiratorni sistem, te se zbog toga površina celog tela koristi za razmenu gasova. Kod mladih larvi površina tela ima obim oko 0.6 mm i to je dovoljno kratka distanca za efikasnu difuziju molekula O2, te se u potpunosti i adekvatno zadovolje potrebe za O2 svih ćelija. Sa rastom larve i povećanjem mase njenog tkiva, povećava se i njena debljina tj. obim, te difuzioni procesi postaju sve manje i manje efikasni u smislu obezbedjenja potrebne količine O2, a istovremeno su škrge još uvek nedovoljno razvijene, a i cirkulatorni sistem nije kompletan. U fazi kada se obim i debljine tela približavaju graničnoj vrednosti pri kojoj je difuziona sposobnost O2 na granici da zadovolji potrebe organizma larve za O2, a provodni tj. cirkulatorni sistem nije funkcionalan, veliki broj larvi umire ukoliko se nadje u uslovima gde je smanjena količina O2 u vodi. Zbog toga, ova difuziona razmena gasova u ranom larvenom stadijumu može biti od velikog ekološkog i evolutivnog značaja za datu vrstu.Škrge riba, odnosno škrge hordata se u “žargonu” nazivaju prave škrge i osnovni su respiratorni organi adultnih riba, ali se javljaju u embrionalnom razvoju i/ili tokom metamorfoze drugih kičmenjaka (nekih vodozemaca i gmizavaca). Škrge hordata su evolutivno novije tvorevine u odnosu na škrge beskičmenjaka i endodermalnog su porekla (parne evaginacije ždrela). U toku embrionalnog razvoja se u neposrednoj blizini škržnih kesa formiraju uvrati ektodermalnog porekla, a kasnije, tokom embrionalnog razvoja i diferencijacije, gubi se tkivna masa izmedju primordijalnih škrga i uvrata, te ostaje prazan prostor koji predstavlja otvor kroz koji škrge komuniciraju sa spoljašnjom sredinom, a koji se naziva škržni prorez. Škržne kese su sa unutrašnje strane obložene mnogobrojnim listolikim naborima slukože koji se zovu škržni listići ili primarne škržne lamele. Na ovim strukturama se nalaze poprečno postavljeni veoma brojni listoliki, lamelarni, nabori koji predstavljaju poprečne škržne listiće ili sekundarne škržne lamele. I jedan i drugi tip lamela je obložen finim, tankim, niskocilindričnim, trepljastim, respiratornim epitelom. Respiratorni epitel je u bliskom kontaktu sa kapilarnom mrežom koja je veoma bogato razgranata. Takav način

funkcionalne organizacije škrga obezbedjuje veoma veliku dodirnu površinu izmedju respiratornog epitela i vodene sredine, odnosno veliki prostor za ekstrakciju O2 i efikasno usvajanje O2 iz vodenog okruženja. Sekundarne lamele su osnovna mesta razmene gasove u škrgama riba. Posebno i esencijalno je važan princip tzv. obrnutog protoka koji podrazumeva da voda koja obliva sekundarne lamele i krv koja protiče kroz kapilarnu mrežu lamela imaju isti pravac a suprotan smer. Na taj nači se veoma efikasno ekstrahuje O2 iz vode. Pokazano je da se na taj način ekstrahuje 80% O2 iz vode, a ukoliko bi protok vode i krvi bili istog smera, ekstrakcija bi iznosila samo 30% od moguće.Protok vode kroz škrge riba se ostvaruje unidirekciono i usmeren je ili radom bukalno-operkularne pumpe, ili ram ventilacijom ili njihovom kombinacijom. Bukalna pumpa pritiska i usisna operkularna pumpa funkcionišu u integrisanom i sinhronizovanom ritmu koji uključuje i podrazumeva porast pritiska u jednoj i smanjenje pritiska u drugoj duplji i obrnuto. Zbog pritiska koji vlada u bukalnoj duplji/pumpi ona je odgovorna za usmeravanje vode kroz škrge, pri čemu se istovremeno operkularna duplja prazni.

Slika 4.8. Funkcionalna organizacija i ventilacija škrga ribaPreuzeto uz modifikacije iz Hill, Wyse i Anderson: Animal Physiology ( 2004)

10�

U toku punjenja bukalne duplje/pumpe vodom, operkularna duplja/pumpa usisava vodu kroz škrge. Dakle, operkularna duplja/pumpa usisava vodu dok se bukalna duplja/pumpa puni, i obrnuto, bukalna pumpa razvija pozitivni pritisak tokom pražnjenja operkularne pumpe.

Neke ribe koriste buko-operkularne procese za ventilaciju škrga u toku perioda kada im je aktivnost smanjena, a u periodu povećane aktivnosti tj. intenzivnijeg plivanja primenjuju tzv.

ram ventilaciju. Ovaj tip ventilacije je metabolički “jeftiniji”, a podrazumeva stalni protok vode kroz otvorena usta u bukalnu i operkularnu duplju i kontinuirano oblivanje škrga. Na taj način se formira pritisak u bukalnoj duplji koji je dovoljan da obezbedi ventilaciju škrga brzinom adekvatnom za zadovoljenje potreba za O2. Mnoge ribe koje brzo plivaju (predstavnice teleosta) prestaju da koriste bukalno-operkularnu pumpu i primenjuju ram ventilaciju kad dostignu odredjenu brzinu. Postoje i ribe koje stalno plivaju (tune i neki predstavnici ajkula) i kod kojih je ram ventilacija obligatorna, jer buko-operkularni mehanizmi ne obezbedjuju dovoljno efikasnu ventilaciju, a time ni potrebene količine O2. Smanjeni parcijalni pritisak O2 je jači stimulus za ubrzanje ventilacije, nego povećanje parcijalnog pritiska CO2.Pored škrga, više od 400 vrsta riba koristi za disanje atmosferski vazduh (ribe plućašice) te ima posebno izdiferencirane organe za usvajanje atmosferskog vazduha tj. pluća. Ona nastaju kao derivati bukalne ili operkularne duplje, ili želudca ili creva. Većina riba plućašica koristi i škrge i pluća za usvajanje O2, odnosno može da koristi i O2 iz amosfere i O2 iz vode.Pored toga, neke koriste O2 koji se akumulira u specijalizovanom organu, ribljem mehuru ili se ekstahuju iz vazduha, ili vode uz pomoć modifikovane crevne mukoze. Ova dva respiratorna organa su pomoćni respiratorni organi uz škrge kao glavni i integument i primitivna pluća kao dodatne pomoćne respiratorne organe. Dakle, pored škrga i pluća kao osnovnih respiratornih organa, ribe mogu da koriste čak tri pomoćna respiratorna organa (su integument, modifikovana crevna mukoza i riblji mehur sa gasnom žlezdom) Interesantno je napomenuti da čikov (Misgurnus fossilis L) u zavisnosti od koncentracije/parcijalnog pritiska O2 u svome okruženju (vodi ili atmosferskom vazduhu) i zahteva sopstvenog organizma za energijom/kiseonikom, može da koristi različite respiratorne organe (škrge, modifikovanu crevnu mukozu, integument) samostalno i/ili kombinaciji kako bi zadovoljio potrebe za O2.

4.3.1.2. Respiratorna funkcija modifikovane crevne mukoze

Respiratorna adaptacija modifikovane crevne mukoze je veoma značajna evolutivna tvorevina za organizme koji mogu da se nadju u uslovima hipoksije ili čak anoksije iz bilo kog razloga (ribe tropskih mora u kojima je zbog povećane temperature vode smanjena količina rastvorenog O2; ribe muljeviti voda u kojima je povećana organska produkcija; ribe koje žive u vodama koje presušuju i sl.). Veliki broj riba koristi modifikovanu crevnu mukozu za ekstrakciju O2. Izuzetak su možda jedino ribe vrlo hladnih voda u kojima ima dovoljno rastvorenog O2.

Slika 4.9. Ventilacija škrga riba ostvarena integrisanom i sinhronizovanom aktivnošću bukalno-operkularne pumpePreuzeto uz modifikacije iz Hill, Wyse i Anderson: Animal Physiology ( 2004)

10�

Modifikovana crevna mukoza koja ima respiratornu funkciju karakteriše se: izčezavanjem crevnih resica i crevnih žlezda; gubitkom osnovnih funkcija digestivnog trakta (digestija i apsorpcija digeriranih materija); kao i formiranjem bogato razgranate i razvijene kapilarne mreže koja je u veoma bliskom kontaktu sa finim, tankoslojnim respiratornim epitelom. Ovakva funkcionalna organizacija ove respiratorne površine omogućuje ekstrakciju O2 iz vazduha koji životinja proguta. I opet je, ko drugi nego Krogh radio eksperimente sa čikovom i pokazao veliki značaj modifikovane cerevne mukoze za preživljavanje ove ribe u uslovima kada je koncentracija O2 u vodi ne dovoljna da bi se preko škrga ili integumenta ekstrahovao O2 u količini koja je neophodna za preživljavanje. Krogh je stavio čikova u tri akvarijuma sa vodom različiitog sadržaja O2. Jedan akvarijum je sadržavo vodu temperature 5oC (najviše rastvorenog O2), drugi vodu temperature 25oC (manje rastvorenog O2 u odnosu na prvi akvarijum), a treći prokuvanu vodu koja je ohladjena na 5oC (kuvanjem je izbačen sav O2 te je i najmanja količina rastvorenog O2). Krogh je uočio da čikov iz prvog akvarijuma ni jednom nije izašao na površinu vode da guta vazduh jer je količina O2 bila dovoljna da se preko škrga i integumenta obezbede neophodne količine O2 za funkcionisanje organizma. Čikov u drugom akvarijumu je izašao 19 puta za 1 sat, a u trećem čak 67 puta za jedan sat. Očigledno je da su čikovi u ova dva akvarijuma imali nedovoljno dostupnog O2, te su morali da gutaju atmosferski vazduh i da preko modifikovane crevne mukoze zadovolje potrebe za O2. Korišćenje modifikovane crevne mukoze je veoma važna evolutivna prilagodjenost čikova jer on iako ima neparni riblji mehur, ne može da ga koristi jer je okoštao, pa samim tim i nije funkcionalan u respiraciji. Skoro sve ribe bar u nekom procentu koriste izmenjenu mukozu kao respiratornu površinu, a udeo ovakvog načina respiracije u ukupnoj razmeni gasova zavisi od količine O2 dostupnog u spoljašnjoj sredini životinja, ali i potreba organizma za O2. Korišćenje crevne mukoze u razmeni gasova posebno dolazi do izražaja kod riba sa tzv. otvorenim ribljim mehurom, jer iz mehura kroz pneumatični kanal (ductus pneumaticus) O2 dolazi do crevne mukoze. Ovo je lep primer fiziološke korelacije dva organa funkcionalno različitih sistema.

4.3.1.2. Riblji mehur – akumulacija kiseonika nasuprot velikom koncentacijskom gradijentu

Treći pomoćni način snabdevanja kiseonikom kod riba je riblji mehur. Ovaj respiratorni organ je endodermalnog porekla i predstavlja evaginaciju prednjeg creva. Do sada su definisane dve funkcije ribljeg mehura. Jedna uloga je tzv. hidrostotstatička, koja podrazumeva učešće ovog

organa u održavanju specifične mase životinje u vodi na odredjenoj dubini, a druga je funkcija dopunskog organa u disanju. Kod nekih riba ovaj mehur komunicira preko jednog kanala sa ždrelom, dok kod nekih drugih riba ovaj kanal nedostaje kod adultnih organizama. Zid ribljeg mehura je čvrst i nepropustljiv za gasove, ili vrlo malo propustljiv pri visokim pritiscima, ali se istovremeno zid mehura lako širi ako pritisak unutar mehura prevazilazi pritisak u okolini ribe.Riblji mehur postoji u formi neparnog i parnog organa. Ove dva tipa ribljeg mehura nisu homologe tvorevine, a činjenice koje govore u prilog su embrionalno poreklo i vaskularizacija ova dva organa. Neparni riblji mehur nastaje evaginacijom dorzalnog zida jednjaka (kod nekih čak i želudca) a krvlju se snabdeva preko ogranaka celijačne arterije (a. coeliaca). Parni riblji mehur nastaje evaginacijom ventralnog zida jednjaka, a krvlju se snabdeva preko dva para evolutivno “novih” krvnih sudova, a to su parne plućne arterije koje se odvajaju od VI para škržnih lukova. Neparni riblji mehur je filogenetski stariji i može biti otvorenog ili zatvorenog tipa.Otvoreni neparni riblji mehur je filogenetski najstariji. Kao što je pomenuto ranije, on komunicira sa jednjakom ili želucom preko pneumatičnog kanala (ductus pneumaticus) koji ima sfinkter uz jednjak ili želudac. Punjenje otvorenog neparnog ribljeg mehura se ostvaruje jednostavnim gutanjem atmosferskog vazduha koji potom prolazi kroz jednjak ili želudac i kroz ductus pneumaticus dospeva do ribljeg mehura. Ovaj tip mehura imaju pastrmke. Iako one žive u vodama koje su bogate kiseonikom i korišćenje škrga kao respiratornih organa im u tim uslovima obezbedjuje dovolju količinu O2, punjenje ribljeg mehura im je tzv. zlatna rezerva za uslove kada je smanjena količina dostupnog O2. Naime, ove ribe imaju veoma velike zahteve za O2, jer im je metabolička aktivnost veoma velika i može da se meri sa metaboličkom aktivnošću homoterama. Stoga su pastrmke veome osetljive na mala smanjenja parcijalnog pritiska O2 u okruženju, te 7 do 15 puta (u proseku) u 24 časa izadju na površinu vode i gutaju vazduh (a posebno noću). Čim im se malo poveća metabolička aktivnost i smanji koncentracija O2 koja je dostupna ćelijama, počinju da koriste O2 iz mehura i češće izlaze na površinu vode. Ribe iz grupe šarana i štuka imaju nekakvu prelaznu funkcionalnu organizaciju ribljeg mehura. Kod šaranoidnih riba neparni mehur je pregradom podeljen na dva medjusobno povezana dela, manji-prednji i veći-zadnji deo. Ove ribe mogu duže da ostanu pod vodom i redje izlaze jer imaju specifičnu tvorevinu koja ima sposobnost “produkcije i sekrecije” O2 i naziva se gasna žlezda (jer se u njoj “produkuje i sekretuje” O2) ili čudesna mreža (jer je zapravo gradjena od veoma gusto isprepletanih kapilara koji čine gustu i bogato zbijenu

10�

mrežu) ili crveno telo (zbog veoma dobre vaskularizacije je crvene boje). Gasna žlezda je prvobitno otkrivena kao karakteristika riba koje imaju parni, zatvoreni, riblji mehur i kod kojih ne postoji ductus pneumaticus. Parni riblji mehur nastaje evaginacijom ventralnog zida jednjaka, a javlja se kod Dipnoa i Polyptera. Respiratorna funkcija ovog organa dolazi do izražaja kada se ribe nadju u uslovima smanjene količine dostupnog O2. I ribe koje poseduju riblji mehur kao parni organ poseduju rete mirabile.

Slika 4.10. Dva osnovna tipa ribljeg mehura kod ribaA) Otvoreni riblji mehur koji komunicira sa spoljašnjom sredinom preko kanala i jednjaka (kod Physostoma)B) Zatvoreni riblji mehur nema kanal, a gasovi ulaze (sekrecijom iz gasne žlezde) i izlaze (apsorpcijom preko kapilara ovala) iz mehura preko krvi (kod Physoclista)Preuzeto uz modifikacije iz Randall, Burggren & French: Eckert Animal Physiology – mechanisms and adaptations (1997)

Korišćenje O2 iz otvorenog neparnog ribljeg mehura se ostvaruje potiskivanjem gasova kroz ductus pneumaticus u jednjak ili želudac, preko kojih dospevaju do izmenjene crevne mukoze koja funkcioniše kao respiratorna površina i ekstrahuje O2 iz smeše gasova. Ekstrakcija O2 iz zatvorenog ribljeg mehura ostvaruje se preko tvorevine koja se naziva oval. Ovu strukturu čini splet veoma gusto umreženih kapilara koji se nalaze neposrednom kontaktu sa respiratornim epitelom zida ribljeg mehura i u nekoj literaturi je imenovano kao drugo crveno telo jer kod nekih riba ima čak intenzivniju boju nego rete mirabile. Dakle, kod riba koje imaju zatvoren riblji mehur vaskularne strukture omogućavaju i produkciju i sekreciju O2 u riblji mehur (rete mirabile-gasna žlezda), ali i apsorpciju O2 nazad u cirkulaciju (kapilarna mreža ovala).Zbog posedovanja gasne žlezde tj. čudesne mreže, ribe predstavljaju unikatne organizme po sposobnosti sekretuju O2 i da pune mehur kiseonikom nasuprot gradijentu pritiska.Gasna žlezda – divotna ili čudesna mreža (engl. the rete mirabile)Gasna žlezda se sastoji se od veoma guste mreže isprepletanih

krvnih kapilara (i arterijskih i venskih). Proračunato je da kod jegulje ima 88 000 venoznih i 116 000 arterijskih kapilara koji svi zajedno sadrže oko 0.4 ml krvi, dok je površina preko koje se ostvaruje kontakt izmedju venoznih i arterijskih kapilara oko 100 cm2. Krv “ulazi” u rete mirabile prolaskom kroz arterijske kapilare, potom kroz sekretorni epitel (gasna žlezda) u zidu mehura, da bi se na kraju vratila kroz venozne kapilare. Arterijska i venska krv u ovoj mreži nalaze se na distanci od oko 1.5 µm. Interesantno je napomenuti da pored gasne žlezde koja sekretuje O2 u mehur, ribe poseduju veoma sličan mehanizam sekrecije O2 i u očima i čak je pokazano da mehanizam sekrecije O2 u očima riba evoluirao 100 miliona godina pre sličnog mehanizma u gasnoj žlezdi ribljeg mehura. Struktura ove mreže omogućava krvi da dotiče u zid mehura bez većih gubitaka gasa, te krv napušta sekretorni epitel i pri visokom parcijalnom pritisku O2 odlazi u venske kapilare. Parcijalni pritisak O2 opada i u arterijskim i u venskim kapilarima kako se udaljava od sekretornog epitela. Razlika parcijalnih pritisaka O2 izmedju arterijske i venske krvi na kraju mreže i mehura, manja je u poredjenju sa razlikom u parcijalnim pritiscima O2 izmedju spoljašnje sredine i mehura, što redukuje gubitak O2 iz mehura. Ranije se mislilo da je razlog opadanja nivoa kiseonika u kapilarima čudesne mreže difuzija O2 od venoznih ka arterijiskim kapilarima, ali je kasnije pokazano da je nemoguće detektovati značajan transfer O2 kroz kapilre ove mreže i da parcijalni pritisak O2 u krvi koja protiče kroz gasnu žlezdu opada zato što se O2 vezuje za hemoglobin, a ne zato što se gubi iz arterijske krvi koja ulazi u rete mirabile.

Sekrecija kiseonikaKao što je pomenuto, funkcionalna organizacija čudesne mreže je takva da redukuje gubitak gasa iz mehura, ali je produkcija i sekrecija O2 nije objašnjena na taj način, te ostaje otvoreno pitanje kako se sekretuje O2 u riblji mehur? Veoma je važno imati u vidu, ranije napomenuto, da su koncentracija i parcijalni pritisak gasa linearno zavisne veličine, odnosno, sa povećanjem koncentracije rastvorenog O2 raste i njegov parcijalni pritisak, i obrnuto. Cirkulacijom se O2 transportuje vezan za hemoglobin ili rastvoren u krvi. Što je više molekula O2 vezano za hemoglobin, manje će O2 biti rastvoreno, te će biti i manji parcijalni pritisak O2. Ako se O2 otpušta od hemoglobina, njegov parcijalni pritisak raste. Kao što je ranije napomenuto (videti tekst o hemoglobinu u poglavlju 1.4.) otpuštanje O2 od hemoglobina može biti izazvano redukcijom pH vrednosti preko Root-off efekta (dramatičan oblik Borovog efekta, odnosno drastično smanjenje pH koje se javlja kod pojkiloterama; videti tekst o hemoglobinu u poglavlju 1.4.) ili povećanjem koncentracije jona u krvi, te se ovim mehanizmima povećava parcijalni pritisak O2.

10�

Drastično smanjenje pH vrednosti i značajno povećanje koncentracije H+ jona nastaju zbog specifičnih metaboličkih karakteristika ćelija gasne žlezde. Ove ćelije su deo tzv. sekretornog epitela rete mirabile, a nalaze se na mestu gde kapilari prolaze kroz zid ribljeg mehura. Ćelije gasne žlezde imaju samo nekoliko mitohondrija što otežava mogućnost odvijanja Krebsovog ciklusa. Zbog toga, u gasnoj žlezdi, u procesu glikolize, po jednom molekulu glukoze nastaju dva molekula laktata i dva protona, čak i u atmosferi bogatoj kiseonikom. Istovremeno, pentozofosfatni ciklus je aktivan, te dekarboksilacijom glukoze, bez potrošnje O2, nastaje CO2. Produkcija CO2, laktata i protona (H+ jona) u gasnoj žlezdi prouzrokuje: (1) značajno smanjenje pH čime se smanjuje afinitet hemoglobina (“izbombardovan” je H+ jonima) za O2 i dolazi do otpuštanja O2 (Root-off shift) i (2) povećanje koncentracije jona i redukciju solubilnosti O2 (engl. tzv. salting-out effect ). Oba procesa prouzrokuju povećanje parcijalnog pritiska u sekretornom epitelu gasne žlezde u poredjenju sa parcijalnim pritiskom O2 u ribljem mehuru, te stoga O2 difunduje iz krvi u gasni prostor ribljeg mehura. Povećana koncentracija jona smanjuje rastvorljivost i drugih gasova, kao što su N2 i CO2, te se može objasniti zbog čega se nekad dobijaju visoke vrednosti ovih gasova u ribljem mehuru.

Slika 4.11. Sekrecija kiseonika je rezultat anaerobnog metabolizma glukoze u ćelijama gasne žlezde locirane u zidu ribljeg mehuraPreuzeto uz modifikacije iz Randall, Burggren & French: Eckert Animal Physiology – mechanisms and adaptations (1997)

Razmena CO2 na nivou kapilara rete mirabileProcesi koji se odvijaju u ćelijama gasne žlezde se istovremeno projektuju na celokupnu rete mirabile. S obzirom da su eritrociti jako slabo propustljivi za H+ jone, pad pH u ćelijama gasne žlezde se projektuje na eritrocite preko CO2, koji sa lakoćom prolazi kroz ćelijsku membranu eritrocita. Erirociti su veoma bogati enzimom karbon-anhidrazom (videti tekst o transportu CO2 u u poglavlju 1.4.), pa vodonikovi joni produkovani u gasnoj žlezdi reaguju sa HCO3- preuzetim iz plazme i nastaje CO2. Stoga krv koja napušta gasnu žlezdu i ulazi u venozne kapilare na nivou rete mirabile ima visok sadržaj CO2, te CO2 difunduje iz venskog u arterijski deo kapilara rete mirabile. Povećanje pH venozne krvi, povećava vezivanje O2 za hemoglobin (Root-on shift), pa kako je sve više vezanog O2, parcijalni pritisak O2 u venoznoj krvi opada kako se krv udaljava od gasne žlezde. Suprotno, u arterijskom delu rete mirabile, ulazak CO2 snižava pH krvi pa se smanjuje afinitet hemoglobina za O2, te hemoblobin otpušta O2 (Root-off shift), što povećava parcijalni pritisak O2. Dakle, promene parcijalnog pritiska O2 na nivou rete mirabile su rezultat vezivanja ili otpuštanja O2 od hemoglobina (pod uticajem promene pH tj. koncentracije CO2), pri čemu rete mirabile služi kao izmenjivač CO2, a ne O2.

Slika 4.12.Rete mirabile povezana sa gasnom žlezdom predstavlja tzv. izmenjivač “suprotnih struja” za ugljen-dioksidPreuzeto uz modifikacije iz Randall, Burggren & French: Eckert Animal Physiology – mechanisms and adaptations (1997)

U suštini, permeabilnost kapilara rete mirabile za O2 je veoma mala, što je od suštinske važnosti, jer se ne “gubi” O2 iz ribljeg mehura i omogućava se sekrecija O2 u mehur i punjenje ribljeg mehura nasuprot gradijentu pritiska. Gasna žlezda i rete mirabile omogućavaju ribama transfer O2 u riblji mehur. Zid ribljeg mehura neznatno je propustljiv

110

za gasove tako da postoji kontinualan gubitak gasova sa povećanjem dubine (povećava se pritisak u mehuru). Iz ovog razloga mora da postoji kontinualna sekrecija gasova kako bi se održao volumen nasuprot gubitku. Unutrašnjost ribljeg mehura je obložena finim respiratornim epitelom.

4.3.2. RAZMENA GASOVA KOD VODOZEMACA (APhiBiA)U poredjenju sa ostalim kičmenjacima, vodozemci ispoljavaju najširi dijapazon prilagodjenosti u pogledu razmene gasova i u vodenoj i kopnenoj sredini, odnosno imaju specifično prilagodjene respiratorne organe i površine te mogu da usvajaju i O2 iz vode, a i iz vazduha, a takodje i da izbacuju CO2 u oba medijuma. Neki od njih tokoim individualnog razvoja jedan period žive u vodenom ekosistemu, a neki period na kopnu, pa vrlo često i u adultnom stadijumu zadržavju dualni način razmene gasova.Škrge, pluća i integument se koriste u različitim kombinacijama da bi se ostvarila efikasna razmena gasova. Kod žaba je integument je tako gradjen da se kroz njega gubi velika količina vode, ali se zato usvaja velika količina O2. Značaj integumenta kao respiratorne površine vodozemaca puno je ispitivao i opisao Krogh (videti tekst na početku poglavlja 4.3.). Procentualni udeo škrga u respiraciji vodzemaca se rezlikuje u zavisnosti od uslova okruženja u kojima životinje žive kao i evolutivne prilagodjenosti grupe.

Slika 4.13. Funkcionalna organizacija pluća kod vodozemacaPreuzeto uz modifikacije iz Hill, Wyse i Anderson: Animal Physiology ( 2004)

Prelaskom kićmenjaka na kopneni način života razvila su se pluća. To su parne kesaste endodremalne tvorevine koje nastaju invaginacijom faringsa. Smeštena su u grudnom košu a preko disajnih puteva komuniciraju sa spoljašnjom sredinom. Kod nižih kičmenjaka (riba, vodzemaca i gmizavaca) plućni parenhim sadrži i elastična i glatko-mišićna vlakna, dok kod viših kičmenjaka (ptice i sisari) pluća nemaju mišićnu komponenetu. Kod vodozemaca disajne puteve čine larings i primitivno razvijene bronhije. Alveolarna organizacija pluća nije toliko izražena, ali je unutrašnji zid pluća izdeljen poprečnim pregradama na veliki broj odeljaka, te se time povećava dodirna površina izmedju udahnutog vazduha i respiratorne jedinice. Kao i kod škrga, i kod pluća je neophodno obnavljanje spoljašnjeg medijuma, tj. vazduha, odnosno ventilacija, koja se ostvaruje radom tzv. respiratorne pumpe, odnosno procesima inspirijuma (udisaja-udaha) i eksprijimuma (izdisaja-izdaha). U životinjskm svetu postoje dva mehanizma funkcionisanja respiratorne pumpe: 1) potisna bukalna pumpa pozitivnog pritiska (kod vodozemaca) i 2) usisna pumpa negativnog pritiska (kod gmizavaca, ptica i sisara).Ventilacija pluća kod vodozemaca se ostvaruje buko-faringealnom pumpom pozitivnog pritiska uz aktivno učešće buko-faringealnih mišića, telesnihišića i glotisa. Respiratorni ciklus čine tri faze: udisaj (inspirijum); pauza (apnea) i izdisaj (ekspirijum). Zbog specifičnog mehanizma ventilacije i velike elastičnosti plućnog parenhima, žabe mogu da progutaju nekoliko volumena vazduha, bez prethodnog izbacivanja vazduha koji već postoji u plućima. Naravno, u zavisno od stepena evolutivne prilagodjenosti i uslova u kojima žive, različite grupe vodozemaca imaju specifične prilagodjenosti.

Slika 4.14. Funkcionalni razvoj eksternalne respiracije kod žabe bukačice (Rana catesbeina)

111

4.3.3. RAZMENA GASOVA KOD GMIZAVACA (Reptilia)Kod većine reptila pluća su odgovorna za usvajanje skoro celokupne količine O2 i eliminaciju skoro celokupne količine CO2. Pluća gmizavaca su nejednako vaskularizovana, tako da je prednji deo bogato prokrvljen i prestavlja respiratornu površinu, dok je zadnji deo manje vaskularizovan i funkcioniše kao rezervoar vazduha. Gmizavci imaju mnogo veću površinu pluća od vodozemaca, ali je njihov integument, odnosno koža mnogo manje permeabilna nego koža vodozemaca, što znači da im omogućuje bolju protekciju od evaporativne dehidratacije, ali istovremeno ne dozvoljava respiratornim gasovima da prolaze. Kod nekih salamandera koji imaju rudimentirana pluća, ali neuobičajeno i ekstremno visoko razvijenu kapilarnu mrežu u epidermisu, integument predstavlja osnovnu respiratornu površinu, ali se zato i evaporacijom gubi velika količina vode.

Slika 4.15. Funkcionalna organizacija pluća kod guštera:A) Jednodoma pluća zelenog guštera (Lacerta viridis); B) Skening-elektronski mikrograf zida pluća tegu-guštera (Tupinambis nigropunctatus)pokazuje funkcionalnu organizovanost dobro vaskularizovanih pluća u formi saća; C) Višedoma pluća varana (Varanus exanthematicus)Preuzeto uz modifikacije iz Hill, Wyse i Anderson: Animal Physiology ( 2004)

Ventilacija pluća kod većine gmizavaca (sem kornjača) se ostvaruje radom torakalne pumpe negativnog pritiska (slično kao kod sisar), a respiratorni ciklus čine tri faze: inspirijum, apnea i ekspirijum. Kod kornjače se ventilacija pluća ostvaruje promenom zapremine torakalno-abdominalne duplje aktivnim učešćem odnosno pokretanjem (uvlačenjem/izvlačenjem) ekstremiteta i formiranjem tzv. fiziološke dijafragme. Ova modifikacija nastaje zbog toga što su rebra fuzionisana sa krutim oklopom, što sprečava kontrakciju/relaksacju mišića telesnog zida. Uvlačenjem ekstremiteta povlače se rameni i karlični pojas ka oklopu, komprimujući unutrašnje viscelarne organe, te se povećava pritisak u peritonealnoj duplji koji utiče na pluća (fiziološka dijafragma) te se izbacuje vazduh.

4.3.4. RAZMENA GASOVA KOD PTICA (Aves)Pluća ptica i sisara su najrazvijenija po strukturi i funkcionalnoj organizaciji u kičmenjačkoj grupi, ali je respiratorni sistem ptica mnogo efikasniji. On se sastoji od pluća koja predstavljaju respiratornu površinu i veoma dobro razvijenog sistema vazdušnih kesa kao ventilacionih sistema i rezervoara O2. Pluća i vazdušne kese komuniciraju preko veoma kompleksnog sistema puteva koji uključuje vazdušne kese koje su medjusobno povezane različitim tipovima bronhija (ventrobronhije, parabrnohije, dorsobronhije). Veoma efikasnu razmenu gasova kod ptica omogućava veliki broj gusto rasporedjenih tzv. vazdušnih kapilara,

Slika 4.16. Funkcionalna organizacija respiratornog sistema pticaPreuzeto uz modifikacije iz Hill, Wyse i Anderson: Animal Physiology ( 2004)

112

odnosno, cilindričnih alveola i veoma dobro razvijena kapilarna mreža koja se proširuje radijalno od lumena svake parabronhije. Pored toga, efikasnoj ekstrakciji O2 doprinosi to što vazduh struju kroz pluća i parabronhije u suprotnom smeru u odnosu na strujanje krvi u kaplarima, mada to zbog anatomskih osobenosti nije idealan sistem suprotnog smera već tzv. poprečni protok krvi i vazduha. Pluća ptica su relativno mala, neelastična i srasla dorzalno sa rebrinma i dijafragmom koja je postavljena horizontalno. Zbog toga se ventilacija se ostvaruje pasivno, zahvaljujući ekstenziji i kompresiji vazdušnih kesa koje funkcionišu kao mehovi (usisavaju ili istiskuju vazduh iz pluća).

4.3.5. RAZMENA GASOVA KOD SISARA (Mammalia)Pluća sisara su gradjena od granatih vazdušnih puteva koji po razgranatoj organizaciji podsećaju na dendritske nastavke ćelije, a završavaju se slepo formirajući alveole - male, vrećaste spoljašnje džepiće, veoma tankih i finih zidova i ekstremno dobro vaskuolarizovane. Kod adultnog čoveka, vazdušni putevi formiraju 23 nivoa grananja, otvarajući mogućnost za formiranje 300 do 400 miliona alveola, dijametra 0.2-0.3 mm, a sve zajedno čini respiratornu površinu od 100 mm2. Respiratorna jedinica je predstavljena respiratornim epitelom koji oblaže alveole i alveolarne duktuse, a u nekoj meri i deo bronhiola, ali je vaskularizacija najbolja i najizraženija na nivou alveola, te alveolarni duktusi i bronchiole predstavljaju samo pomoćne respiratorne površine u slučaju oštećenja alveola. Izmedju ćelija koje oblažu alveole (pneumocite I i pneumocite II reda ) umetnuti su alveolarni makrofagi koji predstavljaju važnu odbranu od štetnih genasa koji dospevaju preko respiratornih puteva. Iako se kod nižih kičmenjaka u zidu pluća osim plućnih alveola nalaze i glaki mišići čijom aktivnošću se ostvaruje ventilacija, kod viših kičmenjaka ih nema, te promenu zapremine pluća, izmedju ostalog, omogućavaju elastični elementi. Ovi elemnte funkcionišu po principu opruge: širenje grudnog koša i istezanje pluća za vreme inspiracije (udisaja) isteže elastične elemente i na taj način se deponuje potencijalna energija. Suprotno, skupljanje grudnog koša i ekspiracija (izdisaj) i smanjivanje zapremine pluća, prouzokuje i “vraćanje rastegnute opruge” te se potencijalna energija pretvara u kinetičku koja je zapravo glavna pokretačka sila koja istiskuje vazduh iz pluća. Važno je napomenuti da elastičnost pluća povećava i plućni surfaktant, kompleksna mešavina površinski aktivnih lipida i poroteina koja oblaže alveole, smanjuje površinski napon i onemogućava kolabiranje alveola (izduvavnje, splašnjavanje, fenomen da manje alveole budu “usisane” od stane većih) tokom ekspiracije. Plućni surfaktant sinetišu i egzocitozom luče pneumocite tipa II.

Slika 4.17. Funkcionalna organizacija respiratorne površine alveola sisaraPreuzeto uz modifikacije iz Silverthorn: Human Physiology. Integrative aproach (2004)

Sloj surfaktanta ispoljava neverovatnu deterdžentsku sposobnost, pa se sa smanjenjem zapremine alveola, sile površinskog napona značajno smanjuju, čime se onemogućava kolaps alveola, ali i usisavanje tečnosti iz kapilara, te se time održava suvoća pluća. Mehanizam komim molekule plućnog surfaktanta vrše svoju funkciju ostvaruje se specifičnom organizacijom molekula surfaktanta. Naime, ove molekule su polarizovane slično fosfolipidima plazmaleme i sastoje se iz hidrofilne glave i hidrofobnog repa. Ove strukture su na granici vazduh-tečnost, na površini alveola. organizovane tako da im je hidrofobni deo orjentisan prema lumenu alveole (u gasovitoj/vazdušnoj fazi), a hidrofilini deo je okrenut ka kapilarima tj. vezivaće tečnost i sprečiti njen ulazak u lumen alveole. S obzirom da se kod sisara plućni surfaktant stvara relativno kasno tj. neposredno pred rodjenje, kod prevremeno rodjenih beba se javlja tzv. sindrom respiratornog distresa (kruta pluća u kojima su brojne alveole kolabirale i/ili su ispunjene tečnošću).

11�

Slika 4.18. Uloga surfaktanta u održavanju alveola u funkcionalnom stanjuPreuzeto uz modifikacije iz Silverthorn: Human Physiology. Integrative aproach (2004)

Pored navednih funkcija surfaktanta, on učestvuje i u odstranjivanju stranih agenasa iz vazdušnih puteva i stimuliše i pomaže eliminaciju bakterija. Pokazano je da postoje sekvence gena za surfaktant koje su konzervisane tokom evolucije kod cele grupre terstirčnih kičmenjka, riba-plućašica i nekih drugih organizama koje koriste atmosferski

vazduh, te se smatra da razvoj plućnog surfaktanta ima dugačku evolutivnu istoriju i datira od početaka prelaska na kopneni način života.Plućni parenhim sisara, ne sadrži mišićna vlakna, ali sadrži dosta elastičnih vezivnih vlakana, te se ventilacija plućnih alveola ostvaruje širenjem i sakupljanjem grudnog koša, uz aktivno učešće medjurebarnih mišića i dijafragme što uslovljava pasivno kretanje plućnih ovojnica. Razlikuju se dve plućne ovojnice ili pleuralna lista. Jedan je vicelarni list pleure (poplućnica) koji naleže na samo plućno tkivo i sa njim čini funkcionalno jedinstvenu celinu. Druga ovojnica je parijetalni list pleure (porebrica) koji oblaže unutrašnjost grudnog koša sa unutrašnje strane i prelazi na dijafragmu. Oba pleuralna omotača su natopljena gustom, lepljivom, seroznom tečnošću, a izmedju ovojnica se nalazi intrapleuralni prostor-intratorakalni prostor ispunjen smešom metaboličkih gasova (parcijalni pritisak ovih gasova je za 2-3 mmHg niži od atmosferskog). Ove komponente su veoma važne u ventilaciji pluća.

Ventilacija pluća porazumeva inspiraciju (udisanje ili ubacivanje vazduha u pluća tj. plućne alveole) i ekspiraciju (izdisanje ili izbacivanje vazduha iz pluća tj. plućnih alveola). Inspiracija je posledica širenja grudnog koša, što se ostvaruje kontrakcijom spoljašnjih medjurebarnih mišića i dijafragme (povlači se na dole), a relaksacijom unutrašnjih

Slika 4.19. Funkcionalna organizacija komponenti koje učestvuju u ventilaciji pluća sisaraPreuzeto uz modifikacije iz Silverthorn: Human Physiology. Integrative aproach (2004)

11�

medjurebarnih mišića, što povlači rebra lateralno, udaljava grudnu kost od kičmenog stuba i prouzrokuje širenje torakalne duplje u ventro-lateralnom. Širenje grudnog koša povlači za sobom parijetalni list pleure, te se povećava zapremina intratorakalnog prostora, a smanjuje pritisak u njemu, a niti serozne tečnosti povlače i viscelarni list pleure, pa i sama pluća prema parijetalnom listu. Širenjem pluća, povećava se njihova zapremina, smanjuje pritisak gasova u njima i omogućava se usvajanje nove količine vazduha, bogatijeg kiseonikom. Ekspiracija predstavlja obrnuti process, odnosno posledica je skupljanja grudnog koša, što se ostvaruje relaksacijom spoljašnjih medjurebarnih mišića i dijafragme, a kontrakcijom unutrašnjih medjurebarnih mišićam te se rebra vraćaju prema sternumu, a sternum približava prema ločmenom stubu. Sve to prouzrokuje smanjenje zapremine intratorakalnog prostora, a povećanje intratorakalnog prostora što omogućava izbacivanje vazduha osiromašenog kiseonikom iz pluća.Ritam disanja kod sisara je diktiran od strane centralnog

generatora ritma u pre-Botzinger-vom kompleksu. Povećane parcijalnog pritiska CO2 i/ili koncentracije H+ jona u krvi je najpotentniji stimulusi hemosenzora u kičmenoj moždini čija aktivacija povećava brzinu ventilacije kod sisara. Parcijalni pritisak O2 je obično manje potentan faktor u kontroli ventilacije. Receptori za osetljivi na promenu parcijalnog pritiska su karotidna i aortina telašca.Zapremina spoljašnjeg medijuma (vode ili vazduha) koja prolazi kroz respiratornu površinu u jedinici vremena naziva se ventilacioni ili minutni volimen disanja (proizvod frekvence disanja i respiratornog volumena). Repiratorni volumen je zapremina medijuma (vode ili vazduha) koji prolazi/dodiruje respiratorne površine u toku svakog mirnog respiratornog ciklusa. Kod zdravog odraslog muškarca je 0.5 l pri normalnoj frekvenci disanja od od 12/min, te minutni volumen disanja kod čoveka iznosi oko 6 l (0.5x12). Najveći volumen vazduha posle maksimalnog udisaja je totalni volumen. Njega čine: respiratorni (tidalni) volumen (već pomenut), ispiracijski i ekspiracijski rezervni volumeni, kao i rezidualni volumen.

Slika 4.20. Ventilacija pluća sisara uključuje dva faze: inspirijum i ekspirijumPreuzeto uz modifikacije iz Silverthorn: Human Physiology. Integrative aproach (2004)

11�

Inspiracijski i ekspiracijski rezervni volumeni predstavljaju maksimalnu zapreminu vazduha koja se može udahnuti/izdahnuti dodatno, posle normalne inspiracije/ekspiracije. Rezidualni volumen je volumen vazduha koji zaostaje u plućima i posle najsnažnije moguće eskpiracije. Suma respiratornog, inspiracijskog i ekspiracijskog rezervnog volumena predstavlja vitalni kapacitet pluća, a meri se volumenom vazduha koji se maksimalno izdahne iz pluća nakon maksimalnog udisaja (kod zdrave odrasle žene je 3.2 l, a kod muškarca 4.7). Vitalni kapacitet pluća predstavlja indeks funkcionalnosti pluća, varira u u zavisnosti od brojnih faktora (pola, starosti, istrenirantosti, položaja tela i dr), a može da se odredjuje specifičnim aparatom spirometrom.

Slika 4.21. Dinamički plućni volumeni kod zdravog odraskog muškarcaPreuzeto uz modifikacije iz Silverthorn: Human Physiology. Integrative aproach (2004)

11�

Uporedni Pregled Funkcija Gastrointestinalnog Trakta 05

5.1. ISHRANA

Životinjama je hrana potrebna da bi obezbedile gradivni materijal neophodan za rast i održavanje ćelijske i metaboličke mašinerije, i kao izvor energije za sve životne procese.Generalno posmatrano, životinje gradivne materije obezbedjuju hidrolitičkim razlaganjem makromolekula kao što su proteini, karbohidrati, lipidi, a zatim se dobijeni produkti metabolišu da bi se obezbedila energija neophodna za sintezu sopstvenih materija. Medjutim, životinje nisu biohemijski sposobne da sintetišu sve organske materije koje su im potrebne. Da bi se održale u životu, one moraju hranom (dakle od drugih organizama) da unesu tzv. esencijalne organske materije:

1. esencijalne aminokiseline neophodne za sintezu proteina (date u tabeli), 2. esencijalne masne kiseline (omega-3 i omega-6 masne kiseline su esencijalne za mnoge životinje) i 3. odredjene vitamine (vidi tabelu 5.1.).4. odredjeni minerali (40% proteina sadrži atome metala; preko 20 hemijskih elementa je neophodno da bi se konstituisalo telo životinje) .

Proteini često predstavljaju poseban problem u ishrani, zato što je količina azota (odgovarajuće forme) u ekosistemu ograničena, a esencijalne aminokiseline su obično nedostupne u potrebnim količinama. Životinje nemaju sposobnost skladištenja aminokiselina potrebnih za sintezu proteina, nego ih unose sa hranom kada su im potrebne i u količini koja im je potrebna. Drugim rečima, nedostatak bilo

koje esencijalne aminokiseline u odredjenom vremenu, može dovesti do poremećaja u sintezi proteina a time i ugroziti život jedinke.

Tabela 5.1. Esencijalne aminokiseline mladog pacova i ljudi

ESENCIJALNE AMINOKISELINE KOD MLADOG PACOVA

SLIČNOSTI/RAZLIKE KOD LJUDI

Arginin Nije esencijalan kod ljudiHistidin Esencijalan za decu a

ne za zdrave adulteIzoleucin Esencijalan za decu i adulteLeucin Esencijalan za decu i adulteLizin Esencijalan za decu i adulteMetionin Esencijalan za decu i adulteFenilalanin Esencijalan za decu i adulteTreonin Esencijalan za decu i adulteTriptofan Esencijalan za decu i adulteValin Esencijalan za decu i adulte

Ove aminokiseline koje su esencijalne za pacova su takodje esencijalne za insekte, ribe, ptice, iako su za život nekih ptica i insekata potrebne još neke aminokiseline.Pronalaženje hrane koja sadrži odredjenu količinu lipida je daleko manji problem, za životinje, u odnosu na proteine. Životnjske ćelije poseduju biohemijsku felksibilnost u pogledu sinteze lipida. Uglenik neophodan za sintezu lipida može biti poreklom od karbohidrata, proteina ili je unet u organizam hranom u sastavu lipida. Takodje, životinje

11�

imaju sposobnost deponovanja lipida, u telu, za buduće potrebe. Ipak, neke životinje, uključujući sisare, ne poseduju enzime neophodne za produkciju dvostruke veze na omega-3 i omega-6 poziciji. Zbog toga, su omega-3 i omega-6 masne kiseline esencijalne i moraju biti unete hranom, bar u kritičnim periodima života.Strukturni karbohidrati, kao što su hitin, celuloza i hemiceluloza su najzastupljenije organske materije na Zemlji, ali mnoge životinje ne sintetišu enzime za njihovu digestiju, tako da je ovaj bogati izvor energije, većini životinja nedostupan.Vitamini su komponente veoma različite po hemijskoj strukturi. Ono što im je zajedničko je to da su životinjama potrebni vitamini u malim količinama. Hidro-solubilni vitamini, naročito B vitamini, su esencijalni za gotovo sve životinje. Lipo-solubilni vitamini, kao što su vitamini A i K su specijalizovani u svojim funkcijama, tako da nisu potrebni svim životinjama.

Tabela 5.2 Hidro-solubilni vitamini i njihova fiziološka uloga

VITAMIN FIZIOLOŠKA ULOGA

Tiamin (B1) Koenzim za reakcije oksidativne dekarboksilacijeRiboflavin (B2) Koenzim za oksido-reduktivne reakcije

(potreban za sintezu FAD)Niacin Koenzim za oksido-reduktivne reakcije

(potreban za sintezu NAD)Piridoksin (B6) Koenzim za reakcije metabolizama aminokiselinaPantotenat Koenzim za reakcije transfera acetilne

grupe (potrebne za sintezu koenzima A)Folat Koenzim za reakcije transfera ugljenika

(u sintezi nukleinskih kiselina)Kobalamin (B12) Koenzim za reakcije transfera ugljenika

(u sintezi nukleinskih kiselina)Biotin Koenzim za reakcije karboksilacijeAskorbinska kiselina (C) Antioksidant. Ima i druge uloge u

reakcijama koje uključuju kiseonik.

Tabela 5.3. Lipo-solubilni vitamini i njihova fiziološka uloga

Vitamin Fiziološka ulogaVitaminA Komponenta vidnog pigmenta. Neophodan za normalan rast kostiju,

reproduktivnu funkciju, integritet ćelijske membrane. Ukoliko majka tokom trudnoće unosi veliku količinu vitamina A, može doći do poremećaja u razvoju fetusa, zato što vitamin A utiče na transkripciju nekih gena

VitaminD Aktivator metaboličkih puteva kalcijuma i fosfora; može da se veže za odredjene hormonske receptore

VitaminE Antioksidant; čuva integritet membranskih fosfolipidaVitaminK Koenzim za produkciju faktora koagulacije krvi

5.1.2. IZVORI ENERGIJEPrema izvoru koju koriste organizmi se mogu podeliti u tri kategorije.Biljke koriste energiju sunčeve svetlosti i CO2 iz atmosfere za sintezu šećera i indirektno svih drugih organskih materija potrebnih biljkama za život i rast (fototrofni organizmi).Životinje koriste organske materije kao izvor energije i gradivnog materijala (heterotrofni organizmi). Drugim rečima, energiju dobijaju oksidacijom organskih molekula, koji potiču iz biljaka i drugih životinja tj. indirektno zavise od sunčeve energije. One se prema prirodi hrane koju koriste mogu podeliti na: herbivore (biljojede), karnivore (mesojede) i omnivore (svaštojede).Postoje izuzetci od ove univerzalne zavisnosti od sunčeve energije. Duboko u okeanu, na nekoliko lokacija, gde ne prodire ni malo sunčeve svetlosti, žive životinjske zajednice koje koriste odredjene hemijske karakteristike geotermalno zagrejanih voda.Ukoliko organizmi dobijaju energiju iz neorganskih materija to su hemotrofni organizmi.

5.1.3. TIPOVI ISHRANE Ishrana je moguća zahvaljujući razvoju različitih načina tj. metoda za uzimanje hrane koji su determinisani prirodom i tipom hrane koju životinje koriste. Najčešći modeli za uzimanje hrane su prikazani u tabeli 5.4.

Tabela 5.4. Metode uzimanja hrane koje su razvile različite životinje u zavisnosti od tipa hrane

Tip hrane Tip (metod) hranjenja Životinje koje ga koriste

Malepartikule

Formiranje digestivnih vakuola;Upotreba cilijaFormiranje mukusnih zamkiUpotreba tentakulaFiltriranje

Amebe, radiolarieCiliate, sundjeri, školjkeGastropode,tunikateMorski krastavci,Račići (npr. Daphnia), kitovi, flamingosi

Velikepartikule

Unošenje inaktivih masaGrebanje, čeprkanje, Žvakanje, bušenjeHvatanje i gutanje plena

Životinje koje se hrane detriusom, kišna glistaMorski jež, puževi, insekti, kičmenjaciDupljari, ribe, zmije, ptice, slepi miševi

Fluidilimeka tkiva

Sisanje biljnog soka, nektaraUnošenje krviSisanje mleka i mlečnih sekretaSpoljašnje varenjeUsvajanje hrane preko površine tela

Aphidae, pčele, pticePijavice, krpelji, insekti, Vampiri (slepi miševi)Mladisisari,mladepticePauciParaziti, pantljičara

Rastvorene organske materije

Usvajanje iz razblaženih rastvora Vodeni beskičmenjaci

Simbioza Delovanje intracelularnih simbiotskih algi

Paramecijum, sundjeri, korali, hidre, pljosnati crvi

11�

Jedan od modela ishrane je kada životinje usvajaju komade hrane. Predatori su razvili mehanizme za hvatanje žrtve. Organi za hvatanje i kidanje žrtve su čeljusti i radule različitog tipa. Pauci i larve muva, hvataju plen tako što izbacuju kiselinu i enzime u spoljašnju sredinu, a zatim se plen natopljen digestivnim sokom usisava u gastrointestinalni trakt. Kod ovih životinja je hvatanje plena praćeno spoljašnjim varenjem. Takodje, neke životinje su razvile specifične mehanizme za hvatanje žrtve, kao što je sinteza različitih toksičnih komponenti tj. otrova koji im služe kao oružje u odbrani i hvatanju plena.Ishrana suspenzijom je široko rasprostranjena u životinjskom svetu. Hranu u obliku čestica čine živi fitoplanktoni, detritus (izumrli fitoplanktoni i dr.), protozoe, bakterije, absorbovane organske materije na inertnim česticama. Životinje koje se hrane suspenzijom, se hrane niže u lancu ishrane, što im omogućava pristup hrani velike produkcije (npr. fitoplankton). Naime, da bi obezbedile dovoljnu količinu hrane životinje moraju da profiltriraju ogromne količine vode kroz aparate za filtriranje. Npr. gigantska ajkula za 1 sat profiltrira fitoplankton iz 2 000 t vode. Mnoge od najvećih životinja na Zemlji, koriste ovaj tip ishrane (kit).

Slika 5.1. Kratak lanac ishrane oslobadja manje energije nego dugačak

5.1.4. ISHRANA POMOĆU SIMBIONATA Životinje održavaju simbiozu sa heterotrofnim i autotrofnim mikroorganizama. Heterotrofni mikrobi, kao izvor energije, koriste organske materije iz spoljašnje sredine. Autotrofni mikrobi su sposobni da sintetišu organske

molekule iz neorganskih (npr. CO2 i NO3-), koristeći

energiju sunčeve svetlosti, ili energiju koja se oslobadja u hemijskim reakcijama neorganskih komponenti. Dakle, životinje mogu da održavaju simbiozu sa fotosintetskim autotrofima (fotoautotrofima), hemosintetskim autotrofima (hemoautotrofima) i heterotrofnim mikroorganizmima.Simbioza sa fotoautotrofima Nekoliko vrsta vodenih životinja dobija organske materije od populacija algi koje žive u njima sa kojima održavaju simbiozu. Najpoznatiji primer ovakve simbioze su korali koji energiju hrane dobijaju od algi, tzv. Dinoflagellata (ili kako se još zovu Zooxanthella). Sem toga što predstavljaju izvor hrane za korale, alge, metabolički stimulišu formiranje koralnog skeleta. Stabilnost simbiontske zajednice je od naročitog značaja za opstanak korala. Ukoliko, neki faktor, npr. stres destabiliše asocijaciju, tako da alge napuste koralne polipe, korali će izumreti što će dovesti do dezintegracije koralnog grebena. Preko 500 vrsta korala na koralnim grebenima održava simbiozu sa dinoflagelatama.

Slika 5.2.Koralnipolip

Takodje, džinovske školjke koje žive u ekosistemu koralnog grebena, kao i morski sundjeri, anemone, i meduze, imaju dinoflagelate kao simbionte. Slatkovodni sundjeri, hidre i pljosnati crvi, održavaju simbiotsku zajednicu sa algama koje pripadaju drugoj taksonomskoj kategoriji.Simbioza sa hemoautotrofimaDo pre 30 godina, simbioza sa hemoautotrofima se nije smatrala naročito značajnom za opstanak životinja. Medjutim, otkriće hidrotermalnih zajednica koje egzistiraju na velikim dubinama u okeanu, na mestima gde topla voda izvire iz pukotina Zemljine kore, je skrenulo pažnju istrazivača na

11�

ovakav tip simbioze. Ključ za život životinja u uslovima bez svetlosti su hemoautotrofne bakterije koje mogu da oksidišu sumpor. Ove bakterije mogu da oksidacijom neorganskih sulfida (S2-) obezbede energiju potrebnu za sintezu organskih molekula. Izvor S2-, u hidrotermalnim zajednicama, je lokalna redukcija sulfata (SO4

2-) pod uticajem toplotne energije Zemlje. Na mestima gde su tektonska pomeranja Zemljine kore dovela do formiranja pukotina i kontakta morske vode sa ugrejanom lavom, dešavaju se hemijske reakcije u kojima se redukuje sav sumpor iz ugrejane morske vode (SO4

2- do S2-). Morska voda, zagrejana u podvodnim pukotinama Zemljine kore (350oC), se meša sa oklnom vodom okeana, noseći sa sobom S2- u formi H2S. Hemoautotrofne bakterije hidrotermalnih zajednica koriste H2S, oksidišu S2- do hemijskih formi kao što je SO4

2-, a oslobodjenu energiju koriste za sintezu organskih molekula.

Slika 5.3. Riftia pachyptila, koja živi u simbiozi sa hemoautotrofnim bakterijama u hidrotermalnim zajednicama

Mnoge životinje u ovim hidrotermalnim zajednicama dobijaju organske hranljive materije održavanjem simbioze sa hemoautorofnim bakterijama koje oksidišu sumpor. Primer za ovo je pogonofora Riftia pachyptila, koja može biti 1.5 m dugačka, i živi u blizini podvodnih pukotina Zemljine kore. Riftia nema usta, ni gastrointestinalni trakt i ne može da uzima hranu iz spoljašnje sredine. Oko petine njegovog tela sadrži tkivo tzv. trofozome, koje je nastanjeno populacijama sumpornih bakterija. Hemolimfa kod ovih životinja, cirkuliše kroz škrge, preuzima O2 i H2S iz morske vode, i transportuje ih do simbionata. H2S se kao i O2 transportuje vezan za

hemoglobin, medjutim vezno mesto H2S se razlikuje od veznog mesta za O2. Simbionti oksiduju S2-, a energiju dobijenu oksidacijom koriste za sitezu organskih materija, koje zatim usvaja i Riftia. Takodje, školjke i puževi, članovi ekosistema hidrotermalnih pukotina Zemljine kore, imaju simbionte nastanjene u škrgama, iako mogu da koriste »spoljašnju« hranu tj. imaju digestivni sitem.

Simbioza sa heterotrofnim mikrobima Heterotrofni mikroorganizmi, kao i životinje, potrebnu energiju dobijaju oksidacijom organskih molekula iz spoljašnje sredine. Iako, simbioza sa ovakvim mikroorganizmima, životinjama ne obezbedjuje izvor hranljivih materija, ona može biti izvor odredjenih biološki aktivnih materija (odredjenih enzima, vitamina i dr.), odnosno, obezbedjuje im metaboličke kapacitete kakve same nemaju. Simbiotski heterotrofni mikrobi, se često nazivaju fermentirajući mikrobi zbog činjenice da nastanjuju lumen creva i u njemu vrše anaerobnu razgradnju organskih materija tj. vrše fermentaciju. Životinje koje održavaju specijalizovane simbiotske asocijacije sa mikrobima koji vrše fermentaciju su fermentatori. Iako je crevni trakt svih kičmenjaka nastanjen populacijama fermentirajućih mikroba, mogu se razlikovati odredjeni tipovi kičmenjaka koji su razvili morfološke prilagodjenosti crevnog trakta, u smislu obezbedjenja pogodnih uslova za život zajednice mikroorganizama. To su obično specijalizovane komore, nastale u regionu crevnog trakta kroz koji se sporije kreće hrana i koje obezbedjuju stabilnu, skoro neutralnu sredinu, pogodnu za život mikroba. Najčešće su ove komore deo prednjeg creva (ezofagusa ili želuca) i nastanjene su zajednicama bakterija, protozoa, kvasaca ili gljiva. Digestivni trakt preživara predstavlja primer prilagodjenosti na simbiontsko varenje hrane, najvećim delom za razgradnju velike mase biljnog materijala. Pravi preživari (ovca, antilopa, krava, koza, kamila, los, jelen, i bufalo) imaju želudac izgradjen iz 4 komore (rumen, retikulum, omazus i abomazus). Prva i najveća komora, u koju se uliva ezofagus, je rumen. Ona je nastanjena mikroorganizmima koji fermentiraju biljni materijal koji životinja proguta. Komora koja sadrži gastrične žlezde tj. ćelije koje sekretuju kiselinu i enzime je obično poslednja u nizu komora, i u njoj se vrši »klasična« digestija hrane. Druga grupa životinja koje, takodje, pripadaju grupi fermentatora prednjeg creva (npr. kengur i hipopotamus) nemaju rumen.Funkcionalni efekti održavanja zajednice mikroorganizama prednjeg creva, se mogu podeliti u tri kategorije. Prva se odnosi na sintezu odredjenih materija kao što su npr. B vitamini. Simbionti ovce i krave npr. sintetišu dovoljne količine B vitamina, tako da životinje nemaju potrebu da

120

ih dodatno unose hranom. Mikroorganizmi koji nastanjuju rumen, takodje, sintetišu esencijalne aminokiseline. Mikroorganizmi, od azotnih i bezazotnih sastojaka životinjske hrane, sintetišu proteine koji su im potrebni za sopstveni rast i razvoj. Neke od aminokiselina koje produkuju ovi mikroorganizmi su esencijalne aminokiseline za životinje.Druga kategorija se odnosi na fermentno razlaganje materija koje životinje ne mogu da digeriraju sopstvenim enzimima. Ovo se najvećim delom odnosi na celulozu i druge karbohidrate koji grade zid biljne ćelije, kao što je hemiceluloza. Celuloza je jedna od najzastupljenijih organskih materija u biosferi i na taj način potencijalno veliki izvor energije. Kičmenjaci nisu sposobni da digeriraju celulozu, nego je nesvarenu izbacuju u spoljašnju sredinu. Neki od mikroba koji žive u zajdnici sa ostalim mikroorganizmima prednjeg creva, sintetišu kompleks enzima tzv. celulaze, koji razlažu celulozu do komponenti koje njihov domaćin (životinja) može da absorbuje i da metaboliše. Produkti anaerobnog razlaganja biljnih karbohidrata su masne kiseline koje imaju lanac izgradjen od nekoliko C atoma (SCFA, engl. short-chain fatty acids). To su sirćetna, propionska i buterna kiselina, koje mikroorganizmi koriste kao izvor energije, a takodje mogu da se absorbuju i metabolišu u gastrointestinalnom traktu domaćina. Produkti fermentacije strukturnih karbohidrata biljaka su i CO2 i metan (CH4), gasovi koji se retrogradno izbacuju preko ezofagusa u spoljašnju sredinu. Treća funkcija zajednice mikroorganizama u prednjem crevu kičmenjaka je povezana sa prvom. Mikroorganizmi mogu da koriste produkte katabolizma proteina za resintezu aminokiselina. Sisari, kao produkat katabolizma proteina, sintetišu ureu, koja se zatim ekskretuje iz organizma. Kod preživara na primer, urea iz krvi može da difunduje u region creva koji je nastanjen sa simbiontima. Mikroorganizmi rumena je koriste za produkciju NH3, a nastali NH3 koriste drugi mikrobi, kao izvor azota za sintezu proteina. Kada životinja, kasnije, digerira proteine mikroorganizama, nastale aminokiseline se koristite za sintezu proteina domaćina. Neki biljojedi kičmenjaci održavaju zajednice mikroba, izgradjenih od većeg broja vrsta, koji vrše fermentaciju u zadnjem crevu. Mnoge vrste sisara, kao što su zec, konj, zebra, nosorog, slon i neki glodari, pripadaju ovoj grupi životinja. Ove vrste imaju znatno uvećan cekum i kolon, nastanjene mikroorganizmima. Grupi životinja koje u zadnjem crevu sadrže simbiotske mikroorganizme, pripadaju i neke biljojede ptice, kao i biljojede kornjače i gušteri. Nekoliko vrsta biljojedih riba ima u srednjem crevu nastanjene mikroorganizme koji vrše fermentaciju biljnih karbohidrata. Slika 5.4. Digestivni sistem kod preživara (životinja koje imaju rumen).

121

Razne vrste beskičmenjaka, takodje, održavaju simbiozu sa fermentirajućim mikrobima. Najpopularniji primer, ovakve simbioze su termiti koji se hrane drvetom, i zajednice obligatno anaerobnih flagelata i bakterija, koje žive u zadnjem crevu ovih insekata.Protozoe fermentiraju celulozu i produkuju sirćetnu kiselinu koju usvajaju i koriste termiti. S’ obzirom da se termiti hrane drvetom, i da je ova hrana siromašna azotom, smatra se da intestinalni mikrobi vrše funkciju fiksacije azota i na taj način potpomažu sintezu proteina. Mikroorganizmi koji žive u simbiozi sa beskičmenjacima, slično onim kod kičmenjaka, obezbedjuju domaćinu B vitamine, esencijalne aminokiseline i mogu da koriste produkte katabolizma proteina za njihovu ponovnu sintezu. Neke funkcije simbionata gastrointestinalnog trakta beskičmenjaka su drugačije od onih kod kičmenjaka. Na primer, sinteza sterola kod zglavkara je takav primer. Naime, zglavkari za razliku od većine životinja nemaju sposobnost da sintetišu prekursore sterola. Steroli ili prekursori sterola su esencijalne hranljive materije za zglavkare, koje oni dobijaju od mikrbijalnih simbionata gastrointestinalnog trakta.

5.2. VARENJE HRANE

Hrana životinja je organskog porekla, uglavnom sastavljena od materija koje pripadaju proteinima, mastima i karbohidratima. Ove tri grupe organskih molekula, (koje dominiraju gradjom svih biljaka i životinja) su obično velike molekule (najmanji

Slika 5.5. Digestivni sistem zeca i ponija (u zadnjem crevu žive simbiontski mikroorganizmi koji vrše fermentaciju)Funkcije fermentirajućih mikroba srednjeg i zadnjeg creva se donekle razlikuju od onih koje nastanjuju prednje crevo. Ipak, prisutna je funkcija razlaganja celuloze i drugih strukturnih karbohidrata biljaka, i produkcija SCFA, koje životinja koristi za svoj metabolizam.

šećeri imaju MW od nekoliko stotina, masti imaju veću MW; a MW mnogih proteina je od 100 000 do nekoliko miliona). Bez obzira da li se hrana koristi kao izvor energije ili kao izvor gradivnih komponenti, velike molekule hrane moraju prvo biti razgradjene u jednostavnije jedinice (uglavnom monomere), a zatim absorbovane i inkorporirane u telo životinje ili metabolisane da bi obezbedile energiju. Proces kojim se velike i kompleksne molekule hrane razlažu na komponente koje će moći da budu absorbovane, i tako stavljene organizmu na raspolaganje, nosi naziv digestija ili varenje. Razlaganje hrane se obavlja delovanjem hidrolaza, tj. enzima koji vrše hidrolizu makromolekula uz učešće molekula vode (proteinaze, karbohidraze, lipaze, nukleaze). Enzimi koji digeriraju hranu mogu biti lokalizovani: intracelularno tj. u ćelijama; ekstracelularno (intraluminalno) tj. u lumenu specijalizovanog digestivnog trakta; ili su digestivni enzimi integralni membranski proteini tako da se varenje obavlja na površini enterocita tzv. membransko varenje. Intraluminalni enzimi, i enzimi koji su vezani za ćelijsku membranu, su povezani sa ekstracelularnim varenjem, dok su intracelularni enzimi odgovorni za intracelularno varenje. Životinje obično imaju sve tri forme digestivnih enzima, iako postoje značajna variranja u pogledu zastupljenosti odredjenog tipa varenja. Tako na primer, kod nekih školjki varenje katališu uglavnom intracelularni enzimi. Kičmenjaci, nasuprot, imaju najvećim delom ekstracelularno varenje, katalisano enzimima lumena trakta kao i membranskim enzimima, a samo mali deo finalnih reakcija digestije proteina se dešava intracelularno.

122

Tabela 5.5.Digestivni enzimi kod sisara

ENZIM SUBSTRAT AKTIVATOR IZVOR FUNKCIJA

Pepsin (pepsinogen) Proteinilipolipeptid HCl Fundusne žlezde želuca Hidrolizu peptidne veze izmedju AK i aromatične AK

Tripsin (tripsinogen) Proteinilipolipeptid enterokinaza Egzokrini pankreas Hidrolizu peptidne veze na C-kraju baznih AK (arginin ili lizin)Himotripsin (himo-tripsinogen)

Proteinilipolipeptid tripsin Egzokrini pankreas Hidrolizu peptidne veze na C-kraju aromaticnih AK

Elastaza (proelastaza) Elastin ili drugi proteini

tripsin Egzokrini pankreas Hidrolizu peptidne veze na C-kraju alifaticnih AK

Karboksipeptidaza A (prokarboksipeptidaza A)

Proteinilipolipeptid tripsin Egzokrini pankreas Cepa terminalnu AK na C-kraju koja ima aromatični ili alifaticni bočni lanac

Karboksipeptidaza B (prokarboksipeptidaza B)

Proteinilipolipeptid tripsin Egzokrini pankreas Cepa terminalnu AK na C-kraju koja ima bazni bočni lanac

Enteropeptidaza (ili enterokinaza)

Tripsinogen ……… Crevna mukoza tripsinogen ⇒tripsin

Aminopeptidaze polipeptidi ……… Crevna mukoza Cepaju amino-terminalnu AK Karboksipeptidaze polipeptidi ……… Crevna mukoza Cepaju karboksi-terminalnu AKEndopeptidaze polipeptidi ……… Crevna mukoza Hidroliza peptidne veze u sredini peptidaDipeptidaze dipeptidi ……… Crevna mukoza Produkti = dve AKPeptidaze Di-,tri-,tetrapeptidi ……… Citoplazma mukoznih ćelija Produkti = AKPljuvačna α-amilaza skrob Cl- Pljuvačne žlezde Hidroliza1:4α glikozidne veze, produkti = α-

granični dekstrini, maltotrioza i maltozaPankreasnaα-amilaza skrob Cl- Egzokrini pankreas Ista kao i pljuvačne amilazeMaltaza Maltoza,maltotrioza,

α-dekstrini……… Crevna mukoza Produkt = glukoza

Laktaza Laktoza ……… Crevna mukoza Produkti = galaktoza i glukozaSaharaza Saharoza, kao i

maltoza,maltotrioza……… Crevna mukoza Produkti = fruktoza i glukoza

α-Dekstrinaza α-dekstrini,kaoImaltoza,maltotrioza

……… Crevna mukoza Razlaganje 1:6α glukozidne vezeProdukt = glukoza

Trehalaza Trehaloza ……… Crevna mukoza Razlaganje 1:1α glukozidne vezeProdukt = dve glukoze

Lingvalna lipaza Trigliceridi ……… Lingvalna žlezda Produkti = masne kiseline + 1,2-diacilgliceroliŽeludačna lipaza Trigliceridi ……… Želudac Produkti = masne kiseline + glicerolKolipaza (prokolipaza) Masnekapi Tripsin Egzokrini pankreas Stimuliše aktivnost pankreasne lipazePankreasnalipaza Trigliceridi ……… Egzokrini pankreas Produkti = masne kiseline + monogliceridiHidrolaze holesteril estra holesteril estar ……… Egzokrini pankreas Produkt = holesterolFosfolipaza A2 (profosfolipaza A2)

Fosfolipidi Tripsin Egzokrini pankreas Produkti = masne kiseline, lizofosfolipidi

Ribonukleaze RNA ……… Egzokrini pankreas Produkti = nukleotidiDezoksiribonukleaze DNA ……… Egzokrini pankreas Produkti = nukleotidiNukleotidaze nukleotidi ……… Crevna mukoza Produkti = nukleozidi + ostatak fosforne kisNukleozidaze nukleozidi ……… Crevna mukoza Produkti = pentoza + purinska ili pirimidinska baza

5.2.1. INTRACELULARNO VARENJEProtozoe kao i neke metazoe, usvajaju hranu endocitozom, a varenje hranljivih materija, se odigrava u digestivnim

vakuolama u koje se sekretuju digestivni enzimi. Slična intercelularna digestija hrane se dešava kod sundjera, dupljara, ktenofora i turbelarija. Takodje, mnoge životinje

AK-aminokiseline

12�

složenije gradje imaju u značajnoj meri zastupljeno intracelularno varenje kao dodatak ekstracelularnom varenju. Na primer, ćelije digestivnih žlezda nekih školjki imaju sposobnost fagocitoze sitnih partikula hrane, koje potom razlažu u digestivnim vakuolama. Neke životinje, kao što su dupljari imaju zastupljeno ekstracelularno i intracelularno varenje. Svi dupljari su karnivori koji hvataju žrtvu i uvlače je u digestivnu duplju (celenteron) gde se započinje njeno razlaganje. Delimično razloženu hranu fagocitraju ćelije koje oblažu duplju i dalja digestija se odvija po intracelularnom tipu. Isto tako, kod planarija razlaganje hrane započinje ekstracelularnim varenjem u gastrovaskularnoj šupljini, a nastavlja se u ćelijama koje oblažu tu duplju.

5.2.2. EKSTRACELULARNO VARENJEUopšteno posmatrano, u životinjskoj seriji se mogu razlikovati tri glavna modela digestivnog sistema. To su modeli zastupljeni kod mekušaca, zglavkara i kičmenjaka. 5.2.2.1 Sistem za varenje kod kičmenjaka. U novije vreme morfolozi kod kičmenjaka prepoznaju četiri segmenta tubularnog digestivnog sistema: glaveni deo creva, prednje, srednje i zadnje crevo. Glaveni deo creva, kako samo ime kaže, predstavlja crevo koje se nalazi u glavi i vratu, i sastoji se od delova kao što su usne, obrazne duplje, jezik i ždrelo. Funkcija ovog dela creva je hvatanje i gutanje hrane kao i priprema hrane za varenje. Kod nekih kičmenjaka priprema hrane je minimalna, kao npr. kod mnogih predatorskih riba koje brzo progutaju celu žrtvu. Kod drugih priprema je duga i obuhvata žvakanje ili mlevenje hrane, razmekšavanje i otapanje, kao i delovanje nekih digestivnih enzima.

Prednji deo creva kičmenjaka se sastoji od jednjaka i želuca, ponekad i voljke (komore za skladištenje) ili komore za mlevenje. Funkcija jednjaka (ezofagusa) je da transportuje hranu iz glavenog regiona u želudac. U želudac kičmenjaka, bez nekoliko izuzetaka, se sekretuju HCl i pepsini (set enzima koji digeriraju proteine). Želudac kičmenjaka prima hranu, u njemu započinje digestija proteina i hrane generalno, kombinovanjem mehaničkih efekata, HCl i efekata digestivnih enzima. Želudac kod vrsta koje ga poseduju može biti jednokomorni ili više komorni. Muskulozan želudac je karakterističan za karnivorne i omnivorne kičmenjake. Kod višekomornog želuca, kao npr. kod hrčka (Cricetus Cricetus) jedna komora funkcioniše kao skladište i mesto mehaničke obrade hrane, dok se u drugoj komori sintetišu enzimi i luči HCl. Takodje, ptice koje se hrane zrnevljem imaju diferenciran želudac na žlezdanu i mišićnu komoru, za razliku od ptica grabljivica koje imaju jednokomorni želudac.

Slika 5.7. Gastrične žlezde.

Karakteristike želuca preživara su opisane ranije. Jednokomorni želudac sisara je podeljen na kardijalni region (u koji se uliva jednjak), fundusni i pilorični region (od koga počinje duodenum). Zid želuca (tunica mucosa) je bogat želudačnim žlezdama. U regionu kardije i pilorusa, žlezde sekretuju mukus, dok u regionu fundusa sadrže ćelije koje

Slika 5.6. Digestivni sistem kod ljudi

12�

sekretuju HCl tzv. parijetalne ćelije i ćelije koje sekretuju pepsinogen tzv. glavne (peptidergične) ćelije. Aktivnost parijetalnih ćelija je odgovorna za nisku pH vrednost u želucu (oko 1-2).

Kako ove ćelije funkcionišu tj. sekretuju H+ a pri tome održavaju neutralnu pH vrednost citoplazme? Apikalna membrana ovih ćelija je bogata H+-K+ ATP-azom koja pumpa H+ iz ćelija, suprotno koncentracijskom gradijentu. Parijetalne ćelije su bogate tubovezikularnim strukturama koje u membrani sadrže H+-K+ ATP-aznu pumpu. Kada je ćelija stimulisana (gastrin, acetil-holin, histamin) tubovezikularne strukture se pomeraju i fuzionišu sa apikalnom membranom i na taj način se molekuli pumpe ugradjuju u ćelijsku membranu. H+ koji se pumpa iz ćelija je poreklom iz H2CO3 koja nastaje hidratacijom CO2. Parijetalne ćelije su bogate karboanhidrazom koja favorizuje nastanak H2CO3 tj. H

+ i HCO3-. HCO3

- se antiportom, na bazolateralnoj membrani, izbacuje iz ćelije tj. razmenjuje za drugi anjon najćešće Cl-. Želudačna služokoža je zaštićena od agresivnog dejstva HCl postojanjem mukozne barijere. Površinske mukozne ćelije i ćelije vrata gastričnih žlezda produkuju mukus (glikoproteini) i sekretuju HCO3

-. Bikarbonatni anjoni su najvećim delom vezani za mukozni gel, tako da je na površini mukoznih ćelija pH izmedju 6 i 7, iako je u lumenu 1-2.Srednje i zadnje crevo su prvi i drugi segment »creva u užem smislu« tj. intestinuma. Kod ljudi se razlikuju tako što je srednje crevo manjeg dijametra i naziva se tanko crevo, a zadnje crevo je većeg dijametra i zove se debelo crevo. Kod većine kičmenjaka ova dva segmenta su sličnog dijametra, tako da ne može da se koristi terminologija tankog i debelog creva. Kod amfiba, reptila, ptica i sisara tanko crevo je podeljeno na duodenum i tanko crevo u užem smislu, koje je kod nekih kičmenjaka podeljeno na jejunum i ileum. U svakom slučaju, srednje crevo kičmenjaka je mesto digestije proteina, karbohidrata i lipida. Crevni sok sekretuju Brunerove žlezde koje luče alkalnu sluz i

Liberkinove kripte koje sekretuju izotoničnu tečnost. Crevni sok nekih kičmenjaka sadrži crevnu amilazu, i lipazu, a na četkastom pokrovu enterocita se nalaze maltaza, saharaza, laktaza, amino i karboksipeptidaze, kao i di i tripeptidaze, nukleaze. To je, takodje, i mesto absorbcije produkata digestije ove tri kategorije makromolekula, kao i minerala, vitamina i vode. Glavna funkcija zadnjeg creva je završavanje absorpcije potrebne vode i minerala iz crevnog sadržaja pre eliminacije u spoljašnju sredinu, kao i skladištenje nepotrebnih produkata digestije izmedju defekacija. Možda je absorbcija vode i minerala u debelom crevu skromna ali je životno važna. Kod ljudi, na primer, se u toku dana iz krvi u crevo sekretuje oko 7L vode i minerala potrebnih za varenje hrane, koja se reabsorpcijom vraća u krvotok. Ukoliko se na neki način spreči reapsorpcija vode i elektrolita, usled nekih obolenja to može imati letalne posledice po organizam (npr. kolera). Zadnje crevo nekih kičmenjaka je mesto sinteze vitamina K, B6, B12, folne kiseline, inozitola, koje sintetišu simbiontski mikroorganizmi koji tu žive.Digestivni sistem kičmenjaka poseduje još dve žlezde koje sekretuju produkte u srednje crevo tj. u duodenum predstavnika koji ga imaju. To su egzokrini pankreas i jetra. Pankreas sekretuje enzime koji digeriraju hranu u srednjem crevu, kao i bikarbonate koji obezbedjuju odgovarajuću pH u crevu. Enzimi pankreasnog soka koji dospevaju u duodenum su: amilaza, lipaza, kolipaza, ribonukleaze i dezoksiribonukleaze, i neaktivne forme proteolitičkih enzima koji će se aktivirati u duodenumu (tripsin, himotripsin, elastaza, karboksipeptidaze). Jetra ekskretuje žuč u čiji sastav ulaze i žučne kiseline (holna, dezoksiholna, litoholna) koje emulguju masti, a time aktiviraju lipazu koja će ih razgraditi. Takodje, utiču i na crevnu motoriku i pravilan sastav mikroflore. Hrana se kroz tubularni sistem za varenje kreće kontrakcijom glatke muskulature zida creva. Glatki mišići su u zidu creva, organizovani u dva sloja: spoljašnji ili longitudinalni sloj, koji svojom kontrakcijom obezbedjuje skraćenje creva, i unutrašnji ili cirkularni koji kontrakcijom smanjuje lumen creva tj. obezbedjuje konstrikciju creva. Osnovni model aktivnosti glatke muskulature creva su peristaltički pokreti. To je visko koordinisani model kontrakcije, u kome kontrakcija (konstrikcija) jednog dela creva inicira konstrikciju susednog i na taj način se formira tzv. peristaltički talas kojim se hrana potiskuje duž creva. Segmentacija je, takodje, značajan model aktivnosti glatke muskulature, u kome naizmenična kontrakcija i relaksacija cirkularnih mišića jednog segmenta creva, guraju hranu napred i nazad. Aktivnost glatke muskulature creva je spontana, medjutim, ova spontana aktivnost se nalazi pod stalnim modulatornim uticajem neurona enteričnog sistema (neuroni koji se nalaze

Slika 5.8. mehanizam sekrecije H+ u lumen želuca

12�

u zidu creva a pripadaju vegetativnom nervnom sistemu, vidi skriptu iz Opšte fiziologije). Motilitet creva, je opšti termin, koji se koristi za opisivanje crevne mišićne aktivnosti (peristaltike, segmentacije ili druge oblike mišićne aktivnosti creva) kičmenjaka i beskičmenjaka.5.2.2.2 Sistem za varenje kod zglavkara. Sistem za varenje kod zglavkara, donekle liči na kičmenjački: razlaganje hrane kod ovih životinja se uglavnom vrši ekstracelularno, a hrana se kreće zahvaljujući kontrakciji mišića u zidu creva.Digestivni trakt zglavkara se sastoji iz prednjeg, srednjeg i zadnjeg creva. Iako je podela digestivne cevi zglavkara donekle slična kičmenjačkoj, ona ne označava homologiju, kao ni funkcionalnu analogiju segmenata istog imena. Prednje i zadnje crevo artropoda je ektodermalnog porekla, i kao i integument, obloženo je hitinskim egzoskeletom tj. kutikulom. Srednje crevo insekata i rakova je endodermalnog porekla i ne poseduje kutikulu.

Slika 5.9. Digestivni sistem insekata i rakova.

Prednje crevo insekata, obično, sadrži komoru za skladištenje hrane, kao i muskuloznu komoru tzv. proventrikulus, u kojoj se vrši mlevenje hrane. Srednje crevo je mesto u kome se vrši digestija i absorbcija produkata digestije. U njega se sekretuju brojni digestivni enzimi koji operišu pri neutralnoj

pH. Takodje, srednje crevo sadrži izraštaje tzv. ceca (jednina cecum), koji potpomažu absorpciju, a često su nastanjeni insekatskim simbiontima. Na granici srednjeg i zadnjeg creva izlivaju se Malpigijevi sudovi, tako da zadnje crevo insekata ima važnu ulogu u definisanju sastava urina i predstavlja zajednički deo ekskretornog i digestivnog trakta.Prednje crevo rakova se sastoji od tubularnog ezofagusa, na koji se nastavlja vrećasta struktura zvana želudac (proventriculus) koji je obično podeljen u dve komore. Prednja komora (»kardijačna«) ima muskulozne zidove obložene hitinskim materijalom koji gradi aparat za mlevenje, u kojoj se uz pomoć enzima retrogradno dospelih iz srednjeg creva obavlja mehanička i započinje enzimatska razgradnja hrane. Zadnja komora (»pilorična«) je manja, i obično sadrži hitinske izraštaje koji sprečavaju da krupnije partikule hrane napuste proventrikulus. Želudac rakova, slično kičmenjačkom, ima kiselu pH (oko 4) vrednost. Srednje crevo varira po složenosti: kod nekih vrsta je to jednostavna cev, dok je kod drugih to tvorevina sa izraštajima tj. anteriornim i posteriornim divertrikulumima (ceca). U anteriorni deo srednjeg creva se izliva hepatopankreas, organ izuzetnog značaja za digestiju hrane kod rakova, koji po funkciji nije potpuno homolog organ kičmenjačkoj jetri i pankreasu. Hepatopankreas je izgradjen od razgranatih tubula koje se slepo završavaju a obložene su epitelom. U njemu se sintetišu digestivni enzimi koji se sekretuju u srednje crevo, a iz koga retrogradnim transportom dospevaju u želudac. Partikule hrane, takodje, dospevaju u hepatopankreas, gde se vrši njihova ekstracelularna digestija kao i absorpcija produkata digestije. Ćelije hepatopankreasa mogu da skladište glikogen i lipide, a takodje imaju ulogu u metabolizmu toksičnih materija.

5.2.2.3 Sistem za varenje kod školjki (Bivalvia) Za digestivni trakt školjki se kaže, da imaju jednjak (ezofagus), želudac, crevo i rektum. Sistem se razlikuje od sistema za varenje kod zglavkara i kičmenjaka, po tome što se kretanje hrane ne vrši kontrakcijom misića zida creva, nego zavisi od aktivnosti cilija, koje ujedno vrše i sortitanje partikula hrane po veličini i drugim karakteristikama. Druga bitna razlika koja karakteriše ovaj sistem kod školjki, je da se digestija uglavnom obavlja po intracelularnom tipu. Ključ za razumevanje digestije hrane kod školjki je razumevanje kompleksne strukture želuca. Želudac sadrži dugački, tanani, želatinozni, prozirni (bezbojni) stub tzv. kristalni prutić. Krajevi ove strukture se tokom procesovanja hrane troše tj. dezintegrišu se tako da bivaju zamenjeni novim materijalom koji se sintetiše u ćelijama vrećice u koju naleže prutić. Vrećica prekriva jedan kraj kristalnog prutića, a drugi kraj

12�

je prislonjen uz hitinsku tvorevinu zvanu gastrični štit. Cilije unutar vrećice, rotiraju prutić po uzdužnoj osovini. Kristalni prutić ima nekoliko funkcija. On pomaže uklanjanje mukusnih niti, kojima hranljive materije dospevaju u želudac iz usta. Ove mukusne niti se uvrću oko njega dok se čestice hrane oslobadjaju u lumen želuca. Zatim, proksimalni kraj koji je u kontaktu sa gastričnim štitom, zahvaljujući stalnom rotiranju, vrši mehaničku obradu hrane. Takodje, kristalni prutić je izgradjen od materijala koji sadrži digestivne enzime, naročito amilazu koja se oslobadja u lumen želuca, zahvaljujući stalnoj rotaciji i trenju o gastrični štit. Drugim rečima, kristalni prutić rotira i proksimalni kraj vrši trenje o gastrični štit, što dovodi do stalne dezintegracije materijala i oslobadjanja amilaze u lumen želuca, gde vrši ekstracelularnu digestiju skroba.Zid želuca školjki je obložen cilijama koje sortiraju čestice hrane i usmeravaju ih u tubularne tvorevine koje su povezane sa želucem tzv. digestivne divertikule. Digestivne divertikule su razgranate tubularne tvorevine koje se slepo završavaju, a imaju značajnu funkciju u digestiji i absorpciji hranljivih materija. Ćelije koje grade zidove ovih tubularnih tvorevina fagocitozom i pinocitozom usvajaju čestice hrane, i vrše intracelularnu digestiju. Smatra se da produkti digestije izlaze iz digestivnih ćelija u hemolimfu koja obliva digestivne divertrikule. Ćelije divertrikula, takodje, mogu da skladište lipide. Kod nekih vrsta školjki, crevo je takodje, uključeno u procese digestije i absorpcije. Za digestivni sistem školjki je karakterističan, bizaran, i slabo proučen aspekt prolaska prednjeg creva (na svom putu do anusa) kroz komoru srca.

5.2.3 DIGESTIJA UGLJENIH HIDRATA

Disaharidi se često unose u organizam sa hranom: kolibri se hrane nektarom bogatim saharozom, mladi sisari unose laktozu sa mlekom majke, a odrasli ljudi jedu slatkiše bogate saharozom. Disaharidi se, takodje, produkuju digestijom složenijih karbohidrata. Enzimi koji hidrolizuju disaharide do monosaharida su disaharidaze. To su saharoza (koja cepa saharozu na fruktozu i glukozu), laktaza (hidrolizuje laktozu do fruktoze i glukoze), trehalaza (razlaže 1:1α glukozidnu vezu trehaloze = dve glukoze), rafinaza (rafinozu do dva molekula galaktoze), α-dekstrinaza ili izomaltaza (hidrolizuje 1:6α glikozidnu vezu) i drugi. Kod kičmenjaka, disaharidaze su enzimi vezani za apikalne membrane enterocita u srednjem crevu.Digestija polisaharida se odvija u dve faze: prvi enzim hidrolizuje polisaharide do disaharida ili oligosaharida, a drugi hidrolizuje nastale produkte do monosaharida. Treba naglasiti da enzimi koji vrše inicijalnu hidrolizu polisaharida nisu univerzalno distribuirani u životinjskom carstvu. Celulazu, enzim potreban za hidrolizu celuloze, ne sintetišu kičmenjačke vrste, tako da većina kičmenjaka ne može da koristi celulozu kao izvor hrane. Izuzetak su vrste koje imaju simbiontske asocijacije sa mikroorganizmima koji mogu da fermentiraju celulozu. Hitinazu, potrebnu za razgradnju hitina, sintetišu samo neke vrste kičmenjaka i beskičmenjaka, tako da samo odredjene vrste mogu da koriste egzoskelet insekata i drugih artropoda kao hranu.Iako je sposobnost životinja da digeriraju celulozu i hitin sporadična u životinjskom svetu, većina životinja ima sposobnost da digerira skrob i glikogen. Amilaza je enzim nadjen kod većine životinja. Ona hidrolizuje skrob i glikogen do disaharida maltoze i oligosaharida maltotrioze i α-graničnih dekstrina. Amilaza je prisutna u pljuvačnom i pankreasnom soku sisara, i kao luminalni enzim deluje u ustima, prednjem i srednjem crevu. Maltaza i drugi enzimi hidrolizuju produkte, nastale delovanjem amilaze, do monosaharida glukoze.

5.2.4 DIGESTIJA PROTEINADigestija proteina zahteva delovanje većeg broja enzima (obično tri ili vise). Enzimi koji katališu hidrolizu proteina su klasifikovani kao endopeptidaze i egzopeptidaze. Endopeptidaze hidrolizuju peptidnu vezu u lancu aminokiselina, dok egzopeptidaze odvajaju terminalne aminokiseline.Digestija proteina, potencijalno može da predstavlja problem, zbog toga sto proteolitički enzimi mogu da digeriraju sopstvene proteine tj. proteine životinje koja se hrani. Ovo je donekle sprečeno time sto se proteolitički enzimi, koji deluju intraluminalno, sintetišu u neaktivnoj formi tzv. formi

Slika 5.10. Želudac školjki.

12�

proenzima ili zimogena. Proenzimi se aktiviraju tek kad stignu na mesto, na kome ce katalisati hidrolizu hrane. Digestija proteina kod kičmenjaka, obično počinje u želucu, delovanjem intraluminalnih endopeptidaza tzv. pepsina. Pepsini katališu hidrolizu veze izmedju aromatične aminokiseline (kao sto su fenilalanin ili tirozin) i druge aminokiseline. Pepsini se sekretuju iz peptidergičnih ćelija gastričnih žlezda, i kod nekih kičmenjaka iz ćelija ezofagusa, u formi proenzima, pepsinogena. Humana želudacna mukoza sadrzi nekoliko formi pepsinogena koji svi mogu biti klasifikovani u dve grupe: pepsinogen I i pepsinogen II. Pepsinogen I je nadjen u regionu visoke sekrecije HCl, dok je pepsinogen II nadjen i u pilorusu. Kisela pH u zelucu, aktivira pepsinogene u aktivnu forme, pepsine. Kada proteini ili produkti digestije proteina stignu u srednje crevo kičmenjaka, oni dalje bivaju izloženi intraluminalnom delovanju pankreasnih enzima. Naime, ovi enzimi dospevaju u srednje crevo sa pankreasnim sokom u neaktivnoj formi, gde se aktiviraju uz pomoć enzima. Pankreasne endopeptidaze koje katalitičko delovanje ispoljavaju u srednjem crevu su tripsin, himotripsin, elastaza i kolagenaza (nije nadjena kod svih kičmenjackih vrsta). Pankreasni sok, takodje, sadrži i egzopeptidaze tzv. karboksipeptidaze A i B.

Nakon digestije enzimima želuca i pankreasa, produkti digestije proteina se sastoje od mešavine aminokiselina i oligopeptida. Sledeća etapa njihovog razlaganja se odvija delovanjem širokog spektra različitih endo- i egzopeptidaza koje su locirane na apikalnim membranama enterocita srednjeg creva. Kod ljudi postoji vise od 20 vrsta ovih enzima. Membranske peptidaze vrše digestiju do aminokiselina i di- i tripeptida, koji se transportuju u ćelije epitela creva gde se završava hidroliza proteina, delovanjem intracelularnih peptidaza. Drugim rečima, digestija proteina do aminokiselina koje se transportuju u krv, se dešava na tri lokacije: u intestinalnom lumenu, na membranama enterocita tj. četkastog pokrova enterocita i u citoplazmi enterocita.

5.2.5 DIGESTIJA LIPIDARazlaganje lipida je donekle kompleksinije, od razlaganja ostalih makromolekula hrane, i zavisi ne samo od delovanja enzima nego i od neenzimskog procesa emulgovanja masti tj. njihovog razbijanja u sitne kapljice. Naime, lipidi su nerastvorni u vodi, a enzimi koji katališu hidrolizu lipida tzv. lipaze, deluju u vodenoj fazi, odnosno na dodirnoj površini lipidi-voda. Da bi proces bio efikasniji potrebno je povećati površinu lipidnih kapi u odnosu na njihov sadržaj, što se postiže emulgovanjem masti.

Lipidi se kod kičmenjaka digeriraju u srednjem crevu, delovanjem pankreasne lipaze. Kolipaza je protein koji se

sekretuje u pankreasni sok i u inaktivnoj formi dospeva u srednje crevo, gde je aktivira tripsin. Ovaj protein se vezuje za COOH-terminalni domen pankreasne lipaze i stimuliše njenu aktivnost. U srednje srevo kičmenjaka, se takodje, izliva i zuč koja sadrži žučne soli odgovorne za emulgovanje masti. Žučne soli su amfipatične molekule koje deluju kao deterdžent, razbijaju masti na sitne kapljice formiranjem micela i na taj način stvaraju veću površinu na koju deluje lipaza. Interesantno je da se žučne soli ne razlažu u digestivnom traktu, nego bivaju reapsorbovane aktivnim transportom u terminalnim delovima srednjeg creva, i vraćene nazad u žučni sistem jetre, odakle se ponovo sekretuju u crevo. Produkti nastali delovanjem lipaza su slobodne masne kiseline, 2-monoacilgliceroli i glicerol. Lipidi kao sto su fosfolipidi i holesterol-estri (sadrže prstenaste strukture) zahtevaju prisustvo još dve kategorije enzima. To su pankreasne fosfolipaze i esteraze.

5.3 ABSORPCIJA HRANLJIVIH MATERIJA

Pod pojmom absorpcije se mogu podrazumevati različiti procesi u zavisnosti od tipa životinja koje se analiziraju. U tekstu koji sledi biće opisani procesi absorpcije koji se dešavaju kod kičmenjaka, zglavkara i drugih životinja kod kojih je ekstracelularno varenje osnovni tip digestije hrane. Absorpcija se kod ovih životinja, sastoji uglavnom od transporta relativno prostih komponenata, kao što su monosaharidi, aminokiseline, slobodne masne kiseline, kroz epitelijalne ćelije koje oblažu digestivni trakt, u krv limfu ili hemolimfu.

Slika 5.11. Emulgovanje i absorpcija masti

12�

Slika 5.12. Mikrovili na enterocitima u tankom crevu povećavaju absorpcionu površinu

Tri mehanizma su uključena u absorpciju hranljivih materija: prosta difuzija, facilitirana difuzija i aktivni transport. Monosaharidi, aminokiseline i hidrosolubilni vitamini su hidrofilne molekule i ne mogu slobodno da difunduju kroz ćelijske membrane. Absorpcija ovih molekula se ostvaruje samo u odredjenim regionima creva, onim koji poseduju/sintetišu specifične transportere odgovorne za transport ovih hranljivih materija. Absorpcija glukoze u srednjem crevu kičmenjaka je najbolje izučena i lepo ilustruje absorpciju preko nosača. Da bi glukoza bila absorbovana ona mora da difunduje iz lumena creva, kroz apikalnu membranu četkastog pokrova enterocita, a zatim treba da izadje iz ćelija kroz bazolateralnu ćelijsku membvranu i dospe u krv. Transport glukoze kroz obe ćelijske membrane se odvija preko transportera. Najpoznatiji transporter za glukozu koji se nalazi u apikalnoj membrani enterocita je natrijum-glukoza transporter 1 (engl. sodium-glucose transporter 1; SGLT1) koji transportuje glukozu u simportu sa Na+. Glukoza i Na+ se transportuju istim kotransporterom, tako da transport glukoze zavisi od koncentracije Na+ u lumenu creva (visoka koncentracija Na+ facilitira transport glukoze dok ga niska inhibiše). Na+ kreće u ćeliju u pravcu koncentracijskog gradijenta a zajedno sa njim u ćeliju ulazi i glukoza. Na+ se zatim pumpa iz ćelije, a glukoza se transportuje GLUT2 transporterom u intersticijum i u kapilare. Drugim rečima, transport glukoze je primer sekundarnog aktivnog transporta, a energija za transport glukoze se obezbedjuje indirektno preko održavanja gradijenta za Na+, tj. aktivnim transportom Na+ iz ćelije. Moderna molekularna istraživanja su pokazala da je SGLT1 protein vrlo sličan i homolog kod svih kičmenjačkih vrsta.

Slika 5.13. Absorpcija monosaharida u srednjem crevu kičmenjaka

Absorpcija drugih monosaharaida je slična glukozi: galaktoza se transportuje u enterocite kičmenjaka SGLT1 proteinom; absorpcija fruktoze nije zavisna od Na+ i fruktoza se u enterocite transportuje GLUT5 proteinom. GLUT2 transportuje galaktozu i fruktozu, kao i glukozu, iz enterocita u intersicijalni prostor. Pentoze se absorbuju prostom difuzijom.Absorpcija aminokiselina se odvija preko najmanje 7 različitih transportnih sistema koji se nalaze u četkastom pokrovu enterocita srednjeg creva. Svaki transporter je specijalizovan za transport odredjenog seta aminokiselina. Mnogi od njih funkcionišu po tipu sekundarnog aktivnog transporta, koristeći održavanje koncentracijskog gradijena za Na+ kao izvor energije, slično SGLT1. Drugi transporteri zavise od energije održavanja elektrohemijskih gradijenata za druge jone. Transport dipeptida kroz apikalnu membranu enterocita se obavlja, takodje, preko nosača, kao i transport aminokiselina kroz bazolateralnu membranu enterocita u intersticijalni prostor.U apikalnoj membrani enterocita su takodje prisutni i transporteri za hidrosolubilne vitamine. Apsorpcija B vitamina (sa izuzetkom folne kiseline i B12 vitamina), kao i vitamin C kod primata, i nekih drugih kičmenjaka, se odvija u simportu sa Na+.

12�

Absorpcija produkata digestije lipida je potpuno drugačija od absorpcije hidrofilnih molekula. Masne kiseline i monoacilglicerolii, zbog svoje hidrofobne prirode, mogu da difunduju kroz ćelijsku membranu, dakle bez posredovanja transportera iako su poznati i neki transportni sistemi za ove komponente. Da bi potpuno razumeli absorpciju masnih kiselina i monoglicerida treba imati u vidu da su slabo rastvorljivi u vodenim rastvorima, dakle u ekstra- i intracelularnoj sredini. U srednjem crevu kičmenjaka, masne kiseline i momoacilgliceroli su kombinovani sa žučnim solima i formiraju sferične ili cilindrične molekularne tvorevine, dijametra oko 10 nm, tzv. micele. U sastavu micela se mogu naći i liposolubilni vitamini. Absorpcija produkata digestije lipida, je značajno pomognuta formiranjem micela. U blizini apikalne membrane enterocita, masne kiseline i drugi molekuli se disociraju iz micele i difunduju kroz ćelijsku membranu, prostom difuzijom. Dalja njihova sudbina u enterocitima zavisi od njihove veličine. Masne kiseline koje imaju manje od 10-12 ugljenikovih atoma se transportuju u portalni krvotok jetre kao slobodne (neesterifikovane) masne kiseline. Masne kiseline koje sadrže više od 10-12 ugljenikovih atoma se u enterocitima reesterifikuju u triacilglicerole, fosfolipide i holesterol estre. Ovi lipidi se intracelularno kombinuju sa proteinima formirajući lipoproteinske agregate tzv. hilomikrone. Hilomikroni produkovani u enterocitima, se pakuju u sekretorne vezikule u Goldži aparatu i kada se vezikule fuzionišu sa bazolateralnom membranom, oslobadjau u limfu. Proteinski omotač, čini hilomikrone rastvorljivim u vodenoj sredini limfe i krvi, te se tako transportuju u organizmu. Absorpcija masnih kiselina kratkog lanca (engl. short-chain fatty acids; SCFAs), odstupa od opisane šeme absorpcije produkata lipidne digestije. SCFA su produkti fermentacije mikroorganizama u crevu i najčešće se absorbuju na mestu na kom se produkuju. To su kratke masne kiseline koje sadrže svega 2-5 ugljenikova atoma i mogu da se rastvaraju i u vodi i u lipidima. Najjednostavniji model njihovog transporta kroz ćelijsku membranu je prosta difuzija, koja je moguća zahvaljujući njihovoj hidro- i liposolubilnosti. One takodje, mogu da se absorbuju u zamenu za H+ i na taj način doprinose održavanju acido-bazne ravnoteže. Familija ovih transportera se nalazi u membranama epitelijalnih ćelija kolona. SCFA mogu da stimulišu absorpciju Na+, iako tačan mehanizam ovog Na+-SCFA transporta nije razjašnjen.

5.4 REGULACIJA FUNKCIJE GASTROINTESTINALNOG SISTEMA.

Kada životinja pojede hranu gastrointestinalni sistem odgovara tako što pokreće niz mehanizama koji će omogućiti

da sastojci hrane budu dostupni organizmu. Aktivnost ćelija digestivnog trakta će biti modifikovana u smislu da se omogući procesovanje unete hrane tj. pokrenuće se sekrecija digestivnih enzima, sekrecija kiseline i kontrakcija muskulature gastrointestinalnog trakta. Ova aktivnost je regulisana i koordinisana nervnom, endokrinom i parakrinom kontrolom.Prva faza nakon žvakanja i sekrecije pljuvačke, je transport hrane od usne duplje do želuca (gutanje). Kod ljudi, gutanje obuhvata voljnu fazu tj. kretanje hrane do ždrela, što inicira refleksnu fazu tj. refleksni talas peristaltičkih kontrakcija od ždrela do jednjaka. Aferentni impulsi putuju n. trigeminus-om, glosopharingeus-om i vagus-om; refleks je integrisan u tractusu solitarius-u i nucleus-u ambigusu; a eferentni impulsi putuju n. trigeminus-om, facialis-om i hipoglosus-om do muskulature jednjaka. Na početku i kraju jednjaka nalaze se sfinkteri koji regulišu prolaz hrane kroz jednjak i punjenje želuca. Sfinkteri su kružni mišići koji mogu da održavaju toničnu kontrakciju duži vremenski period. Kada peristaltički talas, iniciran prisustvom hrane u ždrelu, dospe do gornjih delova jednjaka, gornji sfinkter jednjaka će se relaksirati i propustiti hranu. Hrana nošena peristaltičkim pokretima, će se kretati duž jednjaka i dospeti do donjeg sfinktera, koji će se relaksirati i hrana će dospeti u želudac. Sfinkteri su tonično kontrahovani izuzev kada propuštaju hranu u sledeći segment creva. Kod ljudi, gornji deo želuca funkcioniše kao rezervoar hrane tj. hrana se tu nagomilava dok ne bude procesovana. Kada hrana dospe u ovaj region želuca, mišići zida se relaksiraju i akomodiraju tako da prime hranu. Parasimpatikus je odgovoran za relaksaciju muskulature gornjih delova želuca.Prisustvo hrane u želucu mehanički i hemijski stimuliše endokrine ćelije u mukozi želuca tzv. G ćelije, koje sintetišu i sekretuju u krv, polipeptidni hormon gastrin. G celije pripadaju difuznom enteroendokrinom sitemu ćelija kao i APUD sistemu (engl. amine precursor uptake and decarboxylase), koje produkuju amine i polipeptide. Drugi tip ćelija koje sekretuju gastrin su tzv. TG ćelije nadjene kako u želucu tako i u srednjem (tankom) crevu. Gastrin je polipeptidni hormon za koji je karakteristična mikro- i makroheterogenost. Makroheterogenost znači da se gastrin u tkivu i telesnim tečnostima može naći kao polipeptidni lanac različite dužine, dok mikroheterogenost podrazumeva razlike u molekularnoj strukturi, nastale derivatizacijom jedne rezidue aminokiseline (npr. sulfatacijom ili amidacijom). Preprogastrin se procesuje u fargmente različite dužine, koji uglavnom sadrže 34, 17, i 14 aminokiselina. Sve forme imaju istu karboksi terminalnu konfiguraciju, i nazivaju se G34, G17, G14 gastrini. Smatra se da je fiziološki značaj ove heterogenosti u njihovom različitom delovanju vezano za tkiva u kojima se nalaze.

1�0

Gastrin, stimuliše parijetalne ćelije gastričnih žlezda da sekretuju HCl kao i peptidergične ćelije da sekretuju pepsinogen. Gastrin, takodje, stimuliše peristaltičke pokrete muskulature zida želuca (sa izuzetkom početnog dela želuca u kome se skladišti hrana) čime se mehanički meša sadržaj želuca i olakšava delovanje HCl i pepsina tj. započinje digestija hrane. On ima i trofičku ulogu, zato što stimuliše rast želudačne mukoze kao i mukoze srednjeg creva. HCl je glavni regulator produkcije gastrina tj. HCl preko negativne povratne sprege inhibiše sekreciju gastrina. Funkcija želuca je modulisana jos nekim faktorima. Na primer, produkcija HCl je stimulisana i parasimpatikusom, produktima digestije proteina (naročito su efikasne aminokiseline – fenilalanin i triptifan), kao i histaminom koji se veze za H2 receptore. Takodje, prostaglandini inhibišu sekreciju HCl (preko Gi proteina). Pilorični sfinkter reguliše prolaz hrane izmedju želuca i srednjeg creva (duodenuma kod onih vrsta koje ga imaju). Srednje crevo je, kao što je već napisano, glavno mesto digestije i absorpcije u humanom gastrointestinalnom traktu. U epitelu srednjeg creva nalaze se endokrine ćelije koje se mogu svrstati u tri klase. Ove tri kalse ćelija sekretuju tri polipeptidna hormona: sekretin, holecistokinin/pankreozimin (CCK) i gastrični inhibitorni peptid (GIP). Kada kiseli himus (sadržaj želuca) dospe u duodenum (srednje crevo), stimuliše se sekrecija ova tri hormona. Sekretin stimuliše sekreciju alkalnog pankreasnog soka, bogatog HCO3

- i siromašnog enzimima. Sekretin se produkuje, i sekretuje u krv, iz S ćelija lociranih duboko u mukoznim žlezdama duodenuma. Stimulacija sekrecije sekretina, kiselim himusom, je primer kontrole povratne sprege.

HCl (pH) sekretin (duodenum) sekrecija (pankreas) pH (duodenum); pH u duodenumu ukida pokretački stimulus za sekreciju sekretina; ( stimulatorni efekat).

Ranije se smatralo da holecistokinin stimuliše kontrakciju žucnog mehura, dok pankreozimin stimuliše sekreciju pankreasnog soka bogatog enzimima. Danas se zna da je to jedan hormon sa obe aktivnosti tj. holecistokinin/pankreozimin (CCK), koji se sintetiše u ćelijama duodenuma i putem krvi dospeva do efektornih ćelija. Kao i za gastrin i za ovaj hormon je karakteristična mikro i makroheterogenost. Prepro-CCK se procesuje u fragmente različite veličine: CCK koji sadrži 58 aminokiselina (CCK58), CCK sa 39 aminokiselina (CCK39) i sa 33 aminokiselina (CCK33), zatim nekoliko formi koje sadrže 12 (CCK12) i 8 aminokiselina (CCK8). Sve ove forme imaju istih 5 aminokiselina na karboksi

kraju polipeptidnog lanca. Sem efekta na kontrakciju žučnog mehura i sekreciju soka pankreasa bogatog enzimima, ovaj hormon uvećava delovanje sekretina u stimulaciji lučenja alkalnog pankreasnog soka, inhibiše pražnjenje želuca, ima trofični efekat na pankreas, povećava sekreciju crevne enterokinaze i može da poveća motilitet tankog creva i kolona. Sekrecija CCK se stimuliše produktima digestije (naročito peptidima i masnim kiselinama koje sadrže više od 10 atoma ugljenika). S obzirom da se žuč i pankreasni sok sekretuju u duodenum kao odgovor na CCK stimulaciju, i da produkti digestije proteina i masti, dalje stimulišu sekreciju CCK , može se reći da neka vrsta pozitivne povratne sprege operiše u regulaciji sekrecije CCK. Pozitivna povratna sprega se ukida kada produkti digestije stignu u niže delove gastrointestinalnog trakta.GIP sadrzi 43 amino kiselinska ostatka i produkuje se u K ćelijama mukoze srednjeg creva. Sekrecija GIP-a je stimulisana glukozom i mastima, a zbog cinjenice da velike doze ovog hormona inhibišu sekreciju i motilitet želuca nazvan je gastrični inhibitorni peptid.Generalno posmatrano, sva tri hormona inhibišu sekreciju i pražnjenje želuca, tj. promovišu zadržavanje hrane u želucu dok je aciditet i koncentracija produkata digestije u srednjem crevu visoka. Integrisano delovanje gastrina CCK, sekretina i GIP-a u stimulisanju digestije i absorbcije produkata digestije je prikazana na slici 5.14. Struktura i fiziološki efekti ostalih gastrointestinalnih hormona je prikazan u tabeli 5.6.

Slika 5.14. Endokrina regulacija digestivnog trakta kičmenjaka.

1�1

Motilitet srednjeg creva je regulisan nervnom i endokrinim komponentama, a segmentacija je osnovni tip motiliteta srednjeg creva. Segmentacijom se himus gura napred i nazad, mesa sa intraluminalnim digestivnim enzimima i sa žuči. Segmentacija takodje, osigurava kontakt materijala koji se digerira sa membranom enterocita, za koju su vezani enzimi, kao i sa različitim transporterima koji pomažu absorpciju produkata digestije. Pored segmentacije, za srednje crevo su karakteristični peristaltički pokreti koji pokreću himus ka zadnjem crevu.

Tabela 5.6. Struktura i fizioloski efekti ostalih gastrointestinalnih hormona.

Hormon Struktura Mesto sinteze Fiziološki efekatVIP 28 amino kiselinskih ostataka Nervi u

gastrointestinalnom traktu

Stimuliše sekreciju elektrolita i vode; izaziva relaksaciju glatke muskulature creva uključujući i sfinktere; vazodilataciju; i inhibiciju gastrične sekrecije

Peptid YY 3-26aminokiselina Tanko crevo i kolon Inhibiše acidnu sekreciju želuca i motilitet; inhibiše uzimanje hrane.

Grelin 28 amino kiselinskih ostataka (na poziciji 3 – Ser ima vezanu oktanoilnu grupu)

Želudac Stimuliše uzimanje hrane (arkuatni nukleus); stimuliše sekreciju hormona rasta, delujući direktno na receptore u hipofizi

Motilin 22aminokiselinskaostatka Enterohromafilne ćelije i Mo celije želuca, tankog creva i kolona.

Deluje na G-protein zavisne receptore na enteričnim neuronima u duodenumu i kolonu, i izaziva kontrakciju glatke muskulature želuca i creva. Glavni je regulator MMCs (engl.migrating motorcomplex, električna aktivnost) koji kontrolišu gastrointestinalni motilitet izmedju obroka.

Somatostatin Somatostatin14Somatostatin28

D ćelije pankreasa i ćelije u gastrointestinalnoj mukozi (slicne D ćelijama)

Inhibiše sekreciju gastrina, VIP-a, GIP-a, sekretina i motilina.

Neurotenzin Polipeptidod13aminokiselina Neuroni i ćelije mukozeileuma

Inhibiše motilitet creva i povećava tok krvi u ileumu.

Supstanca P 11aminokiselina Endokrineinervne ćelije gastrointestinalnog trakta

Povećava motilitet tankog creva

GRP Sadrzi 27 amino kiselinskih ostataka (10 amino kiselinskih rezidua na C-terminalu je identično bombesinu amfiba)

Prisutanuzavršecima nervusa vagusa koji se završavaju na G ćelijama

Stimuliše sekreciju gastrina.

Guanilin Polipeptid od 15 aminokiselina Ćelije crevne mukoze

Parakrino deluje vezujuci se za membransku guanilil ciklazu - cGMP – aktivira Cl- kanale - sekrecija Cl-uintestinalnilumen.

Prikazano je kako sisari odgovaraju na stimuluse hranom. Naravno da je i za druge životinje karakteristična odredjena dinamika sistema za varenje hrane. Školjke, na primer,

najvećim delom razlažu hranu intracelularno u digestivnim divertrikulama želuca. Izmedju obroka, ćelije koje oblažu digestivne divertrikule su male. Nakon pristizanja hrane, ove ćelije dramatično brzo rastu povećavajuci visinu, i ubrzano sintetišu ćelijsku membranu kako bi zadovoljile povećanim potrebama fagocitoze i pinocitoze. Za neke ćelije, koje u periodu izmedju obroka, nemaju flagele, je karakterističan rast flagela, i njihovo kretanje tj. mešanje sadržaja divertrikule delovanjem flagela. Ove promene koje zahvataju sistem za varenje školjke, nestaju kada se hrana digerira.

1�2

5.5 PROMENE U DIGESTIJI I ABSORPCIJI U ZAVISNOSTI OD DELOVANJA RAZLIČITIH FAKTORA

5.5.1 FIZIOLOGIJA ISHRANE U ZAVISNOSTI OD PROMENE USLOVA SREDINE

Za životinje je karakteristično da mogu da menjaju strukturu digestivno-absorpcionog sistema, u zavisnosti od izmenjenih uslova sredine, odnosno u zavisnosti od tipa raspoložive hrane. Transportni proteini za šećere u epitelijalnim ćelijama srednjeg creva, lepo ilustruju kako promena u karakteru hrane, duži vremenski period, utiče na sastav digestivno-absorpcionih membrana enterocita. Broj molekula SLGT1, GLUT2 i GLUT5 po ćeliji nije statička vrednost nego varira u zavisnosti od količine karbohidrata u hrani. Tako na primer, ukoliko jedinka konzumira nekoliko dana hranu koja sadrži malo karbohidrata broj transportnih proteina po ćeliji će se smanjiti, i obrnuto ako jedinka uzima nekoliko dana šecerom bogatu hranu, broj proteina koji tarnsportuju šecere će se povećati. Drugim rečima, kapacitet za absorpciju karbohidrata podleže hroničnim promenama. Takodje, transporter za aminokiseline, kod većine kičmenjačkih vrsta, može biti »up« ili »down« regulisan u zavisnosti od količine proteina koji se unose hranom. Odredjene promene u kvalitetu hrane dovode do promena u količini produkovanih digestivnih enzima. Npr, kod većine kičmenjaka hronično povišena količina karbohidrata u hrani, hronično povećava sekreciju pankreasne amilaze. Slično, povećanje količine proteina ili lipida u hrani hronično povećava sekreciju pankreasnih peptidaza ili lipaza. Životinje koje jedu odredjenu vrstu hrane duži vremenski period su u mogućnosti da bolje/brže digeriraju hranu od onih koje imaju malo iskustva sa takvom hranom.Životinje koje su izložene hroničnim promenama sredine u kojoj žive, mogu usled adaptacije ispoljiti i morfološke promene u sistemu za varenje. Kada se miš ili mala ptica gaje u uslovima niskih temperatura, duži vremenski period, dužina njihovog creva će porasti. Da bi održale telesnu temperaturu ove životinje, moraju da metabolišu više energije iz hrane nego kada žive u toplijim uslovima. Stoga, porast površine na kojoj se vrši digestija i absorpcija hrane, pomaže u adaptaciji na hladnoću.Jedna od najneobičnijih priča vezanih za ishranu životinja, je ishrana pitona. Zmije se hrane tako sto čekaju da naidje plen, što znaci da izmedju obroka može da prodje i više nedelja. Adaptacija pitona na ovakav način života, u kome se za duže vreme smenjuju periodi gozbe i gladi, je sposobnost, da ukoliko se ukaže prilika, proguta veću životinju (veličine koze ili antilope). Za razliku od drugih

životinja koje jedu svakodnevno i održavaju svoj digestivni sitem izmedju obroka, piton »uprošćuje« svoj sistem za varenje izmedju obroka. Tako na primer, Pyton molurus ima potpuno uprošćen sistem za varenje, ako je duži period lišen hrane (npr. mesec dana). Kada ulovi plen, ubrzano rekonstruiše sistem za varenje, tako da u toku prvih 24h, duplo povećava masu creva, i to uglavnom rastom crevnog epitela. Dolazi do masivne sinteze transportnih proteina u epitelu srednjeg creva (više od 20 puta se povećava broj molekula transportera za glukozu i aminokiseline). U nekim ekstremnim slučajevima metabolizam pitona je posle obroka uvećan i 40 puta.

5.5.2 FIZIOLOGIJA ISHRANE JE POD KONTROLOM BIOLOšKOG ČASOVNIKA.

Aktivnost disaharidaza u crednjem crevu laboratorijskog pacova, koja je najveća u toku noći i opada tokom dana, je regulisana endogenim biološkim časovnikom. Pacovi se hrane noću, i ovakav ritam osigurava najveću aktivnost u doba dana kada je najverovatnije da će životinja uzeti hranu. Neki sisari koji hiberniraju, npr. veverica, češće se hrane, povećavaju absorpciju i skladište masti u telu, u toku jeseni svake godine, čak i ako se gaje u drugačijim uslovima npr. u laboratoriji. Cirkanualni biološki časovnik je odgovoran za ovakve promene ishrane.

5.5.3 FIZIOLOGIJA ISHRANE PODLEžE PROGRAMIRANIM PROMENAMA U TOKU RAZVOJA JEDINKE.

Od rodjenja do adultnog doba, digestivni sistem se progresivno menja tj. zhvaćen je brojnim promenama koje su programirane. Lep primer je promena kapaciteta za digestiju laktoze u toku razvoja sisara. Laktoza je osnovni disaharid mleka kod mnogih sisara, uključujući i čoveka. Enzim koji razlaže laktozu tzv. laktaza, je integralni protein membrane enterocita srednjeg creva. Laktaza se intenzivno sintetiše kod mladunaca sisara koji se hrane mlekom. Adulti, obično produkuju malo laktaze ili je uopšte ne produkuju. Smanjenje sinteze laktaze je programirana u toku maturacije jedinke i dešava se paralelno sa programiranim povećanjem produkcije drugih disaharidaza creva (saharaza i maltaza). Kada jedinka počne da se hrani čvrstom hranom, u njoj se javljaju supstrati za ove i druge disaharidaze. Dramatičan primer programirane promene u toku razvoja, sreće se u fiziologiji ishrane kod žaba. Kod ovih zivotinja punoglavci su herbivori ili omnivori, dok su adulti karnivorne životinje. Tokom metamorfoze, crevo žaba se skraćuje i rekonstruiše.

1��

5.5.4 FIZIOLOGIJA ISHRANE PODLEžE PROMENAMA U TOKU EVOLUCIJE

Srodne vrste se često razlikuju u fiziologiji varenja, što je u korelaciji sa tipom hrane koju jedu i predstavlja dokaz da je fiziologija varenja evoluirala paralelno sa ishranom. Distribucija disaharidaza kod zivotinjskih vrsta u zavisnosti od prisustva disaharida u hrani, je dobro dokumentovan primer. Na primer, saharaza se produkuje u dovoljnoj količini samo kod vrsta koje konzumiraju hranu bogatom saharozom. Iako se saharoza široko koristi u humanoj populaciji, u prirodi je to relativno redak disaharid, zastupljen u većoj količini u cvetnom nektaru. Ptice, slepi miševi i insekti koji su se specijalizovali za ishranu cvetnim nektarom sintetišu saharazu u većoj količini, dok ptice, slepi miševi i insekti koji se ne hrane nektarom ne sintetišu saharazu u značajnoj količini. Distribucija trehalaze u zavisnosti od prisustva trehaloze u hrani, je takodje lep primer. Distribucija trehaloze u biosferi je vrlo ograničena, a jedno od retkih bioizvora trehaloze je hemolimfa insekata. Vrste sisara koje se ne hrane insektima ne sintetišu trehalozu, dok insektivorni sisari imaju trehalozu visoke aktivnosti.Takodje, zastupljenost transportera za glukozu u srednjem crevu kičmenjaka je u korelaciji sa količinom skroba u hrani. Herbivorni kičmenjaci imaju veći kapacitet za transport glukoze u srednjem crevu od karnivornih vrsta. Ovakva razlika je verovatno nastala kao rezultat aklimatizacije na različitu ishranu i genetski je determinisana. Naime, ukoliko se bliske vrste karnivornih i herbivornih kičmenjaka gaje u laboratorijskim uslovima na istoj dijeti, vrste herbivornih kičmenjaka će i dalje imati veću aktivnost transportera za glukozu od karnivornih.Primer evolutivne promene u okviru vrste je produkcija laktaze kod ljudi. Zastupljenost laktaze kod ljudi, obično, prati opšti model zastupljenosti kod sisara: visoka zastupljenost u srednjem crevu beba, koja opada sa uzrastom, tako da deca uzrasta od 5-10 godina, imaju samo 10% od nivoa laktaze kod beba. Medjutim, adultni Holandjani i Danci zadržavaju visok nivo laktaze, gotovo istovetan kao i kod novorodjenčeta. Za razliku od njih populacije iz Afrike i Azije, imaju vrlo malo ili nimalo laktaze u membranama epitela srednjeg creva. Populacije ludi se značajno razlikuju u frekvenci relevantnih gena za laktazu, a time i u procentualnoj zastupljenosti adultnih jedinki koje sintetišu dovoljne količine lakaze (tabela 5.7.). Razlike u frekvenci gena za sintezu laktaze u humanim populacijama su, naravno, rezultat evolutivnog procesa (evolucija = promena u frekvenci gena).

Tabela 5.7. Procenat u populaciji adultnih jedinki koje sintetišu laktazu u dovoljnoj količini da mogu bez problema da je digeriraju.

Grupa Sinteza laktaze (%)

Holandjani 100

Danci 97

Amerikanci (beli) 76

Grci 47

Amerikanci (meksičkog porekla) 44

Autohtoni narod Australije 33

Italijani 29

Amerikanci (afričkog porekla) 19

Narodi Nigerije 11

Amerikanci (Oklahoma) 5

Azijski narodi u US 0

1��

Osnovni PrincipiFiziologije Ekskrecijei Osmoregulacije 06

Ekskretorni procesi igraju izuzetno značajnu ulogu u održavanju stalnosti unutrašnje sredine organizma. U tu svrhu se iz organizma neprestano izlučuju krajnji produkti katabolizma organskih materija, kao i elektroliti i H2O, ako se u organizmu nadju u suvišku.

6.1. PROMET VODE I ELEKTROLITA: UVOD I MEHANIZMI

Tipovi regulacije i konformizamOsmotska regulacija podrazumeva održavanje stalnosti osmotskog pritiska plazme. Jonska regulacija određenog neorganskog jona podrazumeva održavanje koncentracije tog jona u plazmi. Regulacija volumena podrazumeva održavanje volumena (količine) vode u celom organizmu ili u njegovim pojedinim delovima. Regulacija ćelijskog volumena odnosi se na regulisanje količine vode u ćeliji.

Organi koji učestvuju u održavanju osmotske ravnoteže krviUloga bubrega u održavanju sastava krvne plazme opisuje se preko osmotskog i jonskog količnika sastava urina i sastava krvne plazme. Osmotska regulacija, regulacija volumena i jonska regulacija su odvojene funkcije bubrega, u smislu da bubrezi mogu da učestvuju u regulaciji volumena, a da u isto vreme ne doprinose osmotskoj regulaciji, ili mogu da učestvuju u jonskoj regulaciji nezavisno od osmotske.

Metabolička vodaMetaboličku vodu produkuju sve životinje, u količinama koje

su određene hemijskom stehiometrijom oksidacije organskih molekula. Za određivanje neto efekta katabolizma na vodni balans, gubitak vode respiracijom, uriniranjem i fecesom oduzima se od ukupne metaboličke produkcije vode. Uloga metaboličke vode u ukupnoj količini vode u organizmu zavisi od sposobnosti organizma da čuva vodu.

Promet vode i elektrolita u ćelijiZa održavanje stalnosti volumena ćelije, neophodno je redukovanje količine osmotski aktivnih supstanci u intracelularnoj tečnosti kada se osmotski pritisak ekstracelularne tečnosti smanji, odnosno povećanje količine osmotski aktivnih supstanci u intracelularnoj tečnosti kada se osmotski pritisak ekstracelularne tečnosti poveća. Organski molekuli kao što su slobodne aminokiseline su osnovne intracelularne čestice koje učestvuju u regulaciji ćelijskog volumena pojedinačnih ćelija beskičmenjaka i određenih tipova pojedinačnih ćelija kičmenjaka (ćelije u mozgu i unutrašnjosti bubrega sisara). Organski molekuli kao osnovne čestice koje učestvuju u regulaciji ćelijskog volumena istovremeno učestvuju i u jonskoj regulaciji intracelularne tečnosti.

6.2. PROMET VODE I ELEKTROLITA: MEHANIZMI ADAPTACIJE žIVOTINJA U NJIHOVOJ žIVOTNOJ SREDINI

Slatkovodne životinjeSve slatkovodne životinje su hiperosmotične u odnosu na

1��

vodenu sredinu u kojoj žive. One teže da osmozom usvajaju vodu a difuzijom oslobađaju jone, naročito kroz propustljivu membranu škrga. Ovo pasivno kretanje vode i jona usmereno je ka razblaživanju telesne tečnosti životinja. Da bi se oslobodile viška vode, slatkovodne životinje izlučuju velike količine urina. Kod gotovo svih slatkovodnih životinja urin je hipotoničan u odnosu na plazmu, i na taj način potpomaže održavanje osmotskog pritiska i koncentracije jona u krvi na nivoima većim u odnosu na nivoe u spoljašnjoj sredini. Da bi nadoknadili gubitak jona koji su difundovali u spoljašnju sredinu ili su ekskretovani urinom, slatkovodni organizmi aktivnim transportom usvajaju Na+, Cl- i druge jone. Aktivan transport se kod riba i rakova odvija kroz škržni epitel. Gubitak jona životinje nadoknađuju i putem hrane.

Morske životinje (životinje u okeanu)Morski beskičmenjaci uglavnom su izoosmotični sa morskom vodom, ali se sastav njihove telesne tečnosti razlikuje od sastava morske vode. Ovi organizmi sprovode jonsku regulaciju, ali osmotska regulacija se sprovodi u veoma maloj meri ili čak u potpunosti izostaje. Morske košljoribe su hipoosmotične u odnosu na morsku vodu, verovatno zbog toga što vode poreklo od slatkovodnih predaka i teže da oslobađaju vodu osmozom, a usvajaju jone procesom difuzije. Da bi nadoknadile izgubljenu vodu, životinje piju morsku vodu. Međutim, da bi usvojile H2O iz morske vode, moraju aktivno usvojiti i NaCl što povećava opterećenje organizma solima. Bubrezi morskih košljoriba proizvode urin koji je izoosmotičan sa krvi, ali bogat divalentnim jonima, pa tako imaju glavnu ulogu u jonskoj regulaciji divalentnih jona. Monovalentni joni oslobađaju se preko škrga aktivnošću “hloridnih ćelija” koje aktivno oslobađaju Cl- u okolnu vodu, a Na+ se u ovom transportu oslobađa sekundarno.

Morski gmizavci i ptice imaju kranijalne “slane žlezde” preko kojih ekskretuju jone u većoj koncentraciji nego što je moguće urinom.

Morski sisari nemaju “slane žlezde”, ali njihovi bubrezi mogu da produkuju koncentrovaniji urin u poređenju sa urinom gmizavaca i ptica.

Iako im je koncentracija jona u krvi daleko niža od koncentracije u morskoj vodi, morske elasmobranhije su hiperosmotične jer u krvi sadrže visoku koncentraciju organskih soli, uree i trimetilaminoksida. Zbog toga, za razliku od košljoriba, elasmobranhije nemaju potrebu da piju morsku vodu, niti se organizam opterećuje dodatnim količinama NaCl.

životinje koje žive u sredini sa promenljivim salinitetomNeke grupe morskih beskičmenjaka, kao što su mekušci, su osmokonformisti. Eurihaline vrste ove grupe životinja tolerišu širok raspon osmotskog pritiska krvi.Neki morski beskičmenjaci, na primer rakovi, obuhvataju osmokonformiste i osmoregulatorne vrste. Generalno gledano, eurihaline vrste ove grupe životinja su osmoregulatori.Životinje koje su hiper-izoosmotični regulatori imaju razvijene mehanizme za hiperosmotičnu, ali ne i za hipoosmotičnu regulaciju. Eurihaline vrste, kao što su vrste koje migriraju između mora i slatkih voda, su izuzetni hiper-hipoosmotični regulatori.

6.2.1. FUNDAMENTALNI FIZIOLOšKI PRINCIPI EKSKRECIJE I OSMOREGULACIJE KOD KOPNENIH žIVOTINJA:

Životinje koje žive u sušnim područjima poseduju integument koji je slabo propustljiv za vodu, pa se na taj način redukuje gubitak vode evaporacijom. Pretstavnici ove grupe životinja nalaze se među insektima, paucima, gmizavcima, pticama i sisarima.Odavanje vode putem evaporacije sa respiratornih površina zavisi od stepena usvajanja O2 i količine H2O utrošene po jedinici usvojenog O2. Jedan od načina da se redukuje količina usvojenog O2 kod sisara i ptica jeste nazalno hlađenje izdahnutog vazduha. Životinje sa najmanjim stepenom gubitka vode evaporacijom su one koje, poput guštera, kombinuju malu propustljivost integumenta za vodu, strogo kontrolisan ulazak vazduha kroz respiratorne površine i nizak stepen metabolizma.Gubitak vode urinom može se smanjiti produkcijom koncentrovanog urina ili slabo rastvorljivih metabolita azota kao što je urska kiselina. Samo insekti, ptice i sisari imaju sposobnost formiranja hiperosmotskog urina.

Kopnene životinje-neki primeriVećina kopnenih vodozemaca ima slab fiziološki potencijal za ograničavanje gubitka vode, zbog toga što im je koža veoma propustljiva za vodu i nemaju sposobnost produkcije urina koji je hiperosmotičan u odnosu na telesnu tečnost. Stroga kontrola vodnog balansa ostvaruje se ponašanjem, odnosno sezonskom uspavanošću, što je od ključnog značaja za njihov opstanak u sušnim područjima. Neke vrste vodozemaca koje žive u sušnim područjima razvile su neobične adaptacije kao što je nagomilavanje masti u koži čime se sprečava brza evaporacija.Insekti i gušteri su životinje koje su prilagođene na život u najsušnijim područjima na zemlji. Osnovne karakteristike koje im omogućuju život u ekstremnim uslovima su:

1��

integument koji je veoma slabo propustljiv za vodu, relativno nizak stepen metabolizma, ekskrecija slabo rastvorljivih azotnih-metaboličkih produkata i, barem kod guštera, tolerancija na značajne promene u sastavu telesne tečnosti. Insekti imaju sposobnost produkcije hiperosmotskog urina, a u nekim slučajevima usvajaju vodu putem vodene pare. Neki sisari koji se hrane semenima mogu da žive u pustinji bez potrebe da piju vodu. Pored toga što su evolutivno razvili fiziološke mehanizme za čuvanje vode, održavanju vodnog balansa doprinosi i njihova sposobnost da izaberu posebno povoljna mikrostaništa. Pokazano je da se ove životinje u izuzetno vrućim područjima osim semenima hrane i sočnom hranom kao što su insekti.

Kontrola osmotske ravnoteže kod kopnenih životinjaKontrola volumena, sastava i osmotskog pritiska telesne tečnosti uglavnom je posredovana hormonima, čija sekrecija je pod kontrolom sistema negativne povratne sprege. Receptori koji reaguju na istezanje i pritisak primaju informaciju o volumenu krvi, a osmoreceptori primaju informacije o osmotskom pritisku krvi.

Kod kičmenjaka, antidiuretični hormon (ADH) reguliše količinu ekskretovane vode.

Aldosteron i natriuretični hormoni kičmenjaka deluju tako što pospešuju retenciju odnosno ekskreciju Na+. S obzirom da se Na+ u najvećoj meri nalazi u ekstracelularnoj tečnosti, ovi hormoni učestvuju u kontroli njenog volumena.

Slika 6.1. Regulacija funkcije bubrega antidiuretičnim hormonom (ADH)

Slika 6.1. Regulacija funkcije bubrega sistemom renin-angiotenzin-aldosteron

1��

6.3. FUKCIONALNA ORGANIZACIJA SISTEMA ZA EKSKRECIJU I OSMOREGULACIJU

Formiranje urina kod insekataPrimarna mokraća se dovodi u Malpigijeve sudove sekretornim procesom koji se obično zasniva na aktivnom transportu KCl u tubularnu tečnost. Kako se primarna mokraća transportuje duž malpigijevih tubula, može se modifikovati reapsorpcijom ili sekrecijom, ali ostaje izoosmotična u odnosu na telesnu tečnost.Malpigijevi sudovi se prazne u zadnje crevo na spoju srednjeg i zadnjeg creva.U rektumu se modifikuje volumen, sastav i osmotski pritisak urina. Do formiranja hipoosmotskog urina dolazi reapsorpcijom čestica rastvorenih supstance, pri povećanoj količini vode u urinu. S druge strane, do formiranja hiperosmotskog urina dolazi reapsorpcijom vode pri povećanoj koncentraciji čestica rastvorene supstance. Insekti koji žive u slanoj vodi produkuju hiperosmotski urin sekrecijom čestica rastvorenih supstanci u rektum.

6.4.3. FUKCIONALNA ORGANIZACIJA SISTEMA ZA EKSKRECIJU I OSMOREGULACIJU VERTEBRATA

Osnovni mehanizmi funkcije bubregaPrimarna mokraća se formira ultrafiltracijom ili aktivnom sekrecijom rastvorenih supstanci.Tokom ultrafiltracije, povećan hidrostatički pritisak pretstavlja pokretačku silu za kretanje tečnosti iz krvi u bubrežne tubule, kroz epitel i bazalne membrane koje imaju ulogu filtera. Filtrat, koji pretstavlja primarnu mokraću, po svom sastavu je gotovo identičan krvnoj plazmi, izuzev što ne sadrži čestice velike molekulske mase kao što su proteini plazme.U slučajevima kada se primarna mokraća formira putem aktivne sekrecije rastvorenih supstanci, proces koji pokreće i održava formiranje primarne mokraće je aktivan transport jedne ili više rastvorenih supstanci u bubrežne tubule. Voda se zatim transportuje osmozom, a ostale čestice difuzijom u pravcu elektrohemijskog gradijenta koji je uspostavljen aktivnim transportom i osmozom.Kretanjem primarne mokraće kroz bubrežne tubule, njen volumen i sastav se menja kao rezultat aktivnog ili pasivnog transporta rastvorenih supstanci i osmoze vode kroz epitel tubula. Ovi procesi su dominantni regulatorni procesi u bubrežnim tubulama, i određuju volumen i sastav mokraće koja se ekskretuje iz bubrega. Urin koji proizvode bubrezi je u nekim slučajevima (na primer kod sisara) konačan urin, ali kod mnogih životinja njegov volumen i sastav se menja daljim procesovanjem.

Formiranje urina kod vodozemacaPrimarna funkcija proksimalnih tubula nefrona vodozemaca je izoosmotska redukcija volumena urina. NaCl se aktivno reapsorbuje iz tubularne tečnosti. Epitel proksimalnih tubula je propustljiv za vodu, pa voda osmozom “napušta” tubularnu tečnost, što održava tubularnu tečnost izoosmotskom sa krvnom plazmom.Glukoza i aminokiseline se aktivno reapsorbuju iz tubularne tečnosti u proksimalnim tubulama.Distalne tubule kontrolišu volumen i koncentraciju definitivnog urina koji produkuju bubrezi. Značajan mehanizam kojim se ova kontrola ostvaruje zasniva se na tome da epitelijalne ćelije distalnih tubula mogu biti manje ili više propustljive za vodu, u zavisnosti od nivoa antidiuretičnog hormona (ADH) u krvi.Pri niskim nivoima ADH, distalne tubule su slabo propustljive za vodu. Aktivnom reapsorpcijom NaCl tubularna tečnost se razblažuje. Međutim, s obzirom da ne može da dođe do osmoze vode, volumen tubularne tečnosti ostaje visok, a osmotski pritisak i koncentracija NaCl se progresivno smanjuju.Pri visokim nivoima ADH, u ćelijske membrane epitela distalnih tubula ugrađuju se akvaporini, što rezultuje povećanjem propustljivosti epitela tubula za vodu. Sa aktivnom reapsorpcijom NaCl, odvija se i proces osmoze i voda “napušta” tubularnu tečnost. Volumen tubularne tečnosti se smanjuje, a njen osmotski pritisak i koncentracija NaCl slični su sa vrednostima plazme.

Formiranje urina kod ostalih kičmenjakaNefroni slatkovodnih košljoriba strukturno su slični nefronima vodozemaca. Međutim, morske košljoribe obično nemaju distalne tubule i imaju relativno slabo razvijen glomerularni aparat za filtraciju, što se obično nadoknađuje aktivnom sekrecijom rastvorenih supstanci. Neke morske ribe su aglomerularne.Nefroni gmizavaca i ptica strukturno su slični nefronima vodozemaca. Pored toga, ptice imaju sisarski tip nefrona (sa Henlejevom petljom) i sposobnost formiranja urina hiperosmotičnog u odnosu na krvnu plazmu.

Formiranje urina kod sisaraHenlejeva petlja, sabirni kanalići i vasa recta medule bubrega sisara pretstavljaju strukturnu osnovu za formiranje urina koji je hiperosmotičan u odnosu na krvnu plazmu. Vrste koje imaju dugačku Henlejevu petlju imaju sposobnost produkcije koncentrovanijeg urina u odnosu na vrste sa kraćom Henlejevom petljom.U proksimalnim tubulama iz filtrata se reapsorbuje veći deo NaCl i vode, pri čemu se ne menja osmotski pritisak

1��

tubularne tečnosti. Takođe, u potpunosti se reapsorbuju glukoza i aminokiseline.Nakon što tubularna tečnost prođe kroz Henlejevu petlju, manje je koncentrovana nego što je bila na ulaku u petlju. Pored toga, procesi u Henlejevoj petlji rezultuju formiranjem gradijenta osmotskog pritiska i koncentracije NaCl u intersticijskoj tečnosti medule, koji je odgovoran za konačno koncentrovanje urina. U delu petlje gde je uzlazna grana tanka, aktivan transport NaCl rezultuje razlikom u osmotskom pritisku i koncentraciji NaCl između susednih delova uzlazne i silazne grane. Tokom antidiureze, tubularna tečnost prolazi kroz medulu u sabirne kanaliće, a kako su zidovi sabirnih kanalića propustljivi za vodu, dozvoljavaju uspostavljanje osmotske ravnoteže između tubularne tečnosti i intersticijske tečnosti medule. Propustljivost sabirnih kanalića za vodu rezultat je ugrađivanja molekula akvaporina u ćelijsku membranu, kao odgovor na ADH (vazopresin).Tokom diureze, zidovi sabirnih kanalića su slabo propustljivi za vodu, pa je tubularna tečnost osmotski izolovana od intersticijske tečnosti medule i može se razblažiti reapsorpcijom čestica rastvorenih supstanci.

6.4. Ekskrecija azotnih materija kao produkata razgradnje proteina i purinskih i pirimidinskih baza - Katabolizam proteina i purina

Krajnji produkti katabolizma ugljenih hidrata su CO2 (izlučuju se preko bikarbonata vaskularnim sistemom do respiratornih površina) i H2O (ako je u suvišku izbacuje se, ako nije ćelije je zadržavaju). Masti se takodje degraduju do CO2 i H2O, te ni metabolički produkti lipida ne predstavljaju problem za ekskreciju. Problemi za ćeliju su krajnji produkti katabolizma proteina i nukleinskih kiselina, koji se podvrgavaju procesima razgradnje, da bi se doveli do stepena uprošćenosti, kako bi ih organizam lakše eliminisao.

Ekskrecija azotaŽivotinje koje sintetišu amonijak ili ureu kao primarni produkt metabolizma azota nazivaju se amoniotelične odnosno ureotelične. Životinje koje uglavnom sintetišu ursku kiselinu ili urate označene su kao urikotelične.Amoniotelizam je primitivna osobina, i uglavnom se susreće kod akvatičnih životinja koje koriste kiseonik iz vode. Prednost sinteze amonijaka je ta što ovaj proces ne zahteva utrošak ATP-a. Međutim, amonijak je toksičan, pa životinje koje ga produkuju moraju imati razvijene mehanizme za njegovu brzu eliminaciju iz organizma kako bi nivo amonijaka u krvi ostao nizak. Sinteza uree zahteva utrošak

ATP-a. Međutim, urea nije tako toksična kao amonijak. Urikotelizam je energerski “najskuplji”, ali toksičnost urske kiseline je veoma mala, može se ekskretovati i u maloj količini vode, i može se neograničeno akumulirati u organizmu. Većina kopnenih beskičmenjaka (insekti) i kičmenjaka (ptice i mnogi gmizavci), su urikotelični organizmi ili produkuju druge purine (guanin) ili derivate purina.

6.4.1. KATABOLIZAM PROTEINA Proteini se u digestivnom traktu razlažu pod dejstvom enzima. Proteini pod dejstvom proteinaza prelaze u polipeptide, a polipeptidi pod dejstvom peptidaza u aminokiseline, koje se resorbuju u crevnu mukozu i putem krvi se transportuju do svake ćelije u organizmu. Ekskrecija aminokiselina je beznačajna, sa izuzetkom nekih vodenih beskičmenjaka koji izlučuju odredjene količine aminokiselina. Zbog toga se aminokiseline podvrgavaju procesima razgradnje dezaminacijom i dekarboksilacijom. 1) dezaminacija: a) oksidativna (nastaju NH3 i keto kiseline; karakteristična za homeoterme); b) hidrolitička (nastaju NH3 i α-oksi kiseline); c) reduktivna (nastaju NH3 i masne kiseline)

Slika 6.3. Produkti katablizma azotnih materija

1��

2) dekarboksilacija – iz aminokiselina se izdvaja CO2 (iz COOH) i nastaje odgovarajući amin koji podleže, kao i aminokiseline svim vrstama dezaminacije. te se formira NH3 i neka odgovarajuća kiseline.

Dezaminacija se najvećim delom odvija u jetri i bubrezima, a manje u ostalim organima. Iako neprestano nastaje kao produkt katabolizma proteina, koncentracija NH3 je mala jer je toksičan za većinu organizama. U većim količinama NH3 menja pH tako da prouzrokuje promene u tercijernoj strukturi proteina, utiče na transport nekih jona itd. Različiti organizmi su različito tolerantni prema koncentraciji NH3:- sisari i ptice su najnetolerantniji 0.001-0.003mg/% - - poikilotermi (reptili, vodozemci, ribe) oko 0.1 mg/%- kraba (Maja squihado) oko 0.5 – 2.5 mg% - sipa (Sepia oficinalis) oko 2.8 – 4.8 mg%

6.4.1.1. Amoniotelični organizmiTolerantniji su prema većim koncentracijama NH3 (5mg/%; kraba 0.5-2.5mg/%). Krajnji produkt katabolizma proteina je NH3. To su uglavnom vodene životinje koje mogu da dozvole znatan gubitak vode potreban za eliminaciju NH3. Potrebno je oko 300-500 ml vode da se rastvori i eliminiše 1g azota u obliku NH3. Amoniotelični organizmi su: skoro svi vodeni beskičmenjaci; teleostee (morske i slatkovodne); dipnoe za vreme kišnog perioda; punoglavci; jaja koje životinje polažu u H2O – difuzijom.Svi drugi su manje tolerantni, pa da bi eliminisali toksični efekat NH3 pribegavaju tzv. zaštitnoj sintezi dva manje toksična ekskreta uree i urske kiseline.

6.4.1.2. Ureotelični organizmiVrše zaštitnu sintezu uree od NH3 u Krebsovom ciklusu (opisao Krebs) tj. Ornitinskom ciklusu.. Osnovna komponenta u sintezi uree je ornitin. Utvrdjeno je da u sintezi uree učestvuju 2 molekula NH3 i jedam molekul CO2. Ovaj proces se kod većine sisara odigrava u jetri uz katalitičko delovanje enzima arginaze kojom obiluju ćelije jetre. Arginaza kao katalitička komponenta vezuje molekul H2O na drugu monoaminodikarboksilnu komponentu arginin, pri čemu se ponovo resintetiše ornitin. Urea je manje toksična od NH3 i bolje se rastvara u vodi od NH3, ali ako je prisutna u većoj koncentraciji postaje toksična (uremija). Urea se izlučuje iz organizma preko mokraće. Ureu kao osnovni ekskretorni produkt imaju: sve elesmobranhie; dipnoe (za vreme sušnog perioda); adulti amfiba; vodene kornjače; sisari. Kod ureoteličnih organizama proces sinteze uree od NH3 nastalog deaminacijom aminokiselina odvija se najvećim delom u jetri, a nešto malo u bubrezima i ostalom organima. Kod oboljenja jetre, bubrezi preuzimaju funkciju sinteze uree od NH3 , a reaktivira ih visoka koncentracija arginaze. Visoka koncentracija uree u urinu, a mala u krvi/serumu tj. odnos izmedju koncentracije uree u urinu i u krvi je pokazatelj efikasnosti filtracijskog pritiska na nivou bubrežnih tubula tj. glomerula. Odredjivanje ovoga odnosa je uobičajni test za odredjivanje funkcionalnosti bubrega. Kako se sinteza najvećim delom odvija u jetri ovaj odnos ukazuje i na funkcionalnost jetrenih ćelija. Promene u volumenu krvi izazvane gubitkom tečnosti (tj vodene komponennte krvi) ili hemoragijom dovode do promene koncentracije uree u telesnim tečnostima. To se dešava preko promene u krvnom pritisku koji dovodi do smanjenja efiktivnog filtracijskog pritiska na nivou bubrežnih glomerula što dovodi do smanjenja ekskrecije uree urinom i do povećanja koncentracije uree u krvi.

Do smanjenja koncentracije uree u krvi može doći u trudnoći (fiziološki). Povećanje volumena telesne tečnosti dovodi do povećanja krvnog pritiska što sa svoje strane dovodi do

Slika 6.4. Ornitinskiciklus

1�0

povećanja filtracije i povećane ekskrecije uree urinom tj smanjenja koncentracije uree u krvi. Koncentracija uree zavisi od ishrane, metabolizma, fiziološkog stanja organizma i sl. (goveče 2-10 mmol/L; pacov oko 9 mmol/L; čovek oko 3.3 – 7.8 mmol/L; kokoška – nema)

6.4.1.3. Urikotelični organizmiOve životinje sintetišu ursku kiselini kao krajnji produkt katabolizma proteina i kao takvu je izbaciju iz organizma. Urikotelični organizmi su: suvozemni beskičmenjaci; ptice; kopneni reptili; jaja u ljusci (“suvozemna” jaja). Kod ovih organizama se od 4 molekula NH3 nastaje ksantin koji se oksidiše uz katalitičko delovanje ksantin oksidaze u ursku kiselinu (mokraćna kiselina). Ova kiselina brzo i lako kristališe, te se ekskretuje putem mokraće u obliku kristala. Kod nekih životinja se deponuje u kristalnoj formi u specifičnim tkivima i tu ostaje do kraja života. Slabo je rastvorljiva u vodi (10 ml vode je potrebno da se 1g azota izbaci u formi urske kiseline u obliku kristala). Mokraćna kiselina se u manjim količinama luči i kod sisara (pa i kod čoveka) kao krajnji produkt katabolizma nukleinskih kiselina.

6.4.2. PRODUKTI KATABOLIZMA NUKLEINSKIH KISELINA POSEbNO PURINA

Pod uticajem enzima nukleotidaza i nukleozidaza (videti tekst u poglavlju 5) nukleotidi se razlažu do fosforne kiseline, pentoze i pirimidinske ili purinske baze. Dalji proces katabolizma purina se odvija u etapama: 1) dezaminacija hidrolitičkog tipa - aminopurin-adenin uz katalitičko delovanje adenaze prelazi u hipoksantin, a guanin delovanjem guanaze prelazi u ksantin. Hipoksantin i ksantin predstavljaju intermedijerne forme;2) oksidacija u ursku kiselinu – hipoksantin i ksantin pod dejstvom ksantin oksidaze prelaze u ursku kiselinu koja predstavlja krajnji produkt katabolizma nukleinskih kiselina;3) degradacija purinskog jezgra - urikoliza se vrši posredstvom različitih enzimske garniture što u krajnjoj liniji dovodi do formiranja NH3.Urska kiselina pod dejstvom urikaze prelazi u alantoin koja pod uticajem alantoinaze formira alantoinsku kiselinu. Na nju deluje alantoinaza i formira se urea koja pod dejstvom ureaze prelazi u 2NH3 i H2O. Ovakav put katabolizma purina prisutan je kod: ciklostoma; insekata; svih reptila; ptica; primata; čoveka.

Tabela 6.1. Ekskretorniproduktipurina

URSKA KISELINAurikaza

čovek i primatipticeireptiliciklostomeinsekti

ALANTOINalantoinaza

sisari (izuzev čoveka, primata i novorodjenče)dipteregastropode

ALANTOINSKA KISELINA jedna grupa Teleostea (Salmonide, Anguilide…)

alantoikazaUREA

Selahia, Dipneuste, Krosopterigie, Teleostea (Ciprinide, Skambride), vodozemci, slatkovodne Lamelibranchiate

ureaza NH3 morske LamelibranchiateKrustacea

Slika 6.5. Transformacija purinskog jezgra ili prstena

1�1

Osnovni Principi i Mehanizmi Termogeneze i Termoregulacije 07

7.1. OSNOVNI PRINCIPI TERMOGENEZE – DETERMINANTE TELESNE TOPLOTE I TEMPERATURE

Temperatura organizma zavisi od količine toplote sadržane u jedinici mase tkiva. Zbog toga što tkivo pretežno sačinjava voda, toplotni kapacitet tkiva na temperaturi od 0-40°C iznosi oko 1 cal/°Cxg., te što je veća životinja, veći je njen sadržaj toplote na datoj temperaturi. Stepen promene telesne toplote zavisi od:

1) stepena produkcije toplote kroz metaboličke reakcije;

2) stepena usvajanja toplote iz spoljašnje sredine;

3) stepena gubitka toplote Telesna temperatura i telesna toplota životinje može biti regulisana promenom nivoa produkcije, prenosa ili razmene toplote. Brojni faktori utiču na nivo produkcije telesne toplote. Produkciju toplote mogu povećati razni faktori. Na primer, obično vežbanje (zahvaljujući povećanom metabolizmu); aktivacija autonomnih mehanizama koji utiču na lučenje hormona (ubrzavanje metabolizma energetskih rezervi); kao i aklimatizacioni mehanizmi koji dovode do povećaja bazalnog metabolizma (mnogo sporiji mehanizmi). Ukupni toplotni sadržaj organizma je odredjen metaboličkom produkcijom toplote i termalnom razmenom izmedju organizma i spoljašnje sredine. Odnosi ovih faktora se mogu prikazati:

Htot = Hv + Hc + Ht + He + HsHv - metabolička toplota; Hc - izgubljena ili dobijena toplota prenosom (kondukcijom) ili provodjenjem (konvekcijom)Ht - prenos toplote radijacijom; He - toplota izgubljena evaporacijom; Hs - toplotne rezerve

Životinje razmenjuju toplotu kondukcijom (prenošenje), konvekcijom (prvodjenjem), radijacijom i isparavanjem (evaporacijom). Kondukcija je prenos toplote izmedju objekata ili supstanci koje se nalaze u medjusobnom kontaktu, pri čemu se toplota prenosi sa toplijeg mesta na hladnije. Kondukcija nije samo ograničena na protok unutar odredjene supstance, može biti izmedje dve faze (npr. prenos toplote sa površine tela organizma na vazduh ili vodu koja je u dodirom sa njim). Konvekcija je provodjenje toplote sadržane u masi gasa ili tečnosti pokretima te mase fluida i može biti rezultat nekog oblika spoljašnjeg kretanja (npr. vetar, ili promene gustine neke date mase usled zagrevanja ili hladjenja). Konvekcija može ubrzati transfer toplote izmedju čvrstog predmeta i tečnosti ukoliko se tečnost zamenjuje na mestu kontakta i tako stalno održava stalno temperaturnu razliku. Radijacija je prenos toplote elektromagnetnim zračenjem bez direktnog kontakta izmedju tela koja izmenjuju toplotu. Sva fizička tela na temperaturi iznad apsolutne nule emituju elektromagnetno zračenje. Evaporacija predstavlja prelazak molekula vode sa povšine tečne faze u gasovitu fazu, odnosno, isparavanje sa površine tečnosti. Svaka tečnost ima svoju latentnu toplotu isparavanja koja predstavlja količinu energije potrebnu za prelaz molekula iz tečnog u gasovito agregatno stanje na istoj

1�2

temperaturi. Mnoge životinje odaju toplotu isparavanjem vode sa površine tela tj. evaporacijom.

Slika 7.1. Termalna komunikacija izmedju organizma i spoljašnje sredine Toplotne rezerve povećavaju temperaturu telesne mase. Što je veća masa tela ili njegova specifična toplota, manje je njegovo povećanje temperature za datu količinu apsorbovane toplote, te se stoga krupnije životinje, koje imaju manju odnos površina/masa, sporije zagrevaju pri izlaganju većim temperaturama, nego manje životinje koje imaju veći odnos površina/masa. Stepen prenosa toplote na ili iz organizma zavisi od raznih faktora (osnosa površine i mase tela, spoljašnje temperature, telesnog pokrivača i dr.), te menjanje vrednosti bilo kojeg od njih dovodi do promena u protoku toplote preko telesne površine. Specifična toplotna provodljivost površine tela zavisi od prirode telesnog pokrivača. Životinje sa visokom provodljivošću površinskih tkiva imaju telesnu temperaturu približnu spoljašnjoj. Životinje koje aktivno održavaju konstantnu telesnu temperaturu imaju perje ili krzno koje smanjuje toplotnu provodljivost, tj. odavanje toplote sa površine tela. Značajna osobina krzna i perja je da oni “drže” vazduh koji ima veoma nisku toplotnu provodljivost i stoga sprečava odavanje toplote. Ovakva izolacija povećava temperaturnu razliku izmedju temperature tela i okruženja, tako da je temperaturni gradijent blaži, a samim tim je i protok toplote smanjen.

Neke životinje mogu pojedine delove tela održavati na različitim temperaturama (pas-noge, ptice-stopala) zahvaljujući izmeni toplote sistemom suprotnog toka. Zahvaljujući ovom sistemu tuna može pojedine delove tela

održavati na temperaturi iznad ambijentalne temperature, ali kada krv dodje do respiratorne površine temperatura se vraća na ambijentalnu da bi se sprečio gubitak toplote Vazduh, za razliku od vode, ima visok sadržaj kiseonika i nisku specifičnu toplotu. Stoga kopnene životnje mogu podići svoju telesnu temperaturu iznad spoljašnje, dok vodene ne mogu.

životinje koriste različite mehanizme za regulaciju razmene toplote sa okolinomKontrola ponašanjem podrazumeva premeštanje tj. selidbu na mesta gde je temperatura približna optimalnoj) ili promenu dnevnog položaja (npr. pustinjska veverica se povlači u svoje sklonište za vreme dnevnih vrućina, a noću izlazi napolje). Autonomna kontrola protoka krvi u koži kod kičmenjaka utiče na temperaturni gradijent, a time i na temperaturnu razmenu (npr. aktivnošću mišića korena dlake povećava se rastresitost dlakavog pokrivača, a time se povećava i zapremina za zadržavanje vazduha). Znojenje i salivacija prilikom dahtanja dovodi do hladjenja evaporacijom. Aklimatizacija podrazumeva promene koje se sporije/kasnije ispoljavaju (npr. promene u rožnom pokrivaču ili u potkožnom tkivu; promene metabolizma u kapacitetu produkcije toplote; i sl.).

7.2. TEMPERATURNA KLASIFIKACIJA žIVOTINJA

Homeotermi održavaju telesnu temperaturu u uskom opsegu kontrole produkcije i gubitka toplote. Kod većine sisara temperatura se kreće izmedju 37-38°C, dok je kod ptica blizu 40°C. Sem ptica i i sisara i neki drugi kičmenjaci, kao i neki beckičmenjaci takodje mogu donekle održavati telesnu temperaturu, iako je takva kontrola ograničena na periode aktivnosti ili brzog rasta organizma. Poikilotermi su one životinje kod kojih telesna temperatura varira zajedno sa spoljašnjom. Ranije su se sve ribe, vodozemci, gmizavci i beskičmenjaci klasifikovali u poikiloterme zbog toga što se smatralo da imaju niži nivo toplotne produkcije od ptica i sisara. Medjutim, kasnije je otkriveno da mnogi tzv. poikilotermi mogu da regulišu svoju telesnu temperaturu veoma dobro u prirodnom okruženju, iako je ova sposobnost u krajnjoj liniji ograničena dostupnošću toplote iz spoljašnje sredine. Pored toga, za mnoge ptice i sisare je poznato da dozvoljavaju širok raspon telesnih temperatura, bilo da se radi o delovima tela ili pak celom telu. Pomenute nedoslednosti su dovele do nove temperaturne klasifikacije bazirane na izvoru telesne toplote. Po ovom obrascu, endotermni organizmi proizvode sopstvenu toplotu, a ektotermi organizmi se

1��

uglavnom oslanjaju na toplotu iz spoljašnje sredine. Treba naglasiti da su ovo ekstremne klase i da se većina organizama nalazi izmedju.

Slika 7.2. Homeotermi održavaju telesnu temperaturu dok je telesna temperatura poikiloterma bliska spoljašnjoj

Endotermi su organizmi koji proizvode sopstvenu toplotu kao sporedni proizvod metabolizma, što podiže njihovu telesnu temperaturu znatno iznad spoljašnje. Većina proizvodi toplotu u visokom stepenu i ima malu toplotnu provodljivost. Zbog dobre izolacije (krzno, perje, masne naslage) uspevaju da konzerviraju toplotu uprkos visokom temperaturnom gradijentu izmedju tela i spoljašnje sredine. Sisari i ptice predstavljaju životinje koje regulišu telesnu temperaturu unutar uskih granica i za njih se kaže da su homeotermni endotermi. Manji broj riba i letećih insekata su označeni kao regionalni heterotermi endotermi zato što u specifičnim okolnostima održavaju temperaturu pojedinih delova tela iznad spoljašnje. Zbog svih ovih osobina endotermi su bili u stanju da nasele staništa koja su suviše hladna za ektoterme. Endotermi održavaju temperaturu zahvaljujući povećanom metabolizmu koji je čak pet puta veći nego kod ektoterma iste veličine i telesne temperature.

Ektotermi produkuju metaboličku toplotu na nižem nivou od endoterma. Ektotermi imaju nizak nivo produkcije metaboličke toplote i visoku toplotnu provodljivost, tj. imaju slabu izolaciju. Kao rezultat toga, toplota dobijena u procesu metabolizma se brzo odaje u hladniju okolinu. U vezi sa tim, razmena toplote sa okolinom je značajnija nego produkcija toplote, u odredjivanju telesne temperature kod ektoterma. Sa druge strane, visoka toplotna provodljivost omogućava ektotermima da lakše apsorbuju toplotu iz okoline. Temperaturna regulacija ponašanjem je glavni način

na koji ektotermi regulišu svoju telesnu temperaturu. Mnogi ektotermi u potrebi da promene svoju telesnu temperaturu ponašaju se na način koji im omogućava bolju apsorpciju toplote iz okoline ili bolje odavanje (manji ektotermi u toplim sredinama često podižu svoje telo da bi izbegli visoke temperature tla). Gušteri ili zmije se sunčaju pri čemu položaj tela je takav da omogućuje maksimalni zagrevanje sve dok se ne postigne temperatura koja je optimalna za mišićni rad.

Heterotermi su organizmi sposobni za različite stepene endotermičke toplotne produkcije, ali generalno ne reguliše telesnu temperaturu u okviru uskog opsega. Oni mogu biti podeljeni u dve grupe: regionalni i privremeni heterotermi. Privremeni heterotermi čine široku kategoriju životinja čija temperatura široko varira tokom vremena. Monotremate su privremeni heterotermi. Drugi sisari to mogu biti u stanju hibernacije ili ukočenosti. Privremena heterotermija se takodje javlja kod mnogih letećih insekata, pitona, nekih riba koji mogu podići svoju telesnu temperaturu iznad spoljašnje korišćenjem toplote stvorene putem intenzivne mišićne aktivnosti. Neki insekti se spremaju za let tako što pokreću grudne mišiće za let dok temperatura ne dostigne potrebne vrednosti za let. Kod nekih ptica i sisara koji su homeotermi i koji imaju kontrolne mehanizme održavanja temperature, telesna temperaturi se ipak podvrgava dnevnim fluktuacujama spoljašnje temperature. U toplim sredinama ova fleksibilnost omogućava nekim krupnim životinjama (npr. kamilama) da apsorbuju znatne količine toplote tokom dana, a da je odaju tokom noći. Neki endotermi koji se često hrane da bi održali intenzivan dnevni metabolizma, tokom noći, kada se ne hrane da bi izbegli gubitak energetskih rezervi, padaju u stanje torpora kada se telesna temperatura prlibižava spoljašnjoj. Regionalni homeotermi su uglavnom ektotermi koji mogu postići visoku temperaturu unutrašnjosti putem mišićne aktivnosti, dok njihova periferna tkiva i ekstremiteti imaju temperaturu približnu spoljašnjoj (ajkule, tune i mnogi leteći insekti). Povećana temperatura omogućuje veću metaboličku aktivnost od one na spoljašnjoj temperaturi. Ribe koji su regionalni heterotermi koriste izmenu toplote sistemom suprotnog smera. Toplota se konzervira u unutrašnjosti tela specijalnim rasporedom arterija koje dovode krvi i vena koje odvode krv, te se toplota na taj način zadržava i unutrašnjosti tela. Neke veće ribe koriste očni mišić kao neku vrstu “grejačkog tela” čijim radom se podiže temperatura mozga. Još jedan primer regionalne heterotermije su skrotumi kod nekih sisara (uključujući i čoveka) koji drže testise izvan unutrašnjosti tela kako bi omogućili njihovo funkcionisanje na nešto nižoj temperaturi. Skrotumi se pri niskim temperaturama skraćuju kako

1��

bi testise približili toplijem delu tela, odnosno, izdužuju pri visokim temperaturama, kako bi sprečili zagrevanje od strane tela. Ovo je od izuzetne važnosti za normalno odvijanje spermatogeneze.

7.3. REGULACIJA TEMPERATURE KOD ENDOTERMNIH žIVOTINJA

Kod homeotermnih endoterama (uglavnom ptice i sisari) telesna temperatura je regulisana homeostatskim mehanizmima koji regulišu stepen produkcije i gubitka toplote tako da se telesna temperatura održava relativno konstantnom bez obzira na spoljašnju temperaturu. Temperatura tela kod sisara je uglavnom oko 370C-380C kod sisara dok je kod ptica 400C. Temperatura perifernih tkiva isto tako se održava konstantno ali ponekad može i da se približi temperaturi spoljašnje sredine. Bazalna produkcija toplote za različite homeotermne organizme je ista i ona oko 10 puta veća od produkcije toplote kod ektotermnih organizma iste veličine i slične telesne temperature. Ovakav bazalni metabolizam u sadejstvu sa mehanizmom čuvanja i odavanja toplote omogućuje ovim organizmima da održe telesnu temperaturu i za 300C veću nego što je spoljašnja.

7.3.1. MEHANIZMI ZA REGULACIJU TELESNE TEMPERATURE

Endotermi koriste veliki broj fizioloških mehanizama i mehanizama ponašanja da održe telesnu temperaturu u uskim granicama.

Termički neutralna zonaStepen termoregulacione aktivnosti koji endotermi koriste za održavanje stalne telesne temperature raste kako se temperatura spoljašnje sredine približava ekstremnim vrednostima. Pri umerenim temperaturama bazalana produkcija toplote je izjednačena sa gubitkom toplote u spoljašnju sredinu. Pri ovakvoj temperaturi koja se naziva termički neutralna zona endotermi ne moraju da ulažu energiju za održavanje telesne temperature nego mogu da regulišu gubitak toplote preko podešavanja termalne kondukcije na površini tela

Ova podešavanja uključuju vazomotorni odgovor, podizanje ili spuštanje dlaka ili krzna itd. Kako spoljašnja temperatura pada endotermi se približavaju donjoj kritičnoj temperaturi na kojoj toplota proizvedena bazalnim metabolizmom nije u ravnoteži sa gubitkom toplote uprkos svim podešavanjima u termičkoj konduktivnosti. Ispod te temperature endotermi moraju povećati proizvedenu toplotu iznad bazalnog nivoa

da nadoknade gubitak (termogeneza). Tada produkcija toplote raste linearno sa snižavanjem temperature i ta zona se naziva zona metaboličke regulacije. Ako temperatura spoljašnje sredine padne ispod zone metaboličke regulacije kompenzatorni mehanizmi više nisu dovoljni da održe temperaturu, telo se hladi, a metabolički procesi usporavaju. Ako ovo stanje hipotermije potraje životinje će ubrzo uginuti.

Termički neutralna zona se nalazi oko 370C-400C. Isto tako kada temperatura spoljašnje sredine dostigne gornju kritičnu temperaturu gubitak toplote pasivnim mehanizmom postaje minimalan. Svako dalje povećanje temperature iznad kritične će podizati telesnu temperaturu sve dok se aktivni mehanizmi gubitka toplote kao što su znojenje i dahtanje ne uključe. Bez evaporativnog gubitka toplote termperatura tela bi stalno rasla i organizam bi ušao u hipertermiju jer toplote koja se formira tokom bazalnog metabolizma ne se može izgubiti lako pasivnim putem. Bez obzira na spoljašnju temperaturu organizmi stalno produkuju toplotu i ukoliko se ta toplota ne otpušta u spoljašnju sredinu dolazi do pregrevanja.

TermogenezaKada temperatura spoljašnje sredine padne ispod donje kritične vrednosti endotermi odgovaraju tako što produkuju veće količine toplote iz energetskih rezervi i tako sprečavaju smanjenje temperature unutrašnjosti tela. Postoje dva osnovna načina stvaranja ove dodatne toplote: drhtanje i ne drhtajuća termogeneza. U oba ova procesa dolazi do pretvaranja hemijske energije u toplotu, i to zahvaljujući mehanizmu koji je primarno adaptiran za produkciju toplote.

Prvi način termogeneze podrazumeva da se pri kontrakciji mišića oslobadja toplota. Nervni sistem aktivira grupu skeletnih mišića koji prouzrokuju brzu kontrakciju mišića. Aktivacija ovih mišića dovodi do hidrolize ATP-a, pri čemu se stvara energija za kontrakciju. Mišićne kontrakcije proizvode fizički nekoristan rad, ali se pri tome oslobadja hemijska energija u vidu toplote.

Drugi način termogeneze podrazumeva aktivaciju enzima, tj. enzimatskog sistema koji učestvuje u metabolizmu masti, pri čemu se masti oksiduju i oslobadja se toplota. Vrlo malo energije se oslobodi i konzervira u vidu novonastalog ATP-a. Kod nekoliko vrsta sisara postoji specijalizacija za potpunu termogenezu iz masti, i to kod onih koji poseduju mrko masno tkivo. Ono se nalazi izmedju ramena i na vratu i adaptirano je za brzu i masivnu toplotnu produkciju. Ovo tkivo sadrži

1��

ekstenzivnu vaskularizaciju i mnogo mitohondrija, što mu daje mrku boju. U mrkom masnom tkivu oksidacija masti se odvija u samim ćelijama koje su bogate enzimima koji metabolišu masti. Mrke masne ćelije sadrže mitohondrije u kojima unutrašnja mitohondrijalna membrana sadrži nosače za H+ tako da se pri prenosu elektrona duž respiratornog lanca ne formira protonski gradijent pa nema sinteze ATP. Zbog toga se sva energija oslobodjena u reakcija oksido-redukcije pri prenosu elektrona oslobadja kao toplota. Kod ostalih masnih tkiva depoziti masti moraju prvo biti razgradjeni do masnih kiselina koje potom ulaze u cirkulaciju i tada eventualno ulaze u neke ćelije koje ih oksiduju.

Mrko masno tkivo se značajno zagreva tokom termogeneze. Novo produkovana toplota se brzo širi u sve delove tela putem cirkulacije. Ne drhtajuća termogeneza je izražena tokom hibernacije. Jedan od načina aklimatizacije sisara na hladnoću je povećanje zaliha mrkog masnog tkiva. Povećanje mrkog masnog tkiva je posredovano tireoidnim hormonima. Mrko masno tkivo je prisutno i kod novorodjenčeta i lokalizovano je u regionu vrata, ramena, kičme i grudi. Razlog ovome leži u činjenici da su deca posle rodjenja inaktivna i mala, te mrko masno tkivo u ovom slučaju pruža žaštitu prilikom mogućeg izlaganja niskim temperaturama.

7.3.2. ENDOTERMI U HLADNIM SREDINAMA

Endotermi koji su adaptirani na život u hladnim uslovima imaju razvijene mehanizme koji im pomažu da zadrže telesnu toplotu. Neki od tih mehanizama su privremeni, a neki stalni. Npr. životinja koja oseti da gubi toplotu, tj. da joj je hladno na vetrovitom mestu, nakostrešiće svoj telesni pokrivač ili će se premestiti na zaklonjeno mesto. Konkretniji odgovor na hladnoću predstavlja gust sloj izolacije kod mnogih arktičkih životinja, u formi potkožne masti ili gušćeg telesnog pokrivača. Kod arktičkih i subarktičkih životinja izolacioni efekti krzna ili perja se menjaju sa sezonom.

Specifična provodljivost homeoterma varira u širokom opsegu i smanjuje se sa veličinom tela. Krupnije životinje imaju nižu specifičnu provodljivost zbog njihovog gustog telesnog pokrivača. Oni se suočavaju sa manjim gubitkom toplote u hladnim klimatima, tako da jedna od adaptacija endoterma na hladne uslove je povećanje veličine tela.

Masno tkivo se kod kitova nalazi ispod kože, dobar je izolator zbog toga što masno tkivo, isto kao i vazduh, ima slabu termalnu provodljivost, manju provodljivost nego što ima voda, koja je glavni konstituent ostalih tkiva. Isto tako masno tkivo je metabolički malo aktivno i nije mu potreban

dobra prokrvljenost što smanjuje gubitak toplote sa površine tela. Kod kitova spoljašnji regioni masnih naslaga imaju temperaturu blisku onoj temperaturi koju ima voda koja ih okružuje.

Važan mehanizam kontrole odavanja toplote sa povšine tela je kretanje krvi od ili ka površine tela. Vazokonstrikcijom arteriola, koje vode ka koži, smanjuje se kontakt tople krvi sa hladnom površinom tela i na taj način se čuva toplota unutrašnjosti. Prednost masnog tkiva u odnosu na krzno je to što je krzno locirano van tela, a masno tkivo je unutar tela i snabdeveno je krvnim sudovima. Krzno, ako izolacioni materijal, ne zavisi od cirkulacije, dok masno tkivo upravo zavisi od toga da li će krv doći do površine kože ili ne. Sposobnost regulacije prenosa toplote kroz masno tkivo omogućava marinskim sisarima da olakšaju sam proces odavanja viška toplote, na taj način što će se krv iz unutrašnjih slojeva masnog tkiva kretati ka spoljašnjim slojevima i to za vreme intenzivne aktivnosti ili tokom ležanja na kopnu. Izmena toplote sistemom suprotnog smeraPri kretanju endoterma veoma je važno da ekstremiteti budu snabdeveni dovoljnom količinom krvi. Pošto ekstremiteti generalno imaju veliku površinu, dobru vaskularizaciju, predstavljaju glavne puteve u telu gde najlakše dolazi do gubitka toplote. Medjutim, do velikog gubitka neće doći zahvaljujući sistemu suprotnog smera. Arterijska krv iz unutrašnjosti tela je topla, a venska krv koja dolazi sa periferija organizma može biti veoma hladna. Arterijska krv iz unutrašnjosti po ulasku u ekstremitete protiče vrlo blizu venske krvi koja izlazi iz ekstremiteta. Rastojanje izmedju ovih krvnih sudova je vrlo malo tako da toplota koju nosi arterijska krv se predaje venskoj krvi i arterijska krv postaje hladna u ekstremitetima a venska topla pošto odlazi u unutrašnjost tela. To znači da arterijska krv u ekstremitetima je za par stepeni možda viša od spoljašnje i na taj način se sprečeva prekomeran gubitak toplote. Sa druge strane venska krv se zagreje do temperature unutrašnjosti tela. Prednost ovog sistema je da se smanjuje gubitak toplote bez restrikcije u krvotoku a samim tim i kiseoniku i hranjivim materijama koji krv nosi. Sličan sistem postoji i kod heterotermnih riba. Ovakav mehanizam koriste ptice i svi kopneni sisari koji žive u hladnim klimatima. Na ovaj način se čuva toplota unutrašnjosti, a ekstremiteti opstaju i na temperaturama bliskim spoljašnjim.

7.3.3. ENDOTERMI U TOPLIM SREDINAMA

U veoma toplim i suvim klimatima, krupnije životinje imaju prednost nad sitnijm zbog toga što je njihova površina mala

1��

u odnosu na masu i imaju velike topltne kapacitete. Npr. kamile, koje su poznate po tolerantnosti prema toploti, ne samo što imaju veliku telesnu masu, nego imaju i gustu dlaku što im pomaže pri izolaciji. Zbog velike mase i visoke specifične toplote vode u tkivu, kamile , kao i drugi krupni sisari mogu da apsorbuju relativno veliku količinu toplote za podizanje telesne temperature. Ove osobine rezultuju spori gubitak toplote tokom noći. Dehidrirana kamila može da toleriše povišenu temperaturu unutrašnjosti što unapred povećava i toplotno-apsorpcioni kapacitet. Velike količine toplote postepeno se akumuliraju tokom dana, a tokom noći se postepeno odaju. U pripremi za naredni dan, tj. naredni talas dnevne toplote, temperatura unutrašnjosti tokom noći padne i po nekoliko stepeni ispod normale. Kao posledica ovoga, kamila započinje dan sa deficitom toplote, što joj omogućava da apsorbuje istu količinu toplote koju je odala tokom noći, a da pritom ne dostigne temperature štetne po zdravlje. Ovo se naziva “limitirana heterotermija” koja omogućava kamilama da tolerišu ekstremne dnevne pustinjske temperature, a da pritom ne koriste mnogo vode za evaporativno hladjenje.

Da bi regulisali gubitak toplote, endotermi koriste različite tzv. toplotne “prozore”, a njihovo “otvaranje ili zatvaranje” regulisano je krvotokom. Preko ovih “prozora” može doći do gubitka toplote putem radijacije, kondukcije i u nekim slučajevima evaporacije. Primer ovakvih ventila su uši zeca koje su tanke i dobro prokrvljene. Ili rogovi različitih sisara koji su isto tako dobro vaskularizovani mrežom krvnih sudova koji putem vazodilatacije odaju toplotu. Takodje, noge koje imaju velik odnos površine/zapremine mogu da deluju kao toplotni prozori odajući toplotu. Sisari, koji žive u uslovima intenzivnog sunčevog zračenja i visokih temperatura, na površini nekih delova tela (pazuh, prepone, ventralna površina, mošnice, itd.) imaju blago krzno ili su čak bez njega, a sve u cilju lakšeg odavanja toplote.

Položaj koji životinja zauzima može da utiče na brzinu apsorpcije ili odavanja toplote. Npr guanako kamila zauzimajući odgovarajući položaj i orjentišući telo u odnosu na sunčevo zračenje može da podesi stepen do kojeg će se termalni prozori otvoriti ili zatvoriti, dozvoljavajući pet puta veće promene termalne provodljivosti.

Evaporativno hladjenjeEvaporacija je najefektivniji način da se ukloni višak telesne toplote, pod pretpostavkom da postoji suvišna voda koja bi se “potrošila” na ovaj način. Pojedini reptili, ptice i sisari su sposobni da telesnu tečnost ili postojeću tečnost iz spoljašnje sredine rašire po površini tela, dozvoljavajući da isparava

na račun telesne toplote. Životinje sa prirodno vlažnom kožom, kao što su vodozemci, mogu da imaju nižu telesnu temperaturu od spoljašnje zahvaljujući evaporativnom hladjenju.

Neki kičmenjaci koriste znojenje ili dahtanje za evaporativno hladjenje. Znojenje kod nekih sisara se ostvaruje korišćenjem znojnih žlezdi koje izbacuju vodu na površinu tela kroz pore. Znojenje može da postoji i bez evaporacije, kada je relativna vlažnost vazduha velika. Znojenje ne služi samo za sniženje telesne temperature, već i za smanjenje količine vode i soli u organizmu.

Dahtanje, kao mehanizam za gubitak toplote evaporativnim hladjenjem, koriste ptice i sisari. Sisari koji dahću dišu preko usta umesto kroz nos. Toplota izlazi u spojašnju sredinu kroz izdahnut vazduh jer su dimenzije usta takva da izdahnut vazduh zadržava toplotu apsorbovanu u plućima. I hiperventilcijom sisari mogu povećavati gubitak toplote. Pregrejane ptice udišu kroz nos, a izdišu kroz usta, eksponirajući jezik pri čemu dolzi do gubitka vode evaporacijom, a takodje i toplote. Dahtanje je praćeno se lučenjem pljuvačnih žlezda, lučenje je pod autonomnom kontrolom. Većina vode koja nije isparila pri dahtanju je progutana ili konzervirana. Zbog evaporacije sa kože ili respiratornog epitela, ovo je najefektivniji način da se telo oslobodi toplote. Postoji bliska veza izmedju balansa vode i kontrole temperature u toplim sredinama.

Životinje u pustinjama se suočavaju sa pregrejavanjem ili sušenjem. Dehidrirani sisari čuvaju vodu tako što redukuju evaporaciju koja je prouzrokovana dahtanjem ili znojenjem, što dovodi do povećanja telesne temperature. Pošto imaju mali toplotni kapacitet, sitniji sisari koji su izloženi pustinjskoj toploti usled odsustva termoregulacione vode pretrpiće visok rast telesne temperature . Da bi preživeli u ovim uslovima, moraju ili da piju vode ili da se sklone sa toplote. Za konzervaciju vode ove životinje koriste privremeni protivstrujni mehanizam, pri čemu se nazalni epitel hladi tokom udisanja. Tokom izdisanja, većina vlage ostaje u toplom vazduhu, dok je vlažnost respiratornih prolaza sačuvana zahvaljujući tome što se vlaga kondenzovala na hladnom nazalnom epitelu. Ovaj mehanizam takodje reciklira telesnu toplotu i zahteva da inhalirani vazduh bude hladniji od toplote unutrašnjosti. Ako je temperatura udahnutog vazduha iznad temperature unutrašnjosti, onda se gubitak respiratorne vlažnosti povećava. Gubljenje vode evaporacijom bi pomoglo životinama pri hladjenju, ali bi bio poremećen vodni balans organizma.

1��

8.3.4. RREGULACIJA TELESNE TEMPERATURE KOD HOMEOTERMNIH ENDOTERAMA

Homeotermni endotermi koriste sistem kontrole telesne temperature sličan mehaničkom termostatu koji se nalaze npr. u vodenim kupatilima ili u grejnim sistemima. U takvim sistemima postoji temperaturni komparator koji uporedjuje temeperaturu vode ili nekog sistema sa zadatom temperaturom. Ako dodje do pada temperature, termostat aktivira sistem, te se produkuje toplota dok se temperatura vode ili sistema ne izjednači sa zadatom, čime se prekida produkcija toplote.Medjutim, pored ovoga endotermi i homeotermni ektotermi koriste i nemetaboličke mehanizme za regulaciju telesne temperature.Temperaturno-senzitivnih neurona ima u svim delovima tela: mozgu, kičmenoj moždini, koži i dr. Time se obezbedjuju ulazne informacije termostatičkom centru u mozgu. Sisari imaju veći broj tih centara ali najvažniji i onaj koji se smatra termostatom je lociran u hipotalamusu. Otkriven je 1912 (Henry G. Barbour). Hladjenje hipotalamusa dovodi do povećanja metabolizma i porasta telesne temperature dok zagrevanje hipotalamusa ima obrnut efekat. Eksperimentalna istraživanja su pokazala da je sisarski termoregulacioni centar visoko osetljiv na temperaturu. Promene temperature mozga za samo nekoliko stepeni može ozbiljno da ošteti funkcionalnost istog stoga nije čudno što se baš centar za termoregulaciju nalazi u mozgu. Neuroni koji su osetljivi na temperaturu nalaze se u anteriornom delu hipotalamičnog termostata. Neki od njih pokazuju pojačanu aktivnost sa povećanjem temperature hipotalamusa. Smatra se da ovi neuroni aktiviraju mehanizme odavanja toplote kao što su vazodilatacija ili znojenje. Druga grupa neurona smanjuje svoju aktivnost sa zagrevanjem hipotalamusa. Postoje i neuroni koji se aktiviraju prilikom hladjenja hipotalamusa i kontrolišu procese generisanja toplote: drhtanje, aktivnost mrkog masnog tela i neke druge mehanizme koji ne uključuju drhtanje.Pored informacije o svojoj temperaturi koju generišu termosenzitivni neuroni hipotalamus prima informacije i od termoreceptora iz drugih delova tela. Sve te informacije se integrišu i koriste za kontrolu izlaza iz hipotalamusa. Nervni putevi koji izlaze iz hipotalamusa povezani su sa delovima nervnog sistema koji je odgovoran za čuvanje ili odavanje toplote. Rast temperature unutrašnjosti tela za 0.50C kod većine sisara će dovesti do vazodilatacije tako da se dotok krvi u kožu poveća za nekoliko puta. Male devijacije u temperaturi unutrašnjosti tela u odnosu na normalnu temperaturu životinje dovodi samo do perifernog vazomotornog ili pilomotornog odgovora. To su promene u temperaturi tela koje mnogo ne odstupaju od zone termičke neutralnosti

i dovoljni su pasivni mehanizmi za održavanje normalne temperature. Medjutim ukoliko su promene temperature tela značajnijeg karaktera pasivni termoregulacioni mehanizmi više nisu dovoljni za održavanjer stanja i tada se uključuje hipotalamus aktivitajući mehanizme termogeneze ili odavanja toplote.Kod ptica isto tako postoji termoregulacioni centar koji je po istraživanjima mnogo kompleksniji od sisarskog. Termoregulacioni centar u hipotalamusu kod sisara je recimo neosetljiv na temperaturne promene koje su kod ptica dovele do odgovora. Pronadjeno je da kičmena moždina igra ulogu termoregulacionog centra kod goluba, pingvina, pataka ali receptori izvan centralnog nervnog sistema su dominantni receptori u ptica. Iz ovih receptora signal verovatno stiže do hipotalamičkog centra koji zatim aktivira odgovarajuće termoregulatorne efektore.Ribe i reptili kao ptice i sisari imaju temperaturno osetljiv region hipotalamusa. Zagrevanje hipotalamusa dovodi do hiperverntilacije kod skorpion ribe. Hladjenje hipotalamusa ima suprotan efekat i usporavanje ventilacije. Ove promene na nivou respiratornog sistema su posledica povećanog odnosno smanjenog zahteva za kiseonik jer kod riba metabolizam umnogome zavisi od temperature.

GroznicaZanimljiva odlika hipotalamusnog termoregulacionog centra je njegova osetljivost na hemijske supstance nazvane pirogenima. Postoje dve kategorije pirogena u zavisnosti od njihovog porekla. Egzogeni pirogeni su endotoksini produkovani od gram negativnih bakterija. To su temperaturno stabilne, visoko molekulski polisaharidi koji su vrlo potentni. 1ng ovih toksina unoesen u čoveka dovodi do porasta telesne temperature. Endogeni pirogeni nastaju od sopstvenog tkiva i za razliku od egzogenih su termo labilni. Leukociti oslobadjaju endogene pirogene kao odgovor na egzogene pirogene oslobodjene iz bakterijski organizama. Stoga bi egzogeni pirogeni povećavali telesnu temperaturu indirektno stimulacijom oslobadjanje endogenih pirogena koji direktno deluju na hipotalamus. Pokazano je još da je hipotalamus osetljiviji na aplikaciju endogenih pirogena. Termosenzitivni neuroni hipotalamusa reaguju na pirogene supstance dovodeći do povećanja »zadate« temperature iznad normalne što rezultira rastom telesne temperature i pojavom groznice. Značajnost ove pojave je bakteriostatički efekat povećane telesne temperature.Pirogene bakterije takodje povećavaju telesnu temperaturu kod neki ektotermnih organizama. Kao odgovor na unos pirogenih bakterija pustinjska iguana pozicionira svoje telo tako da upija što više sunčeve toplote i tako podiže svoju temperaturu mnogo više nego što bi se očekivalo. Ovakvo

1��

ponašanje iguane i povećanje temperature štiti ovog guštera od bakterijske infekcije na dva načina: (1) antiviralni i antitumorni agensi interferoni su mnogo efektivniji na višim temperaturama, (2) povećana temperatura umanjuje rast bakterija.

7.4. REGULACIJA TEMPERATURE KOD EKTOTERMNIH žIVOTINJA

Ektotermi naseljavaju širok spektar staništa, od staništa sa stabilnim temperaturnim uslovima kao što je voda ispod Arktičkog ili Antartičkog leda, duboki regioni mora, unutrašnjosti mnogih pećina itd, do staništa koja se odlikuju dugim ili kratkim temperaturnim variranjima. Temperaturna variranja mogu biti veoma velika naročito kod kopnenih staništa gde dnevne temperature mogu da dostignu 400C, da bi tokom noći spale na –400C.

7.4.1. EKTOTERMI U HLADNIM SREDINAMAZbog toga što telesna temperatura mnogih ektoterma zavisi u velikoj meri od spoljašnje temperature, smrzavanje je pretnja za vrste koje žive u sredinama gde je spoljašnja temperatura ispod 0°C. Formiranje kristala leda unutar ćelije je letalno, povećavajući svoju veličinu, kristali mehanički oštećuju i uništavaju ćeliju. Nijedna životinja ne može preživeti kompletno zamrzavnje vode u organizmu, mada postoje izuzeci. Neke vrste insekata mogu izdržati temperature ispod tačke mržnjenja, jer ekstracelularna tečnost sadrži supstance koje ubrzavaju proces nukleacije. Stoga se ekstracelularna tečnost hladi brže nego intracelularna. Kristali leda se stvaraju u ekstracelularnoj tečnosti, pa ona postaje koncentrovanija. Ovo izaziva odavanje vode iz ćelije, snižavajući na taj način snižava tačku mržnjenja. Kako se temperatura snižava, proces se nastavlja i dolazi do daljeg snižavanja tačke mržnjenja preostale intracelularne vode. Ako se kristali leda formiraju i rastu unutar ćelije, oni oštećuju tkivo, jer izazivaju pucanje ćelije. Nasuprot tome, kristali leda formirani izvan ćelije pričinjavaju manju štetu. Zbog toga se adaptacja na niske temperature javlja kao rezultat formiranja kristala leda u ekstracelularnom prostoru. Slatkovodne larve Chironomus mogu da prežive i temperature od –320C. Eritrociti, spermatoizoidi isto tako mogu da prežive smrzavanje. Pokazano je da i odredjene vrste kičmenjaka, pre svega anure, mogu da prežive smrzavanje. Postojanje nukleatora-proteina koji kontroliše formiranje ekstracelularnog leda i antifriz supstance omogućuje preživljavanje smrzavanja kod ovih organizama.

Neke životinje se podvrgavaju superhladjenju (supercooling) gde se telesne tečnosti ohlade ispod njihove temperature

smrzavanja i ostanu nesmrznute jer nema formiranja kristala leda. Kristali leda se neće formirati ukoliko nema nukleatora za inicijaciju formiranja kristala. Tako neke ribe Arktičkih fjordova žive na dnu u stalno ohladjenom stanju i normalno se ne smrzavaju. Ali ako pak pokušaju da izadju do površine gde ima formiranog leda kristalizacija leda počinje i u telu ovih životinja dovodeći do smrti. Iz tog razloga oni provode vreme daleko od površine gde je led odsutan.Telesne tečnosti pojedinih ektoterama koji žive u hladnim sredinama sadrži antifriz supstance. Npr telesna tečnost artropoda i različitih insekata sadrži glicerol, čija koncentracija raste u zimskim uslovima. Glocerol deluje kao antifriz pri čemu snižava tačku mržnjenja na –170C. Krv antarktične ledene ribe Trematomus sadrži glikoprotein koji je 200 do 500 puta efektivniji nego ekvivalentna koncentracije NaCl u prevencije formiranja kristala leda.Za mnoge životinje koje žive u hladnim sredinama opstanak zahteva održavanje adekvatnog metabolizma na veoma niskom nivou enzimatske aktivnosti. Mnoge od njih imaju adaptirane enzime koji pokazuju maksimalnu aktivnost na temperaturama nižim od onih temperatura potrebnih za maksimalnu aktivnost homologih enzima kod životinja u toplijim staništima.

7.4.2. EKTOTERMI U TOPLIM SREDINAMARazmena toplote sa okolinom je blisko povezana sa telesnom površinom, tako da je kod sitnijih ektoterma (relativno velika površina) temperatura više zavisna od dnevnih fluktuacija. Svi ektotermi imaju kritični temperaturni maksimum, iznad kojeg nakon duže izloženosti opstanak nije moguć. Kritični temperaturni maksimum varira u zavisnosti od vrste. Neke termofilne bakterije žive na temperaturam oko 900C ali ipak kritična temperatura za sve metazoe je oko 450C. Obično gornji temperaturni limit je onaj na kojoj se vrši denaturacija proteina mada enzimi prestaju da funkcionišu i na temperaturama koje su ispod denaturacione. Npr kod mnogih ektoterama veliki hendikep predstavlja smanjenja afiniteta respiratornog pigmenta za kiseonik. Na 500C krv Sauromalus-a ne može da dostigne 50% saturacije kiseonikom. Mnogi izlažu svoje telo suncu ili hladu da apsorbuju više ili manje toplote iz spoljašnje sredine. Efektivnost ovog termoregulacionog mehanizma je povećana zahvaljujući visokoj provodljivosti. Odredjeni reptili koriste fiziološke mehanizme u kontroli zagrevanja i hladjenja tela. Tako Galapagoska iguana kada se zagreva svoje telo izlaže suncu i odmah usmerava hladniju krv iz unutrašnjosti tela ka površini. Povećava se broj otkucaja srca i vazodilatiacija krvnih sudova kože. Efekat je ubrzanje apsorbcije toplote iz spoljašnje okoline u životinju. Ubrzan srčani rad opet omogućuje brže odnošenje zagrejane krvi do dubljih

1��

hladnijih tkiva. Tokom ronjenja da bi se sprečio gubitak toplote smanjuje se krvotok u površini tela (vazokonstrikcija) tako što se usporava cirkulacija i srčani otkucaji.

7.4.3. PREDNOSTI I NEDOSTACI EKTOTERMIJEKomparativni fiziolozi su smatrali ranije da su ektotermi inferiorniji u odnosu na endoterme. Endotermni kičmenjaci (ptice i sisari) su smatrani kompleksinijim organizmima iz razloga što su evoluirali od “nižih kičmenjaka” (riba, amfiba i reptila). Medjutim današnja saznanja pokazuju da su ektotermi isto tako visoko adaptirani na uslove sredine kao i ptice i sisari. Ustvari ektotermi i endotermi predstavljaju dve filozofije života: jednu visoko energetsku, a drugu nisko energetsku. Mnogi od ektoterama su prilagodoli svoju anatomske i fiziološke osobine životu sa niskim energetskim potrebama. Ovakve potrebe su omogućile nekim ektotermnim organizmima kao što su reptili, ribe ili amfibije da naseljavaju sredine koje su nepristupačne za ptice ili sisare. Stoga analizirajući dobre ili loše strane ektotermije sledeći zaključci se mogu izvući:

1. zbog telesne temperature približnoj spoljašnjoj ektotermi žive na nižem metaboličkom nivou. Kao posledica toga,

ektotermi mogu “uložiti” veći deo svog energetskog budžeta za rast i reprodukciju. Ektotermima je potrebno manje hrane i vode, pa manje vremena provode tražeći je, a samim tim su i manje izloženi predatorima. Gube manje vode putem isparavanja preko površine tela i ne trebaju da budu krupne u cilju redukcije specifične mase2. nedostatak ektoterma je nemogućnost regulacije telesne temperature. Npr gušter koji podiže svoju telesnu temperaturu putem sunčanje može to da uradi samo ako ima dovoljno sunčeve iradijacije što ga ograničava na odredjene sezone. Pored toga, imaju nizak nivo aerobnog metabolizma što ograničava dužinu trajanja perioda povećane aktivnosti3. prednost endotermije je visok nivo aerobnog disanja i povećana telesna temperatura, što im omogućava da izdrže duže periode intenzivne aktivnosti, kao i konstantna telesna temperatura.4. endotermi obavljaju neke funkcije brže, ali to podrazumeva veće zahteve u količini vode i hrane. Visok stepen respiratorne razmene gasova čini endoterme podložne dehidrataciji. Zbog toga što troše veliku količinu energije za održavaje telesne temperature samo mali deo energije može biti sačuvan za rast i reprodukciju.

Ektotermija i endotermija ne deluju samo na telesnu temperaturu nego zahvataju i ostale aspekte ovih životinja kao što su aktivnost ili fiziologija ili ponašanje ili evolucija. I ektotermija i endotermija imaju svoje prednosti i nedostatke. Recimo u tropskim predelima ektotermi daleko nadmašuju endotermne organizme što se ogleda u broju vrsta prisutnih i broju individua. Ovaj uspeh se ostvaruju zahvaljujući: toplom podneblju koje omogućuje ektotermima nokturalni ritam dok endotermni organizmi imaju diurnalni ritam ektotermi ne moraju da troše energiju za zagrevanje zbog toplog podneblja tako da višak energije koriste za reprodukciju i preživaljavanje. Ali u hladnim klimatima endotermi su u prednosti u odnosu na ektoterme koji su zbog niske temperature tromi. Ova prednost je uslovljena mogućnošću održanja telesne temperature iznad niske spoljašnje i toplote tkiva. U polarnim regionima stoga nema reptila, insekata a mali broj amfibija naseljava subpolarne regione.

7.5. REGULACIJA TEMPERATURE KOD HETEROTERMNIH žIVOTINJA

Heterotermi su kategorija organizama izmedju endoterma i ektoterma. Tu spadaju neki leteći insekti i ribe. Leteći insekti mogu da se smatraju i privremenim i regionalnim heterotermima jer pre leta oni podižu temperaturu unutrašnjosti tela u toraksu do odredjenog nivoa jer pri umerenim spoljašnjim temperaturama ovi insekti ne mogu da lete bez prethodnog

Slika 7.3. Zavisnost brzine potrošnje kiseonika od aktivnosti životinje

1�0

zagrevanja, jer se njihovi mišići letači kontrahuju suviše sporo da bi proizveli dovoljno energije za let na temperaturama manjim od 40°C. Medjutim, kada su neaktivni, ovi insekti se ponašaju isključivo kao ektotermi. Posle zagrevanja, mišići letači proizvode dovoljno energije za održavanje povišene mišićne temperature, čak uključuju i mehanizme za sprečavanje pregrejavanja. Ovi insekti uglavnom imaju veliku telesnu masu i prekriveni su toplotnim izolatorom u vidu čekinja. Da bi se zagrejali, aktiviraju grudne mišiće produkujući toplotu bez većeg pokretanja krila. Let započinje kada grudna temperatura dostigne 40°C i održava se tokom letenja. Endotemni insekti kao i većina endoterama imaju problem ako u postoji veliki temperatueni gradijent u odnosu u na spoljašnju sredinu. Ako je spoljašnja temperatura oko 00C dolazi do gubitka toplote konvekcijom tako da se temperatura tela potrebna za let ne može održati. Ali ako je spoljašnja temperatura visoka součeni su sa pregrevanjem. Kod ovih organizama

je primećeno da temperaturu tela mogu podizati radom mišića poznatijim kao drhtanje. Indijski piton npr podiže svoju telesnu temperaturu drhtanjem mišića pri čemu greje jaja oko kojih leži. Brzina drhtanja i učestalost se povećava sa smanjenjem spoljašnje temperature. Nasuprot kopnenim kičmenjačkim ektotermima koji mogu da koriste sunčevu energiju za zagrevanje morski ektotermi su lišeni te mogućnosti. Oni pak mogu da podižu telesnu temperaturu jedino metaboličkom aktivnošću. Mnoge teleostee su ektotermi čija temperatura unutrašnjosti tela je bliska spoljašnjoj aktivnošću. Ali neke ribe (npr.tuna) su specijalizovane za produkciju i zadržavanje dovoljne količine toplote za podizanje telesne temperature do deset stepeni veće od spoljašnje. Stoga ove ribe se svrstavaju u heteroterme. Velika masa (s tim u vezi mala specifična površina) pomaže im da održe relativno konstantnu temperaturu mišića. Zadržavanje toplote prvenstveno zavisi od organizacije vaskularnog sistema. Za razliku od ektotermnih riba, koje imaju centralno postavljenu aortu i zadnju kardinalnu venu, heterotermne ribe imaju glavni krvni sud lociran ispod kože. Arterijska krv, koja se brzo hladi prilikom protoka kroz škrge i površinske sudove, se kreće od hladne periferije ka dubljim toplijim slojeva mišićnog tkiva kroz sistem arterija koje se prepliću sa venama koje nose toplu krv iz muskulature. Ovo čini protiv-strujni sistem za izmenu toplote što omogućava zadržavanje toplote unutar tela i smanjuje odavanje toplote u spoljašnju sredinu.

7.6. DORMANCIJA - SPECIJALNO (POSEBNO) METABOLIČKO STANJE (STANJE METABOLIZMA)

Generalno predstavlja smanjenu telesnu i metaboličku aktivnost. Klasifikovana je u zavisnosti od dubine i vremena trajanja, i uključuje spavanje, ukočenost, hibernaciju i estivaciju. Spavanje je najbolje ispitano (verovatno zato što je to jedini oblik dormacije kod ljudi). Ostale četiri kategorije su slabije proučene, kod homeoterma sve pojave se manifestuju preko fiziološki povezanih procesa.

Spavanje se intenzivno ispituje kod ljudi i ostalih sisara, i zahteva veliko prilagodjavanje moždanih funkcija. Kod sisara san je propraćen padom hipotalamičke temperature, telesne temperature i smanjenjem respiratornih i kardiovaskularnih procesa. Takodje postoje različiti izazivači spavanja. Kod sisara je evidentirana supstanca koja indukuje spavanje i sintetiše se dok smo budni, a akumulira se u ekstracelularnim tečnostima CNS-a. Način na koji deluje ova supstanca još uvek se ispituje. Vreme i obim spavanja se razlikuje od vrste do vrste. Tuljani spavaju samo nekoliko minuta zato što moraju biti na stalnom oprezu od polarnih medveda. Ljudi i

1�1

mnogi drugi sisari spavaju nekoliko sati dnevno, dok mnoge velike karnivore spavaju i po dvadeset sati dnevno, naročito posle jela.

Ukočenost podrazumeva snižen bazalni metabolizam, kao i sniženu konverziju energetskih izvora (npr. masna tkiva) u telesnu toplotu. Zahvaljujući tome, moguće je sniženje telesne temperature tokom perioda neaktivnosti i nehranjenja. Mali endotermi, zbog toga što imaju brz metabolizam, u periodu inaktivacije, tj. u periodu kada se ne hrane, izloženi su gladovanju. Tokom ovog perioda neke životinje ulaze u stanje ukočenosti. Pre nego što se životinja aktivira, njena telesna temperatura raste kao rezultat nagle metaboličke aktivnosti, što se manifestuje kroz drhtanje ili oksidaciju mrkog masnog tkiva ili oboje, ako su sisari u pitanju. Dnevna ukočenost je karakteristična za mnoge ptice. Klasični primer je kolibri, njegova telesna temperatura tokom dana je 40°C, a tokom noći se snižava čak do 13°C. Što se tiče sisara, ukočenost je karakteristična za sitnije, dok krupniji imaju mnogo termalne mase da bi za kratak period ukočenosti uspeli da spuste svoju telesnu temperaturu.

Hibernacija traje nekoliko nedelja, a u hladnim klimata i do nekoliko meseci. Hibernacija je karakteristična za sisare koji pripadaju redovima glodara, insektivora i ljiljaka, koji imaju sposobnost da višak energije skladište i koriste za preživljavanje u periodu nehranjenja. Mnogi hibernatori se periodično bude (jednom nedeljno ili svakih 4-6 nedelja) da isprazne bešiku i creva. Tokom hibernacije sve telesne funkcije su smanjene, protok krvi kod sisara je smanjen za 10%, glava i mrko masno tkivo primaju mnogo više krvi nego druga tkiva. Srčani ritam se usporava, ali jačina otkucaja srca ostaje nepromenjena. Kao rezultat respiratorne izmene, krv kod mnogih hibernatora postaje kiselija. Ova kiselost može da smanji enzimatsku aktivnost, zbog toga što pH krvi više nije optimalna za metaboličke enzime. Brzina budjenja iz hibernacije je veća nego brzina ulaženja u dato stanje. Brzina kojom se sisari bude zavisi od toplote koja se stvara oksidaciijom mrkog masnog tkiva i završava se drhtavicom. Ovo obično vodi ka velikoj promeni u nivou metabolizma. Mali broj endoterma pada u dnevnu ukočenost. Njihov visok nivo metabolizma isključuje produženje perioda ukočenosti u formu hibernacije, zato što bi vrlo brzo potrošili rezervne materije, tako da bi za budjenje ostalo vrlo malo energije. Sam proces budjenja je “metabolički skup” proces. Svi pravi hibernatori su srednje veličine, teže svega nekoliko stotina grama, ali dovoljno su veliki da potroše svu suvišnu rezervnu materiju za produžetak hibernacije. Medju velikim sisarima ne postoje pravi hibernatori. Medvedi koji jednom prolaze kroz hibernaciju ustvari ulaze u “zimski san” tokom kojeg Slika 7.5. Zavisnost temperature tela od temperature vazduha tokom hibernacije

im telesna temperatura opada samo za nekoliko stepeni, a oni ostaju sklupčani u zaštićenom mikrohabitatu, kao što je pećina. Sa tako velikom masom i malim gubitkom toplote, medvedi mogu da troše suvišnu rezervnu energiju i da udju u zimski san, a da pritom ne dodje do opadanja telesne temperature. U bilo kom periodu zime medvedi mogu da se probude i vrlo brzo postaju aktivni. U toku zimskog sna, sa relativno visokom telesnom temperaturom, se troši više energije nego u toku hibernacije, ali ipak treba naglasiti da ti gubici nisu veliki.

Zašto ne postoje veliki hibernatori? Kao prvo, imaju manje potrebe za čuvanjem energije zato što je normalan nivo bazalnog metabolizma relativno nizak u odnosu na njihovu rezervnu materiju. Drugo, prolongiranje metaboličkih napora bi zahtevalo da se telesna temperatura poveća sa niske temperature bliske spoljašnjoj na normalnu telesnu temperaturu. Npr. veliki medved bi zahtevao najmanje 24-48 sati da podigne svoju telesnu temperaturu sa hibernacione od 5°C na normalnu od 37°C. Zagrevanje tako velike mase bi bio veoma energetski skup proces.

Estivacija, kao oblik dormacije, se javlja kod kičmenjaka i beskičmenjaka kao odgovor na visoke spoljašnje temperature i dehidrataciju. Npr. kopneni puževi dormiraju tokom dugog perioda niske vlažnosti, ulaze u kućicu i zatvaraju je, čime se onemogućava evaporacija. Neki mali sisari, npr. kolumbijska veverica, tople letnje dane provodi u stanju neaktivnosti u jazbinama. Ovo stanje je najverovatnije fiziološki slično hibernaciji, samo što je u drugoj sezoni.

1�2

Funkcije Jetre 08Jetra, najveća žlezda u organizmu, zahvaljujući specifičnoj strukturnoj i funkcionalnoj organizaciji obavlja veliki broj kompleksnih funkcija od vitalnog značaja za organizam. U daljem tekstu ukratko je naveden njihov pregled, a detaljnije o svakoj funkciji može se naći u odgovarajućim poglavljima.

Sinteza proteina plazme: Jetra sintetiše i sekretuje većinu proteina plazme. Mnogi od njih se sintetišu kao odgovor na stresne stimuluse, tzv. proteini akutne faze. Pored toga, u jetri nastaje sav albumin plazme, pa poremećaji funkcije jetre koji rezultuju smanjenom produkcijom albumina dovode do pojave edema i oticanja usled nakupljanja tečnosti u tkivima. U jetri se sintetišu i mnogi proteini koji učestvuju u procesu koagulacije krvi (faktori koagulacije I- fibrinogen, faktor II – protrombin, faktor V, VII, IX, XI, XIII, antitrombin, kininogen, plazminogen i dr.) kao i proteini koji u plazmi vezuju i transportuju steroide i druge hormone. Formiranje i sekrecija žuči: Hepatociti sintetišu žuč i oslobađaju je u žučni kanal.

Metabolizam bilirubina: Većina bilirubina u organizmu nastaje u tkivima kao rezultat razgradnje hemoglobina. Bilirubin se u cirkulaciji veže za albumin, a do njegove disocijacije najvećim delom dolazi u jetri. Slobodan bilirubin se u hepatocitima veže za proteine citoplazme i posredstvom glukuronil transferaze transformiše u bilirubin-diglukuronid, hidrosolubilno jedinjenje koje se oslobađa iz jetre u sastavu žuči. Manja količina bilirubin-diglukuronida dospeva u krv, gde se veže za albumin (ali

sa manjim afinitetom nego slobodan bilirubin) i ekskretuje urinom. Metabolizam ugljenih hidrata: Jetra funkcioniše kao značajan puferski sistem za koncentraciju glukoze u krvi. Kada koncentracija glukoze u krvi poraste nakon obroka, povećava se i sekrecija insulina, pa se oko 2/3 glukoze apsorbovane iz creva deponuje u jetri u obliku glikogena. Između obroka, kada koncentracija glukoze i sekrecija insulina opadaju, jetra oslobađa glukozu nazad u krv. U jetri se odvija glukoneogeneza - formiranje glukoze iz aminokiselina, laktata ili glicerola; glikogenoliza – formiranje glukoze iz glikogena; glikogeneza – formiranje glikogena iz glukoze; razgradnja insulina i drugih hormona. Metabolizam lipida: U jetri je visok stepen oksidacije masnih kiselina, pri čemu se oslobađa energija potrebna za odvijanje drugih telesnih funkcija. U jetri se vrši sinteza većine lipoproteina, holesterola i fosfolipida, kao i pretvaranje ugljenih hidrata i proteina u masti. Oko 80% ukupnog holesterola sintetisanog u jetri pretvori se u žučne soli, koje se luče u žuč. Hepatociti su bogati mastima, pa jetra predstavlja depo masti koje se tokom gladovanja razlažu i obezbeđuju energiju.Metabolizam aminokiselina: U jetri se vrši dezaminacija amino-kiselina, nakon čega mogu da se koriste kao izvor energije, i sinteza svih neesencijalnih aminokiselina iz keto kiselina.

Sinteza uree: U jetri se vrši sinteza uree uz katalitičko delovanje enzima arginaze kojim obiluju ćelije jetre. Delimično se u jetri vrši i sinteza urske kiseline.

1��

Tabela 8.1. Neki proteini koji se sintetišu u jetri: fiziološke funkcije i osobine

Naziv Osnovna funkcija Vezujuće karakteristike Koncentracija u serumu ili plazmiAlbumin Vezujući protein i protein-nosač,

regulator osmotskog pritiskaHormoni,aminokiseline,steroidi,vitamini, masne kiseline

4500-5000 mg/dL

Orozomukoid Nije sa sigurnošću utvrđena; moguće da učestvuje u inflamatornim procesima

Prisutan u tragovima; koncentracija se povećava u slučaju inflamacije

α1-Antiproteaza Inhibitor tripsina i proteaza uopšte Proteaze seruma i sekreti tkiva 1.3-1.4 mg/dL

α-Fetoprotein Osmotska regulacija; vezujući protein i proten-nosač

Hormoni,aminokiseline Normalno prisutan krvi fetusa

α2-Makroglobulin Inhibitor endoproteaza seruma Proteaze 150-420 mg/dL

Antitrombin-III Inhibitor proteaza intrinsic sistema koagulacije 1:1 vezivanje za proteaze 17-30 mg/dL

Ceruloplazmin Transport bakra Šest atoma bakra/mol 15-60 mg/dL

C-reaktivni protein Nije sa sigurnošću utvrđena; uloga u inflamatornim procesima

KomplementC1q <1 mg/dL; povećava se u inflamatornim procesima

Fibrinogen Prekursor fibrina u hemostazi 200-450 mg/dL

Haptoglobin vezivanje i transport slobodnog hemoglobina Vezivanje hemoglobina 1:1 40-180 mg/dL

Hemopeksin Vezuje se za porfirine, pa i hem za recikliranje 1:1 sa hemom 50-100 mg/dL

Transferin transport gvožđa Dva atoma gvožđa / mol 3.0-6.5 mg/dl

Apolipoprotein B Grupisanje lipoproteinskih partikula Nosač lipida

Angiotenzinogen Prekursor peptida angiotenzina II

Proteini, faktori koagulacije II, VII, IX, X

Koagulacija krvi 20mg/dL

Antitrombin C, protein C Inhibicija koagulacije krvi

Insulinu-sličan faktor rasta I

Posreduje u anaboličkim efektima hormona rasta

IGF-Ireceptor

Steroidni hormon – vezujući globulin

Proteinski nosač steroida u cirkulaciji Steroidni hormoni 3.3 mg/dL

Tiroksin – vezujući globulin

Proteinski nosač tireoidnih hormona u cirkulaciji Tireoidni hormoni1.5 mg/dL

Transtiretin (tireoid-vezujući prealbumin)

Proteinski nosač tireoidnih hormona u cirkulaciji Tireoidni hormoni 25 mg/dL

1��

Deponovanje vitamina: U letri se deponuju liposolubilni vitamini - A, D, E, K. U velikoj količini se deponuje i vitamin B12, koji se prema potrebi oslobađa u krv i transportuje u koštanu srž (učestvuje u eritropoezi) i ostala tkiva.

Hormoni: U jetri se vrši sinteza somatomedina i razgradnja aldosterona i mnogih drugih hormona; redukcija i konjugacija steroidnih hormona hadbubrežnih i polnih žlezda; kao i inaktivacija polipeptidnih hormona.

Detoksifikacija štetnih materija: Jetra je centralni organ u kome se odvijaju reakcije biotransformacije različitih toksičnih jedinjenja (ksenobiotika) koja na različite načine dospevaju u organizam. Najveći problem u eliminaciji ksenobiotika je to što je većina njih hidrofobne (lipofilne) prirode, te kao takvi ne rastvorljivi u vodenoj sredini tj. telesnim tečnostima, pa time i teško, ili skoro ne dostupni hidrolitičkoj razradnji. Osnovni cilj procesa biotransformacije je prevođenje ksenobiotika u polarne metabolite, čime se olakšava njihova ekskrecija iz organizma ili dalja biotransformacija. Metabolizam ksenobiotika odvija se u dve osnovne faze, I i II, koje se međusobno razlikuju po tipovima reakcija i enzimima kojima su katalisane. U fazi I odvijaju se reakcije oksidacije, redukcije i hidrolize supstrata, dok se faza II karakteriše reakcijama sinteze ili konjugacije jedinjenja. Enzimi faze I biotransformacije nazivaju se CYP (citohrom P450) enzimi. Ovi enzimi kvalitativno i kvantitativno predstavljaju jedne od najznačajnijih enzima koji učestvuju u metabolizmu ksenobiotika i igraju ključnu ulogu u njihovoj bioakumulaciji i potencijalnoj toksičnosti, kao i eliminaciji. Ovaj enzimski sistem u mogućnosti je da katališe biotransformaciju velikog broja ksenobiotika kao što su lekovi, anestetici, pesticidi, različiti biljni produkti, rastvarači, naftni derivati, halogenovani aromatični ugljovodonici i dr. Enzimi faze II biotransformacije vrše konjugaciju ovih jedinjenja ili njihovih metabolita nastalih u fazi I sa nekim endogenim ligandom i to obično polarnim grupama ili jedinjenjima, kao što su glicin, cistein, glutation, glukuronska kiselina, sulfati ili druga hidrofilna jedinjenja, čime se olakšava ekskrecija ksenobiotika.

Cirkulacija: Jetra igra značajnu ulogu u cirkulaciji krvi. Prima krv preko dva krvna suda: portne vene i hepatične arterije. Neki je nazivaju »predsobljem srca«, zato što se u jetri preko portne vene skuplja i procesuje sva krv koja dolazi iz gastrointestinalnog trakta, i iz jetre odvodi u srce. Jetra predstavlja i depo krvi, odakle se krv distribuira ukoliko je krvni pritisak nizak.

Hematopoeza: Jetra predstavlja hematopoetsko tkivo tokom

embrionalnog života. Po rođenju je zamenjuje koštana srž, ali u slučaju velikih krvarenja jetra ponovo može da se uključi u hematopoezu. U jetri se jednim delom sintetiše i eritropoetin (najvećim delom se sintetiše u bubrezima).

Sinteza heparina: U jetri se vrši sinteza antikoagulansa heparina, odakle je i prvi put izolovan. Ipak, heparin se u većoj meri sintetiše u plućima.

Imuni sistem: Jetra je jedan od organa RES-a. Sadrži Kupferove ćelije, koje oblažu venske sinuse u jetri i odstranjuju čestice prodrle u portni krvotok iz tankog creva. U jetri se vrši i sinteza komplemenata i nekih drugih hemijskih medijatora koji su uključeni na direktan ili indirektan način u mehanizme imunog odgovora.

Termogenetska uloga: Jetra učestvuje u održavanju stalnosti telesne temperature te je najtopliji organ kod homeoterama.

Deponovanje mineralnih materija: U jetri se deponuje bakar i gvožđe nastalo razgradnjom hemoglobina nakon raspadanja eritrocita

Deponovanje vode: Jetra učestvuje u regulaciji prometa vode i u veli8koj meri zadržava vodu

1��

Hemijska komunikacija kao način regulacije fizioloških procesa

Hemijska komunikacija medju ćelijama neophodna je za regulaciju razvića, diferencijaciju ćelija, organiza-ciju ćelija u tkiva, kao i za koordinaciju svih aktivnosti organizma. Prenos informacija od jedne do druge ćelije odvija se pomoću

hemijskih glasnika (signalnih molekula) koji se vezuju za specifične receptore (proteinske prirode) u ciljnoj ćeliji. Ekstracelularni signal (informacija iz spoljašnje sredine ćelije) dospeva preko hemijskih medijatora do ciljne ćelije koja poseduje mehanizme kojim će signal biti prepoznat i mehanizme preko kojih će on biti preveden i preko kojih će se indukovati neki biološki odgovor ciljne ćelije. Postoji nekoliko tipova komunikacije posredovane hemijskim medijatorima (Slika 9.1.):Autokrina komunikacija - ćelije oslobadjaju signalne molekule koji se vezuju za receptore na membrani iste ćelije.Parakrina komunikacija - signalne molekule koje se oslobadjaju iz odredjenih ćelija, a deluju na susedne ćelije.Kriptokrina komunikacija - je specifičan vid parakrine komunikacije. Jedan tip ove komunikacije je da se signalne molekule oslobadjaju u neki zatvoren prostor izmedju ćelija. Ovaj vid komunikacije zahteva obavezno prusustvo veoma specifičnih kontakata (veza) izmedju ćelija (npr. veza izmedju Sertolijevih ćelija i spermatida). Drugi tip kriptokrine komunikacije je prenos sekundarnog glasnika (cAMP ili IP3) kroz porozne veze u susednu ćeliju.Jukstakrina komunikacija - je takodje tip parakrine komunikacije. Difuzija signalne molekule ograničava se na taj način što se signalna molekula sintetiše kao membranski-vezan prekursor i deluje (ne odvajajući se od ćelije) na ćelije u neposrednoj okolini (npr. razni faktori rasta).Intrakrina komunikacija - signalna molekula se sintetiše u samoj ćeliji u kojoj se nalazi njen intracelularni receptor (npr. faktori rasta, dihidrotesteosteron-DHT, azot oksid-NO, ugljen monoksid-CO).

Organizacija Endokrinog Sistema 09

Slika 9.1. Tipovi hemijske komunikacije

1��

Nervna komunikacija - neurotransmiteri se oslobadjaju u sinaptičku pukotinu i deluju na postsinaptičku ćeliju.Endokrina komunikacija - produkti lučenja endokrinih ćelija oslobadjaju se direktno u opštu cirkulaciju i deluju na udaljene ćelije.

Važno je naglasiti da u različitim delovima organizma, ista signalna molekula može da deluje i kao neurotransmiter, i kao parakrini posrednik i kao hormon.

Endokrini sistem svoju regulatornu funkciju obavlja putem hormona. Hormoni su specifične hemijski aktivne materije produkti lučenja endokrinih žlezda koji se izlučuju direktno u krv i putem krvi stižu do efektora. Endokrini sistem zajedno sa nervnim ima veliku ulogu u obezbedjenju homeostaze organizma i njihove aktivnosti se medjusobno dopunjuju. Osnovni način prenošenja informacija u nervnom sistemu jesu nervni impulsi, dok u endokrinom sistemu tu ulogu vrše hemijski aktivne materije - hormoni. Medjutim, i u okviru nervnog sistema postoje hemijske sinapse gde takodje učestvuju signalne molekule koje se nazivaju neurotransmiteri (detaljno o njima videti u skripti Opšta fiziologija životinja, Kovačević i saradnici, 2005). Medjuzavisnost nervnog i endokrinog sistema omogućava integraciju i interakciju različitih uticaja iz spoljašnje i unutrašnje sredine organizma. Primer nervno-endokrine regulacije efektora je inervacija i regulacija srži nadbubrežne žlezde preganglijskim vlaknima simpatičke komponente vegetativnog nervnog sistema, čime se omogućava oslobadjanje adrenalina i noradrenalina u cirkulaciju. Pored toga, specifičnom funkcionalno-organizacijonom vezom izmedju hipotalamusa i hipofize očituje se jedinstven i sihronizovani, harmonični odnos nervnog i endokrinog sistema, a u cilju očuvanja homeostaze organizma.

Specifična i striktna definicija hormona je da su to metabolički produkovane hemijske supstance, sekretovane od strane endokrinih ili neuroendokrinih ćelija, koje ispoljavaju svoj regulatorni uticaj na funkciju ciljnih ćelija udaljenih od mesta sekrecije hormona, a do kojih stižu cirkulišući u veoma malim koncentracijama (reda veličine 10-12 M). Hormoni se sekretuju u ekstracelularni prostor, a odatle procesima difuzije ulaze u cirkulaciju i dospevaju do svih ćelija tkiva organizma. Sekretorne ćelije mogu biti organizovane u diskretne organe nazvane endokrine žlezde (još se nazivaju bezkanalne žlezde jer im nedostaju izvodni kanali koji bi sekrete sprovodili do spoljašnje sredine) ili pak mogu biti difuzno rasporedjene izmedju ćelija u drugim tkivima.

Hormoni se vezuju za specifične receptorske molekule koje ekspresuju ciljne ćelije

Iako cirkulišući hormoni dospevaju do velikog broja ćelija, interaguju i ispoljavaju svoj efekat jedino na ciljne ćelije tj. ćelije koje ekspresuju specifične receptore koji će biti “prepoznati” od strane hormona i za koje će se dati hormon vezivati. Npr. tiroidni hormoni se sekretuju od strane ćelija tiroidne žlezde i ispoljavaju široki spektar metaboličkih, strukturalnih i razvojnih efekata u različitim tkivima, upravo zbog toga što veliki

broj različitih ćelija ekspresuje receptore za te hormone. Tipična ciljna ćelija ekspresuje hiljade receptornih molekula za odredjeni hormon. Pored toga, veliki broj ćelija poseduje i različite tipove receptora i to ih čini sposobnim da odgovore na veći broj hormona.Senzitivnost ciljne ćelije za odredjeni hormon zavisi od broja funkcionalnih receptornih molekula za dati hormon koje ekspresuje ciljna ćelija. Senzitivnost ciljne ćelije za odredjeni hormon može se promeniti prisustvom različitih hemijskih medijatora i/ili u različitim fiziološkim uslovima, jer broj receptora za dati hormon može da se poveća procesom “regulacije na gore” (engl. up-regulation) ili da se smanji procesom “regulacije na dole” (engl. down-regulation). Ove varijacije u tipovima i broju receptorskih molekula ekspresovanih od strane ciljnih ćelija imaju velikog udela i značaja u beskrajnoj raznovrsnosti hormonske regulacije u životinjskom svetu.

Koncentracija hormona u cirkulaciji varira

Da bi hormoni mogli da igraju ulogu fizioloških regula-tora, odnos njihove sinteze i sekrecije mora biti kontrolisan. Veoma često se ova kontrola ostvaruje neuronima i/ili dru-gim hormonima. Najveći broj endokrinih ćelija sintetiše i sekretuje hormonske molekule stalno, ali veličina sekrecije varira u zavisnosti od delovanja kontrolnog mehanizma. Generalno, veća sekrecija usloviće veću koncentraciju datog hormona u cirkulaciji, pa i veći odgovor ciljne ćelije. Ovaj proces nije beskrajan jer se hormonske molekule enzims-

Slika 9.2. Regulacija broja receptora

1��

kom degradacijom metabolišu ili u ciljnim tkivima ili u nekim drugim organima (jetra i bu-brezi kod kičmenjaka). Koncen-tracija hormona u cirkulaciji predstavlja odnos izmedju ste-pena i brzine “dodavanja” hor-mona u cirkulaciju procesom sekrecije i stepena i brzine “uklanjanja” hormona iz cirku-lacije procesima metaboličke destrukcije i/ili ekskrecije. Praktično i primarno, koncen-tracija hormona u cirkulaciji je zavisna od procesa “doda-vanja” hormona u cirkulaciju zato što je proces “uklanjanja” relativno stalan. Vreme koje je potrebno da bi se koncentracija hormona u cirkulaciji smanjila na polovinu prvobitne naziva se polu-život hormona i uka-zuje na stepen i brzinu “uklan-janja” hromona iz cirkulacije, pa samim tim dužinu njegove aktivnosti. Neki hromoni mogu biti konvertovani u aktivnije forme (potentnije u pogledu izazvanja biološkog efekta) procesom tzv. periferne ak-tivacije. Primeri za perifernu aktivaciju su konverzija tiroid-nog hormona tetrajod-tiroinina (T4) u trijod-tironin (T3), kao i testosterona (T) u dihidrotes-tosteron (DHT).

T4 je tiroidni hormon koji se dominantno sekretuje iz tiroidne žlezde, ali se na periferiji, u ciljnim i drugim ćelijama, enzimatskim delovanjem konvertuje u T3 koji je fiziološki aktivniji od T4. Slično tome, T , polni hormon mužjka (androgen), se delovanjem enzima 5α-reduktaze prevodi u mnogo potentniji hormon DHT, prema kome receptori za androgene hormone ispoljavaju veći afinitet.

Hemijska priroda hormona – većina hromona spada u tri hemijske klase

Prema rastvorljivosti u vodi sve signalne molekule mogu da se podele u dve grupe: hidrofilne (lipofobne) i hidrofobne (lipofilne) signalne molekule. Hidrofilne siganalne molekule

ne mogu da prodju kroz lipidni dvosloj plazma membrane i zbog toga se receptori preko kojih se prima i prenosi informacija u unutrašnjost ćelije nalaze u plazma membrani i nazivaju se membranski receptori (transmembranski proteini). Receptori za hidrofobne signalne molekule se nalaze u citoplazmi i/ili jedru ćelije i nazivaju se intraćelijski (intracelularni) receptori. U osonovi, svi hromoni tj. hormonske molekule, po svojoj hemijskoj prirodi, spadaju u tri grupe: 1) steroidni hormoni; 2) peptidni i proteinski hormoni; 3) hromoni derivati aminokiselina. Sumarni pregled osnovnih karakteristika ove tri klase dat je u Tabeli 9.1. 1) Steroidni hormoni se sintetišu od holesterola kao prekursora. Kod kičmenjaka se sintetišu u gonadama, kori nadbubrežne žlezde i placenti gravidnih sisara. Pored toga, hormoni presvlačenja artropoda (ekdison i dr) su takodje steroidi. Ove signalne molekule su liposolubilne, sintetišu se po potrebi i ne skladište, nego odmah sekretuju u cirkulaciju procesom difuzije.

2) Peptidi i proteinski hormoni su gradjeni od lanaca amino kiselina. Kod kičmenjaka u ovu grupu se svrstavanju npr. antidiuretični hormon (ADH), insulin, hormon rasta (somatotropni hormon, engl. growth hormone-GH) i prolaktin (PRL). Kod beskičmenjaka u ovu grupu spadaju hormon koji utiče na deobu gameta (engl. gamete-shedding hormone) morske zvezde i diuretični hormon insekata. Peptidni i proteinski hormoni se veoma razlikuju po veličini

Slika 9.3.Biološki odgovor zavisi od koncentracije slobodnih hormonskih molekula u cirkulaciji, kao i prisut-nosti specifičnih receptora

Slika 9.4.. Steroidni hormoniPreuzeto uz modifikacije iz Hill, Wyse i Anderson: Animal Physiology (2004)

1��

DERIVATI AMINOKISELINA

OSOBINE STEROIDI PEPTIDI KATEHOLAMIN I

TIROIDNI HORMONI MELATONIN

MESTO SEKRECIJEkora adrenalne žlezde, gonade i placenta

većina endokrinih žlezda sem adrenalne,tiroidneipinealne

srž nadbubrega tiroidna žlezda pinealna žlezda

STRUKTURAderivati holesterola aminokiselinski

lanacderivati tirozina derivati tirozina

i jodinaderivat triptofana

SOLUBILNOSTliposolubilni(hidrofobni)

hidrosolubilni(lipofobni)

hidrosolubilni(lipofobni

liposolubilni(hidrofobni)

hidrosolubilni(lipofobni)

SINTEZA ISKLADIŠTENJE

sintetišu se po potrebi uintracelularnimkompartmentimaine skladište se

sintetišu se u grubom ER, procesuju u Goldži aparatu, i deponuju u vezikulama

sintetišu se u cito-plazmi i deponuju u vezikulama (“hro-mafinske granule”)

sintetišu se prema potrebi i deponuju u koloidu u žlezdi

sintetišu se u citoplazmi i deponuju u vezikulama

SEKRECIJA prosta difuzija kroz ćelijsku membranu

egzocitoza egzocitoza prosta difuzija kroz ćelijsku membranu

egzocitoza

TRANSPORTvezuju se za proteinske nosače (transportere)

rastvoreni u plazmi; neki se vezuju za proteinske nosače

rastvoreni u plazmi vezuju se za proteinske nosače

rastvoreni u plazmi

POLU-ŽIVOT časovi minuti odsekundidominuta

dani minuti

LOKACIJA RECEPTORSKEMOLEKULE

u najvećoj meri citoplazma i/ili jedro, a za neke steroide i površina membrane

površina membraneciljne ćelije

površina membrane ciljne ćelije

jedro površina membrane ciljne ćelije

EFEKAT NACILJNU ĆELIJU

reguliacija ekspresije gena;aktivacija sistemasekundarnih glasnika

aktivacija sistema sekundarnih glasnika ili izazivanje promena na nivou membranskih kanala;regulacija ekspresije gena

aktivacija sistema sekundarnih glasnika

regulacija ekspresije gena

aktivacija sistema sekundarnih glasnika

ODGOVORCILJNE ĆELIJE

sintetišu nove protein, a neke mogu da promene aktivnost proteina koji već postoje u ćeliji

promena aktivnosti prethodno postojećih proteina, od kojih neki mogu indukovati novu sintezu proteina

promena aktivnosti prethodno postojećih proteina

sinteza novih proteina promena aktivnosti prethodno postojećih proteina

Tabela 9.1. Steroidni hormoni, peptidni hormoni i hormoni derivati amina

Preuzeto uz modifikacije iz Hill, Wyse i Anderson: Animal Physiology ( 2004)

1��

3) Derivati amina su modifikovane amino kiseline. Melatonin, produkt sekrecije pinealne žlezde je derivat triptofana, dok su kateholamini i jodotironini derivati tirozina. Kateholamini su široko rasprostranjeni kao transmiterske supstance u organizmu i besmičmenjaka i kičmenjaka. Pored toga, tri prestavnika kateholamina, imaju funkciju hormona u organizmu kičmenjaka.

Funkcije hormona – molekule hormona ispoljavaju svoj efekat produkujući biohemijske promene u ciljnoj ćeliji

Da bi injicirali promenu u ciljnoj ćeliji, hormoni se prvo vezuju za specifične receptorske molekule koje se nalaze ili na membrani ili unutar ćelije. Molekule kao što su hormoni i neurotransmiteri koji donose informaciju do ćelijske membrane nazivaju se primarni glasnici, dok se molekule koje se formiraju u unutrašnjosti ćelije kao posledica vezivanja primarnog glasnika za receptor i koje prenose informacije

dalje u unutrašnjost ćelije, nazivaju sekundarni glasnici. Hormoni koji se vezuju za receptore na plazma membrani svoj efekat ispoljavaju preko sekundarnih glasnika (ciklični adenozin monofosfat – cAMP; ciklični guanozin monofosfat – cGMP; Ca++ joni; inozitol-3-fosfat – IP3; diacil-glicerol – DAG). Hormoni koji se vezuju za intracelularne receptore prouzrokuju regulaciju transkripcije različitih gena, te se efekti nazivaju genomski efekti. Aktiviranjem membranskih receptora biološki odgovor se brže ispoljava, dok se biološki odgovor dobijen aktivacijom intracelularnih receptora sporije dobija. Interesantno je napomenuti da steroidni hormoni, kao lipofilne signalne molekule, mogu da prouzrokuju i genomske tzv. spore efekte i ne genomske tzv. brze efekta. Naime, ova grupa signalnih molekula može da aktivira intracelularne receptore i na taj način reguliše transkripciju gena, ali može i da se veže za specifične membranske receptore za steroide i na taj način aktivira biološki odgovor preko već postojećih efektornih molekula.

Slika 9.5.Hemijske strukture hormona koji su derivati amina. Preuzeto uz modifikacije iz Hill, Wyse i Anderson: Animal Physiology ( 2004)

1�0

ENDOKRINO TKIVO HORMON VRSTA MOLEKULA

GLAVNE FUNKCIJE

KORA NADBUBREGA mineralokortiokidi steroidi stimulišu reapsorpciju Na+ i sekreciju K+ u bubregu

androgeni steroidi deluju na kosti i izazivaju nagli rast u pubertetu; deluju na mozak i pojačavaju seksualni nagon

glukokortikoidi steroidi deo odgovora na stres; utiču na metabolizam u mnogim tkivima - izazivaju povećanje nivoa glukoze i katabolizam proteina i masti

SRŽ NADBUBREGA epinefrin i norepinefrin kateholamini deo odgovora na stres; deluju na kardiovaskularnu funkciju i organski metabolizam u mnogim tkivima

ADENOHIPOFIZA prolaktin (PRL) peptid potpomaže razvoj mlečnih žlezda tokom trudnoće; stimuliše sintezu i sekreciju mleka tokom laktacije; potpomaže brigu o potomstvu kod mužjaka i ženki mnogih vrsta riba, ptica i sisara

hormon rasta (GH, somatotropin)

peptid stimuliše rast i metabolizam kostiju i mekih tkiva; potpomaže sintezu proteina, čuvanje glukoze i mobilizaciju mastistimuliše sekreciju insulinu-sličnih faktora rasta (IGF, somatomedini) iz jetre

melanocito-stimulirajući hormon (MSH)

peptid kod sisara se produkuje i u hipotalamusu; redukuje apetit; supresuje imuni sistem; ne odredjuje obojenost kože, ali kod vodozemaca, gmizavaca i riba prouzrokuje tamnjenje kože tako što stimuliše disperziju granula koje sadrže pigment melanin

adenokortikotropnihormon (ACTH, kortikotropin)

peptid stimuliše sekreciju glukokortikoida iz kore nadbubrega i deluje tropično na tkivo kore nadbubrega

tireo-stimulirajući hormon (TSH, tirotropin)

glikoprotein stimuliše sintezu i sekreciju tiroidnih hormona; tropično dejstvo na tiroidnu žlezdu

folikulo-stimulirajući hormon (FSH)

glikoprotein stimuliše produkciju sperme u testisima, u ovarijumima stimuliše rast folikula, i produkciju seksualnih hormona u gonadama oba pola; tropično dejstvo

luteinizirajući hormon (LH)

glikoprotein stimuliše produkciju seksualnih hormona u gonadama oba pola; stimuliše ovulaciju i razvoj žutog tela

γ-lipotropin iβ-endorfin

peptid smatra se verovatno ublažavaju osećaj bola

Tabela 9.2. Funkcionalna organizacija fiziologiije endokrinih sistema

1�1

Tabela 9.2. (nastavak 1). Funkcionalna organizacija fiziologiije endokrinih sistema

ENDOKRINO TKIVO HORMON VRSTA MOLEKULA GLAVNE FUNKCIJE

GASTROINTESTINALNI TRAKT(GIST)

želudac: gastrin; grelintanko crevo: sekretin, holecistokinin, glukozo-zavisan insulinotropični peptid (GIP)

peptidi potpomažu varenje i apsorpciju hrane delujući na gastrointestinalni trakt, jetru, pankreas i žučnu kesu

GONADE: OVARIJUM I TESTIS

estrogeni i progesteron steroidi sazrevanje folikula; ovulacija; sekundarne polne karakteristike; priprema uterusa za trudnoću delovanjem tokom estrusnog i menstrualnog ciklusa

inhibini peptidi inhibiraju sekreciju FSH iz adenohipofize

aktivini peptid stimulišu sekreciju FSH; potpomažu spermatogenezu i razvoj folikula

relaksin peptid povećava savitljivost cerviksa i pelvičnih ligamenata

Müller-ov regresioni faktor peptid uloga u fetalnom razvoju mužjaka

testosteron (najznačajniji androgen) steroid produkcija spermatozoida i razvoj sekundarnih polnih karakteristika mužjaka

HIPOTALAMUS oslobađajući i inhibirajući hormoni peptid stimulišu ili inhibišu funkciju adenohipofize

kortikotropin-oslobađajući hormon (CRH) peptid stimuliše oslobadjanje ACTH

tireotropin-oslobađajući hormon (TRH) peptid stimuliše oslobadjanje TSH

hormona rasta-oslobađajući hormon (GHRH) peptid stimuliše oslobadjanje hormona rasta (GH)

somatostatin (SS, GHIH) peptid inhibiše oslobadjanje hormona rasta (GH)

gonadotropin-oslobađajući hormon (GnRH) peptid stimuliše oslobadjanje FSH i LH

dopamin (DA, prolaktin-inhibirajući hormon) derivatamina

inhibiše oslobadjanje ACTH

melanocito-stimulirajućeg hormona-inhibirajući hormon (MSH-IH)

peptid inhibiše oslobadjanje MSH

1�2

Tabela. 9.2. (nastavak 2). Funkcionalna organizacija fiziologiije endokrinih sistema

ENDOKRINO TKIVO HORMON VRSTA MOLEKULA GLAVNE FUNKCIJE

SRCE: ĆELIJE U PRETKOMORI

atrijalni natriuretični peptid (ANP)

peptid potpomaže ekskreciju natrijuma i vode u bubrezima

BUBREG renin peptid prevodi angiotenzinogen u angiotenzin I

eritropoetin (EPO) peptid stimuliše produkciju eritrocita u kosnoj srži

kalcitriol (aktivna forma vitamina D)

steroid povećava nivo kalcijuma u organizmu

JETRA angiotenzinogen peptid u krvi se konvertuje u angiotenzin II koji stimuliše sekreciju aldosterona, izaziva osećaj žeđi, vazokonstrikciju i sekreciju vazopresina

insulinu-slični faktori rasta (somatomedini)

peptidi ćelijska deoba i rast mnogih tkiva (IGFs sekretuju i druga tkiva, npr. mišići)

PANKREAS (ENDOKRINE ĆELIJE)

insulin (B ćelije) peptid potpomaže preuzimanje i deponovanje hranljivih materija u većini ćelija

glukagon (A ćelije) peptid održava nivo hranljivih materija u krvi nakon obroka i tokom stresa

somatostatin (D ćelije) peptid inhibira digestiju i apsorpciju hranljivih materija u gastrointestinalnom traktu

PARATIROIDNA ŽLEZDA

paratiroidni hormon peptid povećava nivo kalcijuma i smanjuje nivo fosfata u plazmi delujući na bubrege i kosti; stimuliše aktivaciju vitamina D delujući na bubrege, kosti i creva

PINEALNA ŽLEZDA melatonin derivatamina

kontroliše cirkadijalni ritam; sezonsko parenje, migracije, hibernaciju; verovatno kontroliše seksualno sazrevanje; izaziva svetlucanje kože kod vodozemaca i zmijuljice

PLACENTA ŽENKE SISARA U TRUDNOĆI

estrogeni i progesteron steroidi pomaže u održavanju trudnoće, razvoju fetusa i promena tokom trudnoće

horionski gonadotropin peptid produžuje funkcionalnost žutog tela (kod primata i konja)

relaksin peptid može da poveća savitljivost cerviksa i pelvičnih ligamenata

placentalni laktogen peptid može da potpomaže razvoj mlečnih žlezda tokom trudnoće; može da promeni metabolizam majke u cilju održavanja fetusa

1��

Regulatorni mehanizmi povratnih spregaOrganizacija efikasne autoregulacije endokrinog sistema, dinamika endokrine aktivnosti i funkcionisanje bioloških homeostaznih mehanizama bazirani su na prostornoj i vremenskoj organizaciji komponenata povezanih u zatvoren funkcionalni krug tj. podlozni su zakonima kibernetike. Automatsko upravljanje sistemima zahteva ne samo dostavljanje informacija efektornim komponentama, vec i postojanje aktivne kontrole njihove reakcije. Drugim rečima, potrebno je dostavljanje informacija od upravljačkog sistema do efektora i od njih ka upravljačkom sistemu. Na taj se način informacije koje se prenose od komponente do komponente sistema automatskog upravljanja, zatvaraju u krug. Jedan od osnovnih preduslova efikasne autoregulacije je povezanost komponenti autoregulacionih sistema odnosima povratne sprege. Endokrine ćelije imaju sposobnost prijema informacija o radu kontrolisanih veličina. Pod tim se podrazumeva da je za pravilno funkcionisanje endokrinih žlezda potreban prenos signala u pravcu efektora (druge ćelije ili organi) nego i od njih do endokrinih žlezda. Povratno dejstvo efektora na endokrinu ćeliju naziva se povratna sprega. Ako se funkcija endokrine žlezde smanjuje povratnim dejstvom efektora,

govorimo o negativnoj povratnoj sprezi. Ako se funkcija endokrine žlezde povećava povratnim dejstvom efektora, to je pozitivna povratna sprega.

Najjednostavniji prim-er odnosa povratne sprege u regulaciji funkcije endokrine žlezde je povratno dejstvo na endokrinu žlezdu kao posledica porasta koncentracije regulisanog metabo-lita. Na primer, kada je koncentracija glu-koze u krvi povišena stimuliše se sekrecija

insulina iz B celija Langerhansovih ostrvaca pankreasa. Sekretovani hormon omogućava ulazak glukoze u ćeliju i na taj način dovodi do smanjenja njene koncentracije u krvi, a samim tim poništava i stimulus koji je izazvao i tako koči sopstvenu produkciju.

Tabela. 9.2. (nastavak 3). Funkcionalna organizacija fiziologiije endokrinih sistema

ENDOKRINO TKIVO HORMON VRSTA MOLEKULA

GLAVNE FUNKCIJE

ZADNJI REŽANJ HIPOFIZE(NEUROHIPOFIZA)

vazopresini (ADH) peptidi (produkuju se u hipotalamusu i transportuju u neurohipofizu)

reapsorpcija vode u bubrezima; vazokonstrikcija

oksitocin stimuliše kontrakcije uterusa tokom porođaja i oslobađanje mleka iz mlečnih žlezda tokom dojenja

TIROIDNA ŽLEZDA tetrajodtironin (T4) i trijodtironin (T3) (tiroidni hormoni)

jodirani amini intenziviranje metabolizma u mnogim tkivima; neophodni za normalan rast i razvoj nervnog sistema

kalcitonin peptid kod nekih životinja smanjuje nivo kalcijuma delujući na kosti (sekretuju ga C ćelije)

MASNOTKIVO leptin peptid deluje na nivou hipotalamusa i drugih tkiva tako što utiče na uzimanje hrane (izaziva gubitak težine), metabolizam i reproduktivne funkcije

KOŽA vitamin D steroid povećava nivo kalcijuma u organizmu

TIMUS timozin,timopoetin peptidi Stimulišu razvoj i proliferaciju T-limfocita

Preuzeto uz modifikacije iz Hill, Wyse i Anderson: Animal Physiology ( 2004)

Slika. 9.6. Regulacija koncentracije glukoze u cirkulaciji

1��

Od posebnog interesa za efikasnu autoregulaciju endokrinog sistema su regulatorni mehanizmi kojima se povratno dejstvo ostvaruje posredstvom cirkulišućih hormona perifernih žlezda. Izlučeni hormon periferne žlezde, pored toga što obavlja funkciju na nivou specijalizovanih efektora utiče i na tkivo koje ga kontroliše i na taj način povratnim dejstvom reguliše sopstvenu produkciju. Kada cirkulišući hormon periferne žlezde deluje na adenohipofizu, koja svojim hormonima stimuliše sekreciju datog perifernog hormona, govorimo o dugačkoj direktnoj povratnoj sprezi. Pored direktnog delovanja na adenohipofizu, hormon periferne žlezde deluje i posredno, preko hipotalamičnih centara, koji regulišu sintezu i sekreciju hormona adenohipofize. Ovakav odnos povratnog dejstva naziva se indirektna dugačka povratna sprega.

O organizaciji u okviru endokrinog sistema može jednostavnije da se govori, ako se uoči pravilnost kojom se povećava složenost sistema, pri čemu je neophodno da se ima u vidu da i najjednostavniji sistem ne deluje odvojeno. Mnogi homeostatski mehanizmi endokrinog sistema deluju kao negativna povratna sprega. Pozitivna povratna sprega može značajno da deluje u okviru ograničenih delova sistema i da oscilatorno stanje prenese na sistem u celini.

9.1. SINTEZA, SKLADIšTENJE I SEKRECIJA HORMONA

U ovom odeljku se opisuju ćelijski mehanizmi sinteze, skladištenja (magacioniranja) i sekrecije dve najveće i najbrojnije klase hormona: peptida i steroida.Peptidni hormoni se sintetišu u ribozomima, skladište u vezikulama, sekretuju u zavisnosti od potrebe i cirkulišu slobodni tj. rastvoreni u telesnoj tečnosti (krvi)

Ono što je zahedničko za sve hormone sa polipeptidnom strukturom je da se nakon transkripcije i translacije dobije specifična pre-pro-hormonska molekula koja se potom u procesu posttranslacijske modifikacije «obradjuje» da bi se dobila karakteristična biološki aktivna hormonska molekula. Informacije koje determinišu sekvencu amino kiselina u polipeptidnom lancu kodirane su jedarnom DNK. Sekvenca DNK koja kodira odredjeni polipeptidni lanac se prepisuje u sekvencu nukleotida iRNK koja napušta jedro i interaguje sa ribozomima na grubom endoplazmatskom retikulumu (ER). Sekvenca nukleotida iRNK će u ribozomima u procesu translacije (prevodjenja) dati specifičnu amino kiselinsku sekvencu pre-pro-hormona. Inaktivna pre-prohormonska molekula će u procesu posttranslacijske modifikacije u ER i Goldži aparatu dati biološki aktivnu molekulu hormona. Uopšteno posmatrano, redosled dogadjaja u sintezi pre-pro-hormona i posttranslacijkom procesovanju je veoma sličan za sve peptidne hormone, čak šta više, za sve peptide koji se sekretuju iz ćelije. Najkarakterističniji primeri pre-pro-hormona su pro-insulin i pro-opio-melano-kortin (POMC). Dok se pro-insulin proizvodi i procesuje u jednom tipu ćelija (B ćelijama Langerhansovih ostrvaca endokrinog pankreasa), POMC se sintetiše u različitim tipovima ćelija (adenohipofiza, mozak, placenta i koža).

Ovi različiti tipovi ćelija poseduju različite enzime za proces posttranslacijske modifikacije, te stoga i proizvode i sekretuuju različite produkte tj. hemijske medijatore. Neki tipovi ćelija ko-sekretuju više od jednog produkta. Primer za to su adrenokortikotropni hormon (ACTH) i melano-stimulirajući hormon (MSH) koji se produkuju u različitim ćelijama anteriornog dela hipofize, a usled prisustva različitih enzimskih garnitura koje vrše hidrolizu molekule POMC na različitim mestima, daju različite produkte. Enzimi koji se nalaze u ACTH-sekretujućim ćelijama hidrolitički razlažu POMC molekulu tako da se pored ACTH sekretuje i β-endorfin (ima veoma važnu ulogu u kontroli bola). Ćelije

Slika 9.7. Povratne sprege na nivou endokrinog sistema

Slika 9.8. Struktura molekule POMC i produkti koji se dobijaju delovanjem različitih enzimskih garnitura

1��

hipotalamusa takodje procesuju POMC i produkuju značajne količine β-endorfina.

Novosintetisani peptidi se skladište u vezikulama a izbacuju se iz ćelija procesom kalcijim-zavisne egzocitoze. Uopšteno, kada odredjeni stimulus depolariše membranu endokrine ćelije, otvaraju se voltažno-zavisni kanali za Ca++ i struja Ca++ ulazi u ćeliju, što pokreće čitav niz dogadjaja koji dovode do interakcije proteina na membrani vezikula v-SNARE (v- označava vezikularni protein soluble N-ethylmalemite-sensitive factor attachment receptor) sa proteinima na membrani endokrinih ćelija (t-SNARE) i do izbacivanja sadržaja vezikula u krv.. Nivo i profil sekrecije je regulisan na različite načine, a u zavisnosti od tipa peptida i vrste endokrine ćelije koja ga sintetiše i sekretuje, kao i fiziološkog stanja u kome se organizam trenutno nalazi. S obzirom da su svi peptidi hidrofilne (lipofobne) signalne molekule, mnogi od njih cirkulišu slobodno, odnosno rastvoreni u telesnim tečnostima. Pored toga, peptidi zbog svoje lipofobne prirode ne mogu da prodju lipofilni dvosloj ćelijske membrane i svoje efekte ostvaruju vezivanjem se za specifične receptore na membrani ćelije.

9.1.1. STEROIDNI HORMONI SE SINTETIšU OD HOLESTEROLA, NE SKLADIšTE SE, SEKRETUJU SE DIFUZIJOM I CIRKULIšU VEZANI ZA SPECIFIČNE PROTEINSKE NOSAČE

Prekursor u sintezi svih steroidnih hormona je holesterol. Kod kičmenjaka, on se delom dobija ishranom, iz životinjske masti, a delom se sintetiše u ćelijama koje produkuju steroide. S obzirom da holesterol nije rastvorljiv u vodi, u cirkulaciji se nalazi vezan za lipoproteinske transportne komplekse. Kompleks lipoproteina male molekulske gustine (engl. low-density lipoproteins-LDL) transportuje holesterol do tkiva. Jetra i mnoga ekstrahepatična tkiva, medju kojima i steroidogene ćelije ekspresuju LDL receptore na svojim membranama. Kada se LDL kompleks veže za membranski receptor, ćelija endocitozom «uvuče» kompleks u ćeliju i na taj način dobija holesterol. Kompleks lipoproteina velike molekulske gustine (engl. high-density lipoproteins-HDL) transportuje holesterol do ćelija jetre, gde ulazi u sastav žuči i ekskretuje se. Na taj način se smanjuje nivo holesterola u plazmi. Kod kičmenjaka, endokrine ćelije gonada i kore nadbubrežne žlezde, kao i placenta gravidnih sisara, produkuju steroidne hormone. Kada steroidogenoj ćeliji holesterol postane dostupan (bilo iz sopstvenog pula ili je poreklom iz cirkulacije) enzimatskom razgradnjom se

cepa bočni lanac od 6 ugljenikovih atoma (izo-kapro-aldehid) i nastaje pregnenolon. Pregnenolon dalje može da bude transformisan preko nekoliko biohemijskih puteva, u zavisnosti od enzimske garniture koja je prisutna u steroidogenoj ćeliji, dajući različite produkte karakteristične za odredjeni tip steroidogenih ćelija (detaljnije videti u poglavlju biosinteza hormona kore nadbubrežne žlezde, kao i biosinteza gonadalnih steroida). Enzimi koji u neophodni za proces steroidogeneze nalaze se u rasporedjeni u različitim intraćelijskim kompartmentima: oni koji katališu konverziju holesterola u pregnenolon su locirani na mitohondrijama, a većina drugih enzima je locirana na glatkom endoplazmatskom retikulumu.

Na suprot peptidnim hormonima, steroidni hormoni se ne skladište u vezikulama sekretornih ćelija, nego se po potrebi sintetišu i odmah sekretuju procesom difuzije. Shodno tome, koncentracija steroidnih hormona u cirkulaciji je determinisana odnosom sinteza - trenutna sekrecija hormona, dok je koncentracija peptidnih hormona determinisana sekrecijom već postojećih, skladištenih hormona.

9.1.1.1. Tipovi endokrinih žlezda i ćelija

Iako su neke vrste endokrinih ćelija grupisane u jasno definisane žlezde, tzv.odvojene žlezde, postoje i ćelije koje su »razbacane« u nekom tkivu ili organu koji ima i neku drugu, ne-endokrinu funkciju. Takve su na primer ćelije gastrointestinalnog trakta sisara koje sekretuju gastrin i sekretin. Ovaj tip endokrinih ćelija naziva se difuznim žlezdama. Strukturna organizacija nekih endokrinih tkiva, kao što su Langerhansova ostrvca pankreasa, predstavlja prelaz između odvojenih i difuznih žlezda. Izučavanja endokrinih žlezda kod različitih životinja pokazala su da su odvojene žlezde, poput nadbubrežne, verovatno evoluirale iz predačkih difuznih žlezda. Razlikuju se dve osnovne klase endokrinih ćelija: epitelijalne (ili ne-neuralne) endokrine ćelije i neurosekretorne ćelije. Kada ove ćelije formiraju odvojene žlezde, one se takođe nazivaju epitelijalnim odnosno neurosekretornim žlezdama. Endokrini produkti i jednih i drugih žlezda nazivaju se hormonima, ali se produkti neuroendokrinih žlezda često označavaju kao neurohormoni ili neurosekreti. Signali koji stimulišu sekreciju ne-neuralnih endokrinih ćelija obično su drugi hormoni, ali ima i primera nervne stimulacije (npr. Langerhansova ostrvca u pankreasu kičmenjaka). S druge strane, neurosekretorne endokrine ćelije signal za sekreciju neurohormona primaju isključivo putem sinaptičke komunikacije sa određenim neuronima. Dakle, neurosekretorne ćelije su zapravo u

1��

sklopu nervnog sistema. I neuroni i neurosekretorne ćelije generišu akcione potencijale i svoje produkte oslobađaju egzocitozom. Međutim, neuroni oslobađaju neurotransmitere u sinaptičku pukotinu, a neurosekretorne ćelije oslobađaju neurohormone u krv. Na ovaj način, nervni signal se prevodi u endokrini. Fundamentalna sličnost između neurona i neurosekretornihćelija ukazuje na postojanje evolutivnog kontinuiteta između nervnog i endokrinog kontrolnog sistema. No bez obzira na to, još uvek se ne može sa sigurnošću reći da li su neurosekretorne ćelije evoluirale iz neurona ili obrnuto, ili čak oba tipa ćelija imaju zajedničko poreklo. Tela neurosekretornih ćelija nalaze se u centralnom nervnom sistemu (CNS), ali njihovi aksoni napuštaju CNS. Neurohormoni se sintetišu u somi, transportuju se duž aksona i oslobađaju na njegovim krajevima. Aksonski završeci često grade, odnosno ulaze u sastav neurohemalnih organa, koji predstavljaju anatomski odvojeno mesto za oslobađanje neurohormona. Sastoji se od jednog ili više klastera aksonskih završetaka i dobro je vaskuolarizovano.

Slika 9.9. Sekrecija molekula insulina iz B ćelija Lanagerhansovih ostrvaca endokrinog pankreasa – primer za egzocitozom posredovanu sekreciju svih peptidnih i proteinskih hormonaPreuzeto uz modifikacije iz Hill, Wyse i Anderson: Animal Physiology ( 2004)

Slika 9.10. Odvojene žlezde su verovatno nastale evolucijom difuznih žlezda.(a) nadbubrežne žlezde sisara su odvojene žlezde. Srž žlezde (tamno obojeno), koja sadrži neurosekretorne ćelije koje sekretuju kateholamine epinefrin i norepinefrin, jasno se razlikuje od kore (svetlo područje), koja sadrži ne-neuralne endokrine ćelije koje sekretuju nekoliko različitih steroidnih hormona. (b) nadbubrežne žlezde ptica sadrže kateholamin-sekretujuće ćelije (tamno obojeno) raspoređene između ćelija koje sekretuju steroide. (c) difuzno nadbubrežno tkivo vodozemaca sadrži kateholamin-sekretujuće i steroid-sekretujuće ćelije koje formiraju zasebne strukture (tamno obojeno)na površini bubrega (svetlo područje).

Neurohemalni organi prisutni su i kod kičmenjačkih i kod beskičmenjačkih vrsta. Pars nervosa neurohipofize je važan neurohemalni organ kod kičmenjaka, a corpus allatum kod insekata.

1��

Slika 9.11. Ligand zavisni jonski kanal

Slika 9.12. Transdukcija signala od receptora koji je vezan za G-protein direktno do efektora

9.2. MEHANIZMI DELOVANJA HORMONA

9.2.1. POJAM, OSOBINE I KLASIFIKACIJA RECEPTORA

Ekstracelularni signali kao što su neurotransmiteri i hormoni ispoljavaju svoj efekat samo na one ćelije koje poseduju receptore (specifične proteine) za dati signalni molekul. Prvi korak u mehanizmu delovanja hormona je njegovo vezivanje za specifične vezujuće proteine – receptore, na ili u ćeliji. Molekula koja se specifično i nekovalentno veže za receptor naziva se ligand za dati receptor. Vezivanje liganda dovodi do promena u molekularnoj konformaciji receptorskog proteina što će dalje izazvati niz uzročno-posledičnih reakcija koje će rezultirati biološkim odgovorom ćelije.

Iako je receptorska populacija veoma brojna i raznovrsna, mogu se izdvojiti osnovne karakteristike koje su zajednicke svim tipovima receptora. Receptori ispoljavaju veliki afinitet (jer je koncentracija hormona vrlo mala) i visoku specifičnost za odredjeni hormon. Receptor često pokazuje mali afinitet i za ne specifičan hormon tzv. kros vezivanje (engl. cross coupling), ali to ne predstavlja problem u normalnim fiziološkim uslovima. Receptori mogu biti saturisani u uslovima koncentracije hormona kada su sva receptorska mesta okupirana ligandom. Interakcija receptor-hormon je reverzibilan proces, a distribucija receptora u ciljnom tkivu treba da odgovara aktivnosti hormona (da su prisutni u ciljnim tkivima za taj hormon, a da ih nema u tkivima koja nisu osetljiva na hormon). Na kraju, vezivanje za receptor treba da je u korelaciji sa biološkim odgovorom.

Receptori se mogu podeliti u četiri funkcionalne klase:1) ligand-zavisni (ligand-vezujući) kanali2) G-protein – zavisni receptori tj. receptori povezani sa G-proteinima (tzv. engl. G-protein coupled receptors)3) receptor-enzim/receptori-vezani za enzime4) intracelularni receptori S obzirom na hemijsku prirodu signalinih molekula, odnosno njihovu solubilnost (hidrofilne-lipofobne i hidrofobne-lipofilne signalne molekule), razlikuju se mehanizmi kojima ovi hemijski medijatori ispoljavaju svoje efekate.

9.2.1.1. Mehanizmi delovanja hormona posredovani receptorima na plazma membrani

Receptori koji spadaju u prve tri kategorije prevode informacije koje dospevaju do ciljnih ćelija preko različitih tipova signalnih molekula, odnosno hemijskih medijatora. Umesto da udju u ćeliju, signalne molekule se vezuju za specifične receptore na površini ćelijske membrane.

1. Ligand zavisni kanali su proteini ćelijske membrane koji funkcionišu i kao specifični receptori i kao kanali (detaljno o njima videti u skripti Opšta fiziologija, Kovačević i saradnici, 2005). Ovaj tip kanala se otvara vezivanjem specifičnog liganda za receptorno mesto receptora-kanala i time kanal postaje prohodan za jonsku struju. Kanali čije je otvaranje regulisano vezivanjem liganda funkcionišu prlikom prenosa nervnog impulsa kroz sinapsu, bilo da je to sa nervne na nervnu ćeliju ili sa nervne na nekud rugu efektornu ćeliju.

Molekule koje prenose informacije kroz sinapsu nazivaju se neurotransmiteri (detaljno o njima videti u skripti Opšta fiziologija, Kovačević i saradnici, 2005). Otpuštanje neurotransmitera iz presinaptičke ćelije u sinaptičku pukotinu prouzrokuje vezivanje neurotransmitera za

1��

ligand veze za receptor povezan sa G-proteinima, dolazi do disocijacije heterotrimera tj. odvaja se α subjedinica dok β i γ i dalje ostaju zajedno. Ovako disocirana α subjedinica aktivira efektore koji su odgovorni za razlicite bioloske odgovore ćelije. Takodje, βγ dimer aktivira odgovarajuce efektorne sisteme. α subjedinica poseduje GTP-aznu aktivnost. Nakon konverzije GTP-a u GDP dolazi do ponovnog formiranja heterotrimera tj. povezivanja α subjedinice sa βγ i deaktivacije efetora. Preko 1000 različitih receptora je povezano sa heterotrimernim G-proteinima. Efektorni sistemi ovih kompleksa mogu biti različiti i uključiju aktivaciju enzimskih sistema kao i jonskih kanala. Relativno veliki broj gena (α subjedinica-16 gena, β-6 a γ-12 gena) kodira veliki broj subjedinica ovog heterotrimera koji se mogu kombinovati na razlicite načine. Prema karakterističnom setu efektora koji se aktiviraju oni se mogu svrstati u pet familija: Gs, Gi, Gt, Gq, i G13.

�.2.1.1.2. Aktivacija adenilat ciklaze Najčešće će ligand-receptorom posredovana aktivacija G-proteina aktivirati adenilat ciklazu (AC), membranski enzim koji katališe sintezu sekundarnog glasnika cikličnog adenozin monofosfata (cAMP) od adenozin trifosfata (ATP). Kao sekudarni glasnik, cAMP aktivira protein kinazu A

(PKA) koja vrši fosforilaciju odredjenih supstrata (enzimi, receptori, transportni proteini, proteini povezani sa ekspresijom gena, delovi jonskog kanala i dr.) zavisno od tipa ciljne ćelije. Kataliticka subjedinica PKA moze da se translocira u nukleus i da fosforiliše transkripcioni factor CREB (engl. cAMP-responsive element binding protein) i utiče na transkripciju mnogih gena. Nekoliko komponenti uključeno je u mehanizme preko kojih ligand utiče na

specifične receptore/ligand–zavisne jonske kanale na membrani postsinaptičke ćelije i obezbedjuje otvaranje/zatvaranje kanala i promenu voltaže na membrani, odnosno generisanje specifičnih potencijala na membrani postsinaptičke ćelije (detaljno o ovome videti u skripti Opšta fiziologija, Kovačević i saradnici, 2005).

�.2.1.1.1. Receptori vezani za G-proteinePredstavljaju transmembranski protein sa sedam transmembranskih regiona tzv. serpentinski receptor. Kada se receptor vezan za G-protein na ćelijskoj membrani aktivira vezivanjem specifičnog liganda dolazi do konformacionih promena receptoroske molekule, što prouzrokuje aktivaciju specifičnih proteina u ćelijskoj membrani koji se nalaze odvojeni od receptora i nazivaju se G-proteini (GTP-vezujući protein). G-proteini su dobili ime zbog toga što se njihova konformacija menja vezivanjem guanozin nukleotida. Ukoliko je za G-protein vezan guanozin difosfat (GDP), G-protein je u inaktivnoj formi, a kada do njega stigne signal sa receptora on se aktivira tako sto veze guanozin trifosfat (GTP) u zamenu za GDP. G-proteini poseduju GTP-aznu aktivnost tj. imaju sposobnost da hidrolizom razgrade GTP

u GDP i tako se ponovo inaktivisu. Membranski G-proteini su u inaktivnom stanju heterotrimeri tj. gradjeni su od tri subjedinice (α, β, i γ). U inaktivnom stanju α subjedinica ovog heterotrimera veze GDP. Kada se

Slika 9.13. Transdukcija signala od receptora koji je vezan za G-protein, preko AC –cAMP–PKA do efektora AC – adenilat ciklaza; PKA – protein kinaza A

Slika 9.14. Transdukcija signala od receptora koji je vezan za Gs-/Gi proteine.

1��

intracelularnu koncentraciju cAMP-a: katalitička jedinica AC koja katališe konverziju ATP-a u cAMP, i stimulatorni ili inhibitorni G-proteini koji povezuju receptor sa AC. Kombinacija različitih izoformi AC sa različitim formama G-proteina omogućava da se intracelularni nivo cAMP-a prilagodi specifičnim potrebama ćelija.

Na primer, kada se odgovarajući hormon veže za stimulatorni receptor Gs α subjedinica aktivira odgovarajuću AC. Isto tako, kada se hormon veže za inhibitorni receptor Gi α subjedinica inhibiše aktivnost AC.

�.2.1.1.�. inozitol trifosfat i diacilglicerol kao sekundarni glasnik Aktivacija G-proteina može da rezultira i sintezom drugih sekundarnih glasnika. Ukoliko je receptor preko Gq proteina povezan sa enzimom fofolipaza C (PLC) koja katališe hidrolizu fosfatidil-inozitol-4,5-bifosfata (PIP2) na inozitol-3-fosfat (IP3) i diacilglicerol (DAG). Kao sekundarni glasnik, IP3 izaziva izlazak Ca++-jona iz endoplazmatskog retikuluma, a Ca++-joni aktiviraju odgovarajuću kalmodulin zavisnu protein kinazu koja vrši fosforilaciju supstrata. Takodje, DAG aktivira protein

Slika. 9.15. Transdukcija signala od receptora koji je vezan za G-protein, preko PLC-fosfatidil inozitola (IP3 i DAG) i Ca++ jona.

kinazu C koja vrši fosforilaciju supstrata. Pored IP3, G proteini mogu uzrokovati i formiranje drugih sekundarnih glasnika (DAG, cGMP i Ca++-joni).

�.2.1.1.�. Receptor-enzim/receptori-vezani za enzime. Pored sepentinskih receptora koji su vezani za G proteine postoje i drugi tipovi receptora u plazma membrani čija aktivacija dovodi do ispoljavanja enzimske aktivnosti aktivniranog receptornog proteina (npr. receptori sa aktivnošću guanil-ciklaze, tirozin-kinaze i dr.). Ovi receptorski proteini su ili istovremeno enzimi ili su pak direktno vezani sa enzimskom molekulom, te je aktivacija receptora praćena i enzimskom funkcijom. Ova grupa receptora je strukturno i funkcionalno najraznorodnija i njihova aktivnost se ispoljava preko različitih sekundarnih glasnika (cAMP, cGMP, Ca++-joni, IP3, DAG ili drugi) ili kombinovanom aktivacijom različitih sekundarnih glasnika. Najjednostavniji predstavnik ove grupe receptora su receptorne molekule koje svoju aktivaciju ispoljavaju enzimskom aktivnošću.

Slika 9.16. Struktura membranske guanilat ciklaze, receptora sa aktivnošću tirozon kinaze i tirozin fosfataze

Receptorne molekule koje svoju aktivaciju ispoljavaju enzim-skom aktivnošću se nalaze kao integralni proteini ćelijske membrane i generalno imaju tri domena: ekstracelularni region zapravno receptorno mesto, transmembranski domen koji prolazi kroz ćelijsku membranu i intracelularni domen koji ima katalitičku aktivnost. Vezivanje ekstracelularne signalne molekule za receptorno mesto aktivira katalitički domen na drugom, intraćelijskom, kraju molekule. Jed-

1�0

na grupa ovih receptora su re-ceptori za natriuretične peptide koji imaju receptorno mesto van ćelije, a intraćelijski domen ima katalitičku aktivnost guanilil ciklaze, odnosno, aktivacijom ekstraćelijskog receptornog mes-ta, intraćelijski domen će trans-formisati GTP u cGMP koji će dalje vršiti funkciju sekundarnog glasnika.

Receptori sa tirozin fosfataznom aktivnošću su uključeni u defosforilaciju proteina i obično su povezani sa tirozin kinazama i serin-treonin kinazama (Fig.15). Receptori za epidermalni faktor rasta (EGF), insulinu sličan faktor I (IGF-I), aktivin i inhibin i mnoge druge faktore koji stimulišu multiplikaciju i rast su receptori sa aktivnošću tirozin kinaze. Kada se ligand veže za receptor dolazi do autofosforilacije tirozin kinaznog intracelularnog domena. Ukoliko receptori funkcionišu kao dimeri, intracelularni domeni tirozin kinaze mogu da se medjusobno fosforilišu. Jedan od puteva koji se aktivira uključuje male G proteine, ras proto-onkogene i kaskadnu reakciju nekoliko protein kinaza aktiviranih mitogenom tkz. MAP kinaza (engl. mitogen-activated protein). Aktivacija ovog puta vodi ka fosforilaciji transkripcionih faktora i promene u transkripciji odredjenih gena. Ovaj značajan signalni put kojim se informacije prenose sa ćelijske membrane direktno u nukleus je predstavljen na Fig. 17. Receptori za citokine i druge faktore (npr. GH i PRL) obično nemaju intracelularni domen koji ima aktivnost tirozin kinaze, nego iniciraju aktivnost tirozin kinaza u citoplazmi. Vezivanje za receptore aktivira tkz. Janus tirozin kinazu (JAK) u citoplazmi koje fosforilišu STAT (engl. signal transducer and activator of transcription) koji formira homo- i heterodimere i translocira se u nukleus gde deluje kao transkripcioni faktor. Ras i JAK-STAT signalni putevi su kompleksni i često interaguju medjusobno kao i sa drugim intracelularnim putevima npr. PLC i cAMP signalnim putem.Slika 9.18. Transdukcija signala preko signalnog puta MAP kinasa

Slika 9.17. Transdukcija signala preko membranske guanilat signala preko ciklaze i cGMP

Slika. 9. 19. JAK/STAT signalni put

1�1

Slika 9.21. Struktura glukokortikoidnog, mineralokortikoidnog, α-estrogenog, β-T3receptora

9.2.2. SIGNALNA TRANSDUKCIJA IMA SPOSOBNOST AMPLIFIKACIJE

Od trenutka vezivanja signalne molekule za receptor na membrani ćelije do ispoljavanja biološkog odgovora, odigrava se niz amplifikacionih reakcija sličnih lančanoj reakciji. Klasičan primer ovog široko rasprostranjenog fenomena u signalnoj transdukciji je proces kojim epinefrin pruzrokuje aktiviranje razgradnje glikogena do glukoze u ćelijama jetre. Cirkulišući epinefrin dospeva do ćelija jetre koje sadrže veliku količinu glikogena (rezerva glukoze). Informacija o postojanju epinefrina na spoljašnjoj strani membrane prenosi preko receptora i G proteina, a potom sekundarnih

Slika 9.20. Transdukcija signala aktivacijom intraćelijskih receptora

9.2.1.2.Mehanizmi delovanja hormona posredovani receptorima u ćeliji

Steroidni hormoni, hormoni štitne žlezde, retinoična kiselina, vitamin D su predstavnici lipofilnih signalnih molekula koje ulaze u ćelije i vezuju se za specifične intracelularne receptore. Ipak treba naglasiti, da za ove hormone, u prvom redu za steroidne hormone, postoje i membranski receptori koji su povezani sa odgovarajućim sistemom sekundarnog glasnika preko kojih ispoljavaju regulatorne efekte na funkciju ćelije. Pored nabrojanih, i NO može nesmetanom difuzijom da prodje kroz lipidni dvosloj ćelijske membrane i da moduliše biološki odgovor ćelije, direktno ili preko sekundarnih glasnika.

Kao što je ranije navedeno, četvrta kategorija receptora obuhvata receptorne molekule koje se nalaze unutar ćelije, tzv. intracelularni receptori. Ovi receptori se nalaze se u citoplazmi i/ili jedru ćelije. Vezivanje liganda za receptor u ćeliji prouzrokuje konformacione promene receptorske molekule, pri čemu dolazi do disocijacije inhibitora aktivacije receptora, tj. otpuštaju se molekule oligomernog kompleksa proteina toplotnog šoka (engl. heat shock protein 90 - HSP90). HSP90 blokiraju mesta na receptornoj molekuli koja su odgovorna za vezivanje za DNK u jedru. Potom se kompleks ligand-receptor translocira u jedro, vezuje za specifična mesta na promotorskom regionu koja su odgovorna za vezivanje kompleksa (engl. hormon responsive element – HRE) i injicira se regulacija transkripcije različitih gena. Ovi receptori funkcionišu kao transkripcioni faktori i vezivanjem kompleksa ligand-receptor za DNK u promotorskom regionu obezbedjuje se aktivacija odredjenih gena (u nekim retkim slučajevima inhibicija) i njihovo prepisivanje u iRNK, odnosno sinteza odredjenih proteina čija aktivnost predstavlja odgovor ćelije na dejstvo signalne molekule.

Obično se reguliše ekspresija tzv. primarno-odgovornih gena (engl. primary response genes) a produkt njihove ekspresije će dalje, sekundarno, regulisati ekspresiju drugih gena. Interesantno je napomenuti da steroidni hormoni mogu da ispoljavaju svoje fiziološke efekte vezujući se za specifične receptore ekspresovane ili u ćeliji (tzv, spori ili genomski efekti – regulacija transkripcije), kao i na membrani ciljne ćelije (tzv. brzi ili ne genomski efekti – aktivacija sekundarnih glasnika i postraslacijska modifikacija proteina). Aktivacijom intraćelijskih receptora fiziološki efekat se ispoljava kasnije, nego ukoliko se aktiviraju membranski receptori. Mehanizam signalne transdukcije preko koga steroidi, pa i androgeni ispoljavaju brze efekte nije precizno definisan ni razjašnjem.

1�2

glasnika. Receptorni sistem sam po sebi ima sposobnost amplifikacije. Vezivanje epinefrina za specifični receptor vezan za G-protein injicira seriju amplifikacionih reakcija u samoj ćelijskoj membrani, a potom aktivacija svakog narednog elementa na transdukcionom putu, dodatno amplificira signal

Slika 9.22. Signalna transdukcija ima sposobnost amplifikacije

1��

Hipotalamus predstavlja najviši integrativni centar nervnog i endokrinog sistema, a njegova endokrina funkcija je nerazdvojno vezana za hipofizu. Hipotalamus je sa hipofizom povezan nervnom i humoralnom vezom. Nervna veza je ostvarena preko hipotalamo-hipofiznog trakta koji predstavlja vezu izmedju odgovarajucih nukleusa hipotalamusa i posteriorne hipofize. On je izgradjen od velikog

broja aksona čija su tela su smeštena u supraoptičkom i paraventrikularnom nukleusu hipotalamusa a prolaze i završavaju se u posteriornom delu hipofize. Humoralna veza predstavlja direktnu vaskularnu vezu koja se ostavruje preko spleta kapilara izmedju hipotalamusa i anteriornog (i intermedijarnog) dela hipofize tj. preko hipotalamo-hipofiznog portnog sistema. Areterijska grana, poreklom od karotidne arterije i Wilisovog kruga, formira primarni kapilarni pleksus tj. mrežu fenestriranih kapilara na ventralnoj strani hipotalamusa. Mreža kapilara penetrira eminenciju medijanu i skuplja se u sinusoidne portalne hipofizne sudove koji nose krv duž hipofizne drške do kapilara u adenohipofizi tj. do sekundarnog kapilarnog pleksusa. Ovaj sistem započinje i završava se kapilarima tako da krv ne prolazi kroz srce i zato nosi naziv portalnog krvotoka. Zbog direktne portalne veze izmedju hipotalamusa i adenohipofize vrlo male koncentracije hipotalamičnih hormona izazivaju efekte u ćelijama adenohipofize. Kada ovi hormoni udju u opštu cirkulaciju oni zbog niske koncentracije nisu efikasni i u toku nekoliko minuta se enzimatski razgrade. Takodje, eminencija medijana, koja je definisana kao ventralni deo hipotalamusa odakle polaze portalni krvni sudovi, se nalazi izvan krvno-moždane barijere tako da je omogucen prenos “većih’” signalnih molekula tj. hormona polipeptidne prirode ( Slika 10.1.).

U odgovarajućim nukleusima hipotalamusa sintetišu se hormoni poli/peptidne prirode koji kontrolišu sintezu/sekreciju hormona adenohipofize. Ovi hormoni se u nivou eminencije medijane sekretuju iz aksonskih završetaka, i

Hipotalamična kontrola adenohipofize 10

Slika 10.1. Hipotalamo-hipofizni portni sistem

1��

tako dospevaju do primarnog kapilarnog spleta, a zatim kroz portne sudove do ćelija adenohipofize. U hipotalamusu se sintetišu sledeći hormoni: somatotropni hormon-oslobadjajući hormon (STH-RH, GHRH), somatotropni hormon-inhibirajući hormon (somatostatin, SS), tireostimulirajući hormon-oslobadjajući hormon (TSH-RH, TRH), adrenokortikotropni hormon-oslobadjajući hormon (ACTH-RH, CRH), gonadotropni hormon-oslobadjajući hormon (GnRH), prolaktin-inhibirajući hormon (faktor) (PIH), prolaktin-stimulirajući hormon (PRH). Jednim imenom se ovi oslobadjajući i inhibirajući hormoni mogu nazvati hipofizotropni hormoni. U tabeli ? je prikazan efekat hipotalamičnih hormona na sekreciju adenohipofize.

Struktura humanih hipotalamičnih oslobadjajućih i inhibirajućih hormona kao i lokalizacija tela neurona čiji se aksoni projektuju u splojašnji sloj eminencije medijane i sekretuju hipotalamične hormone je prikazana u tabeli ?.

Za sada se pretpostavlja da postoji i PRH iako još uvek nije izolovan. Nekoliko hipotalamicnih polipeptida, uključujući i VIP i TSH stimuliše sekreciju prolaktina, ali je jos uvek nejasno da li oni imaju ulogu fiziološkog regulatora sekrecije prolaktina.

Tabela 10.1. Struktura hormona i lokalizacija hipotalamickih neurona koji sekretuju hipofizotropne hormone

Hipotalamicni hormon Struktura Lokalizacija hipotalamicnih neurona

TRH Glu-His-Pro-NH2 Medijalni delovi paraventrikularnog nukleusa

GnRH Glu-His-Trp-Ser-Tyr-Gly-Leu-Arg-Pro-Gly- NH2 Medijalni preopticki, mediobazalni region

Somatostatin Ala-Gly-Cys-Lys-Asn-Phe-Phe-Trp-Lys-Thr-Phe-Thr-Ser-Cys Periventrikularni nukleus

CRH Ser-Glu-Glu-Pro-Pro-Ile-Ser-Leu-Asp-Leu-Thr-Phe-His-Leu-Leu-Arg-Glu-Val-Leu-Glu-Met-Ala-Arg-Ala-Glu-Gln-Leu-Ala-Gln-Gln-Ala-His-Ser-Asn-Arg-Lys-Leu-Met-Glu-Ile-Ile-NH2

Medijalni delovi paraventrikularnog nukleusa

GHRH Tyr-Ala-Asp-Ala-Ile-Phe-Thr-Asn-Ser-Tyr-Arg-Lys-Val-Leu-Gly-Gln-Leu-Ser-Ala-Arg-Lys-Leu-Leu-Gln-Asp-Ile-Met-Ser-Arg-Gln-Gln-Gly-Glu-Ser-Asn-Gln-Glu-Arg-Gly-Ala-Arg-Ala-Arg-Leu-NH2

Arkuatninukleus

PIH dopamin Arkuatninukleus

Mnogi, ako ne i svi hipotalamični hormnoni utiču na sekreciju više od jednog hormona adenohipofize. Tako na primer, TRH stimuliše sekreciju prolaktina kao i TSH, somatostatin inhibiše sekreciju TSH kao i hormona rasta, CRH stimuliše sekreciju ACTH i β-LPH. Takodje, hipofiziotropni hormoni funkcionišu kao neurotransmiteri u ostalim delovima mozga i autonomnom nervnom sistemu kao i u retini. Somatostatin je nadjen u pankreasu, pankreasni tumori sekretuju GHRH a somatostatin i TRH su nadjeni u gastrointestinalnom traktu.

1��

Hormon Primarno delovanje Regulacija

CRH Stimuliše sekreciju ACTH ACTH inhibiše sekreciju; Stres povećava sekreciju

GHRH Stimuliše sekreciju GH Hipoglikemija stimuliše sekreciju

GnRH Stimuliše sekreciju LH i FSH ♂ - nizak nivo testosterona stimuliše sekreciju; ♀ - zavisi od faze estrusnog ciklusa: u početnoj folikularnoj fazi nizak nivo estradiola i u kasnoj folikularnoj fazi visok nivo estradiola stimuliše sekreciju, u lutealnoj fazi ciklusa visok nivo progesterona inhibiše sekreciju; visoki nivoi LH i FSH inhibišu sekreciju

TRH Stimuliše sekreciju TSH i PRL Niska telesna temperatura stimuliše sekreciju;tiroidni hormoni inhibišu sekreciju

MIH Inhibiše sekreciju MSH Melatonin stimuliše sekreciju

PIH Inhibiše sekreciju PRL Visok nivo PRL inhibiše sekreciju; estradiol, testosteron i neuralni stimulusi (sisanje mladunaca) inhibišu sekreciju

Somatostatin Inhibiše sekreciju GH i mnogih drugih hormona (npr. TSH, insulin, glukagon)

IGF-I stimuliše sekreciju

ACTH = adrenokortikotropni hormon; FSH = folikulostimulirajući hormon; GH = hormon rasta; LH = luteinizujući hormon; MIH = inhibirajući hormon melano-stimulirajućeg hormona; TSH = tireostimulirajući hormon; PIH = prolaktin inhibirajući hormon

Sekrecija hipotalamičnih hormona

S obzirom da se hipotalamični hormoni sekretuju kao rezultat neuroendokrine aktivnosti hipotalamičnih neurona, logično je da nivo i profil sekrecije zavisi od električne aktivnosti ćelija. Kao i sve nervne ćelije i hipotalamični neuroni poseduju sposobnost električne aktivnosti koja je modulisana različitim faktorima koji se superponiraju na nivou hipotalamusa. Od obrazca električne aktivnosti zavisi obrazac sekrecije. Može se reći da se hormoni hipotalamusa sekretuju, epizodično tj. pulsativno. Ovakav tip sekrecije podrazumeva egzocitozu odredjenog broja vezikula koje sadrže hormon tzv. »kvanta« vezikula, u odredjenom kratkom vremenskom intervalu, nakon čega sledi vremenski interval pauze. Frekvenca pulsativne sekrecije je različita i

može biti modulisana različitim faktorima. Takodje, model pulsativne sekrecije tj. frekvenca epizodičnog odašiljanja hormona zavisi od cirkadijalnog ritma. Cirkadijalni (cirko – otprilike, dies – dan) ritam podrzumeva cikličnu aktivnost na nivou ćelije i organizma koja je sihronizovana sa dnevno-noćnim svetlosnim ciklusima spljašnje sredine. Kod sisara, uključujući i čoveka, sve ćelije u organizmu imaju cirkadijalni ritam. Endogeni regulator cirkadijalnog ritma je suprahijazmatični nukleus (SCN) hipotalamusa. Ovaj nukleus prima informacije o svetlosnom režimu preko retinohipotlamičnog puta. Eferentna vlakna iz SCN injiciraju nervne i humoralne signale koji nameću široki dijapazon cikadijalnih ritmova drugim ćelijama. Ovo uključuje ritam budnost-spavanje, ritam sekrecije hipofizotropnih hormona tj. ritam sekrecije svih endokrinih ćelija, a time i svih drugih ćelija u organizmu.

Mehanizam delovanja hipofizotropnih hormona

Ćelije adenohipofize na plazma membrani poseduju specifične receptore za odgovarajući hormon hipotalamusa koji kontroliše sekreciju/sintezu hormona koji ta ćelija produkuje. U nejvećem broju slučajeva ta kontrola je stimulatorne prirode, sem kada su u pitanju hormoni hipotalamusa

Tabela 10.2. Efekat hipofizotropnih hormona na sekreciju adenohipofize i njihova regulacija

1��

somatostatin i prolaktin-inhibirajući faktor (dopamin) čije dejstvo na nivou odredjenih ćelija adenohipofize dovodi do inhibicije sekrecije (i sinteze) datog hormona.Receptori za većinu hipofiziotropnih hormona su serpentinski povezani za heterotrimerne G proteine. U tabeli ? su prikazane karakteristike receptora i mehanizam intracelularne transdukcije signala.

Tabela 10.3. Receptori za hipofiziotropne hormone i transdukcija signala u ciljne ćelije

Hipotalamicni hormon Receptori Transdukcija signala

TRH serpentinski Povezan sa Gq/G11 proteinima ⇒ inozitol trifosfat indukovana mobilizacija Ca++; kao i sa PKC signalnim putem; povezan i sa heterotrimerom Gs proteina ⇒adenilatciklaza ⇒ PKA;

GnRH Serpentinski (nema citoplazmatični C-rep)

Povezan sa Gq proteinima ⇒ fosfolipaza C ⇒ inozitol trifosfat indukovana mobilizacija Ca++; kao i sa PKC signalnim putem; povezan i sa Gs proteinima ⇒adenilatciklaza⇒ PKA

Somatostatin Serpentinski(SSTR1-SSTR5)

Povezan sa Gi/Go proteinima ⇒ inhibicija adenilat ciklaze; drugi postreceptorni signalni put = aktivacija tirozin fosfataza

CRH serpentinski heterotrimer Gs proteina ⇒ adenilatciklaza ⇒PKA

GHRH serpentinski heterotrimer Gs proteina ⇒adenilatciklaza ⇒ PKA

PIH (dopamin) Serpentinski(D1-D5)

heterotrimer Gi/Go proteina ⇒ inhibicija adenilat ciklaze;D1 receptor = vezan za Gs heterotrimer

10.1. HORMONI PREDNJEG REžNJA HIPOFIZE

Adenohipofiza produkuje šest hormona: hormon rasta (GH, STH), adrenokortikotropni hormon (ACTH), tireostimulirajući hormon (TSH), gonadotropni hormoni - luteinizirajući hormon (LH) i folikulostimulirajući hormon (FSH), kao i prolaktin (PRL). ACTH, PRL, GH su polipeptidi/proteini dok su TSH, LH i FSH glikoproteini. PRL deluje na mlečnu žlezdu, kod ptica povećava sekreciju epitela voljke i kod nekih životinja je uključen u osmoregulaciju. Ostalih 5 hormona su tropni hormoni tj. stimulišu produkciju hormona od strane drugih endokrinih žlezda ili u slučaju GH, jetre ili drugih tkiva. Kortikotrofi adenohipofize uz ACTH sekretuju i polipeptid, β-lipotropin (β-LPH), čija je fiziološka uloga još uvek nepoznata.

Struktura FSH, LH & TSHFSH, LH i TSH, su glikoproteini izgradjeni od 2 subjedinice (α i β subjedinica). Sva tri hormona imaju α subjedinicu koja je produkt jednog istog gena i sva tri produkta imaju isti aminokiselinski sastav (jedino se karbohidratne rezidue razlikuju). Β sujedinica je produkt različitih gena, njen sastav je različit i varira u zavisnosti od hormona tj. ova subjedinica je odgovorna za hormonsku specifičnost. Ovakva organizacija glikoproteinskih hormona hipofize nameće postavljanje brojnih pianja. U prvom redu, pitanja o fiziološkom i evolutinom smislu ovakve organizacije. Odgovori na ova pitanja još uvek nisu poznati.

1��

Tabela 10.4. Hormoni adenohipofize, njihovi efekti i regulacija

Hormon Struktura Ciljno tkivo Primarni efekti (sisari) Regulacija

ACTH peptid Kora nadbubrežne žlezde Stimuliše sintezu/sekreciju steroidnih hormona kore nadbubrežne žlezde; smanjuje oslobadjanje CRH

CRH stimuliše sekreciju

FSH glikoprotein ♂ - seminiferne tubule♀ - granuloza ćelije ovarijalnog folikula

♂ - stimuliše spermatogenezu; ♀ - stimuliše maturaciju ovarijalnih folikula

GnRH stimuliše sekreciju; inhibin i seksualni steroidi inhibišu sekreciju

LH glikoprotein ♂ - Leydig-ove ćelije testisa♀ - ćelije teke interne i granuloza ćelije ovarijalnog folikula; corpus luteum

♂ - stimuliše sintezu i sekreciju androgena; ♀ - indukuje finalnu maturaciju ovarijalnih folikula, sekreciju estrogena, ovulaciju, formiranje corpus luteum-a i sekreciju progesterona

GnRH stimuliše sintezu i sekreciju; steroidni seksualni hormoni inhibišu sekreciju

TSH glikoprotein Tiroidna žlezda Stimuliše sintezu i sekreciju hormona tireoidee

TRH stimuliše sekreciju; tiroidni hormoni i somatostatin usporavaju sekreciju

GH polipeptid Skoro sva tkiva u organizmu Stimuliše rast tkiva; efekat ispoljavaju direktnoprekoreceptorazaGHiindirektno preko faktora rasta

GHRH stimuliše sekreciju, somatostatin inhibiše; Faktor rasta (IGF-I) inhibiše sekreciju

PRL polipeptid Mlečna žlezda i druga tkiva Stimuliše produkciju kazeina i laktoalbumina; inhibiše efekte gonadotropina na nivou ovarijuma i testisa

PIH (dopamin) inhibiše sekreciju; TSH i PRH (?) stimulišu sekreciju

Sekrecija hormona adenohipofize

Dobro je poznato da nivo i profil sekrecije zavisi od električne aktivnosti ćelije. Ćelije adenohipofize poseduju sposobnost spontane električne aktivnosti koja je modulisana različitim faktorima a u prvom redu hipofizotropnim hormonima. Drugim rečima od obrazca električne/sekretorne aktivnosti odredjenih hipotalamičnih neurona zavisi obrazac električne aktivnosti i sekrecije ćelija adenohipofize.

Može se reći da se hormoni adenohipofize se sekretuju, epizodično tj. pulsativno. Ovakav tip sekrecije podrazumeva egzocitozu odredjenog broja vezikula koje sadrže hormon tzv. »kvanta« vezikula, u odredjenom kratkom vremenskom intervalu, nakon čega sledi vremenski interval pauze. Frekvenca pulsativne sekrecije je različita i može biti modulisana različitim faktorima. Takodje, model pulsativno

sekrecije tj. frekvenca epizodičnog odašiljanja hormona zavisi od cirkadijalnog ritma. Npr. frekvenca pulsativnog odašiljanja ACTH je najveća ujutru izmedju 4 i 10h a nakon toga opada.

Mehanizam delovanja hormona adenohipofize

Ćelije perifernih endokrinih žlezada i/ili dtugih tkiva na svojim membranama ekspresuju specifične receptore za tropne hormone hipofize. Vezivanje ovih hormona za receptore pokreće niz kaskadnih reakcija koje regulišu proces sekrecije i sinteze hormona periferne endokrine žlezde. U tabeli su sumarno prikazane karakteristike receptora za tropne hormone hipofize mehanizam intracelularne transdukcije signala sa ćelijske membrane.

1��

Hormon Receptor Transdukcija signala

FSH Serpentinski receptor (ima glikosilisani ekstracelularni domen)

Povezan sa adenilat ciklazom preko heterotrimera Gs proteina

LH Serpentinski receptor (ima glikosilisani ekstracelularni domen)

Povezan sa adenilat ciklazom preko heterotrimera Gs proteina

TSH Serpentinski receptor (ima glikosilisani ekstracelularni domen)

Povezan sa adenilat ciklazom preko heterotrimera Gs proteina; aktivira se PLC

GH Član superfamilije citokinskih receptora Dimerizacijom se aktivraju različite enzimske kaskade: JAK2-STAT put, PLC-DAG-PKC signalni put

PRL Član superfamilije citokinskih receptora Dimerizacijom se aktivira JAK-STAT i druge intracelularne enzimske kaskade

ACTH Serpentinskireceptor Povezan sa adenilat ciklazom preko heterotrimera Gs proteina

Kontrola produkcije adenohipofiznih hormona odvija se povratnom spregom u kojoj učestvuju hormoni hipotalamusa, hormoni adenohipofize i hormoni ciljne periferne endokrine žlezde (opisano u poglavlju Organizacija endokrinog sistema).

Gonadotropni hormoni adenohipofize i prolaktin

Struktura gonadotropnih hormona i prolaktinaFSH i LH su glikoproteini izgradjeni od α i β subjedinice (vidi raniji tekst). Njihovi glikoproteini sadrže heksoze (manoze i galaktoze), heksozoamine (N-acetilgalaktozamin i N-acetilglukozamin), metilpentozu (fukozu) kao i sialinsku kiselinu. Karbohidrati u molekulama gonadotropina povećavaju potentnost ovih hormona usporavajući njihov metabolizam. PRL je polipeptidni lanac izgradjen, kod čoveka, od 199 amino kiselinskih ostataka i 3 disulfidne veze. Ovaj hormon ima sličnu strukturu kao hormon rasta i humani horionski somatomamotropin (hCS). PRL, strukturno slični proteini se sekretuju iz placente i endometrijuma.

Tabela 10.6. Poluživot gonadotropnih hormona i PRL

FSH LH PRL i GH

Poluživot hormona ≈ 170 min ≈ 60 min ≈ 20 min

Receptori Receptori za FSH i LH su serpentinski receptori povezani sa adenilat ciklazom preko heterotrimera Gs proteina (poglavlje Mehanizmi delovanja hormona). Dakle, dominantni intracelularni signalni put koji se aktivira vezivanjem hormona za receptor preko Gα je cAMP-PKA. Karakteristično za ove receptore je da imaju glikozilisani ekstracelularni domen.Humani receptor za PRL, strukturno odgovara receptoru hormona rasta i član je superf-familije receptora koji uključuju receptor hormona rasta, receptore za mnoge citokine i hematopoetske faktore rasta. Vezivanjem liganda i dimerizaciojom ovog receptora aktivirju se JAK-STAT i druge intracelularne enzimske kaskade. slika....Ukratko, ovi receptori aktiviraju tkz. JAK u citoplazmi, koje fosforilišu STAT proteine. STAT je familija inaktivnih citoplazmatičnih transkripcionih faktora, koji nakon fosforilacije, migriraju u nukleus i aktiviraju različite gene (detaljnije u poglavlju Mehanizmi delovanja hormona). Ovaj signalni put može da interaguje sa PLC ili cAMP signalnim putem.

Fiziološki efektiEfekti gonadotropina i PRL su opisani detaljno u narednim poglavljima. Ukratko, FSH stimuliše Sertolijeve ćelije da sintetišu i sekretuju različite faktore i tako pomaže održavanje spermatogenog epitela testisa. Takodje on je odgovoran za rani rast ovarijalnih folikula. LH je tropni hormon za Leydig-ove ćelije (stimuliše produkciju androgena) kao i za završnu maturaciju ovarijalnih folikula i sekreciju/

Tabela 10.5. Receptori za hormone adenohipofize i transdukcija signala u ciljne ćelije

1��

sintezu estrogenih hormona. Takodje, LH je neophodan za ovulaciju, inicijalno formiranje corpus-a luteum-a i sintezu/sekreciju progesterona.

PRL izaziva formiranje mleka nakon što su na mlečnu žlezdu delovali estradiol i progesteron. On stimuliše sintezu kazeina i laktoalbumina mleka. PRL takodje inhibiše efekte gonadotropina, verovatno na nivou gonada. Poznato je da PRL sprečava ovulaciju kod žena koje doje.

Regulacija sekrecijeRegulacija sekrecije gonadotropnih hormona će biti detaljno opisana kasnije, tako da će u ovom delu teksta biti opisana samo regulacija sekrecije PRL.

Prosečne vrednosti za nivo PRL-a u krvi iznose 5 ng/mL kod muškarca i 8 ng/mL kod žena. Sekrecija PRL je tonično inhibisana PIH (dopaminom). Inhibitorno delovanje PIH prevazilazi efekte svih drugih (u prvom redu TSH i ostalih PRH) hipotalamičnih peptida koji stimulišu otpuštanje PRL u cirkulaciju. Dominantna negativna kontrola sekrecije PRL se može pokazati ogledom u kome se životinjama preseče drška hipofize. Ovakve životinje imaju znatno viši nivo PRL u cirkulaciji. Takodje, poznato je da L-dopa smanjuje sekreciju PRL tako što stimuliše produkciju dopamina kao i da bromokriptin i drugi agonisti dopaminskih receptora smanjuju otpuštanje PRL u cirkulaciju. Estradiol izaziva sporo povećanje PRL sekrecije delujući direktno na laktotrofe. Fizički i psihički stres stimulišu sekreciju PRL. Nivo PRL raste u spavanju i ostaje povišen tokom celog perioda sna. Sekrecija PRL je povišena tokom trudnoće i dostiže maksimum neposredno pre porodjaja. Nakon porodjaja nivo PRL pada na nivo koji se registruje kod ženki/žena koje nisu gravidne. Sisanje mladunaca, predstavlja stimulis koji će ponovo stimulisati produkciju i sekreciju PRL. Ovaj povišeni nivo PRL se kod ženki/žena koje doje održava neko vreme a nakon toga opada ka bazalnim vrednostima. PRL olakšava sekreciju dopamina u eminenciji medijani, tako da se može reći da deluje negativnom povratnom spregom na nivou hipotalamusa i na taj način inhibiše sopstvenu produkciju.

Tireostimuliajući hormon

Struktura i metabolizam TSHTSH je gikoprotein koji kod ljudi sadrži 211 amino-kiselninskih ostataka, heksozu, heksozoamine i sijaličnu kiselinu. Kao što je ranije napisano izgradjena je od α i β lanca. α lanci su identični sa α lancima gonadotropnih hormona i hCG. Funkcionalna specifičnost TSH vezana je za β subjedinicu. Struktura TSH varira u zavisnosti

od vrste, iako je TSH poreklom od drugih sisarskih vrsta biološki aktivan kod ljudi. Poluživot humanog TSH iznosi 60 minuta a srednja vrednost nivoa u plazmi je oko 2 µU/mL. Hormon se degradira u bubrezima i nešto manje u jetri. Sekrecija TSH je pulsatilna. Frkvenca pulsatilne sekrecije tj. odašiljanja hormona se povećava uveče, dostiže maksimum u ponoć, a zatim polako opada tokom dana.

ReceptoriTSH receptori su tipični serpentinski receptori povezani sa adenilat ciklazom preko Gs proteina (vidi ranije). Receptor je povezan i sa PLC signalnim putem. Kao i drugi receptori za glikoproteinske hormone i TSH receptor ima veliki glikozilisani ekstracelularni domen.

Regulacija sekrecije Efekti na tiroidnu žlezdu i regulacije sekrecije TSH će biti opisana detaljnije kasnije. Ukratko, sekrecija je regulasana po tipu negativne povratne sprege. TRH hipotalamusa stimuliše produkciju TSH, a hormoni tiroidne žlezde smanjuju sekreciju TSH, ukidajući stimulatorni efekat TRH na produkciju TSH (fig???). Poznato je da mnogi drugi faktori mogu uticati na sekreciju TSH. Izlaganje eksperimentalnih životinja delovanju niskih temperatura stimuliše sekreciju TSH, preko stimulatornog efekta na TRH. Imajući u vidu značaj tiroidnih hormona u termoregulaciji, ovakva stimulacija produkcije TSH ima udela u adaptaciji organizma na niske temperature. Stres inhibiše sekreciju TRH a time i sekreciju TSH. Povišen nivo glikokortikoida u cirkulaciji smanjuje sekreciju TSH. Takodje, dopamin i somatostatin deluju na nivo hipofize tako što smanjuju otpuštanje TSH.

Adrenokortikotropni hormon

Struktura i metabolizam ACTHKortikotrofne ćelije adenohipofize sintetišu veliki prekursorni protein, proopiomelanokortin (POMC) koji može da se procesuje na različite načine i daje familiju hormona (videti poglavlje Sinteza i sekrecija hormona). Ovaj preprohormon se sintetiše i u hipotalamusu, plućima, gastrointestinalnom traktu i placenti. ACTH, β-LPH i β-endorfin su produkti hidrolize POMC, koji se sekretuju iz kortikotrofa. ACTH je polipeptidni lanac koji sadrži 39 amino-kiselinskih ostataka. Prve 23 amino kiseline polipeptidnog lanca predstavljaju aktivni deo molekule, dok amino kiseline od 24-39 grade »rep« koji stabilizuje molekul. Primarna struktura »repa« varira u zavisnosti od vrste. Poluživot humanog ACTH je oko 10 minuta a jutarnja koncentracija ACTH je oko 25 pg/mL (5.5 pmol/L).

1�0

Receptori za ACTHACTH se vezuje visokim afinitetom za receptore na membrani adrenokortikalnih ćelija. Kao što je već spomenuto i sumirano u poglavlju Mehanizmi delovanja hormona receptori su povezani za adenilat ciklazu preko Gs heterotrimera. Aktivacija PKA preko niza reakcija ubrzava formiranje pregnenolona i drugih steroida. ACTH, takodje povećava sintezu P450-zavisnih enzima uključenih u sintezu glikokortikoida.

Efekti ACTHACTH reguliše bazalnu i stresom stimulisanu sekreciju glikokortikoida. Efekti ACTH na adrenalni korteks biće detaljnije opisani kasnije.Sekrecija ACTHACTH se sekretuje iregularno tj. pulsativno sa različitom frekvencom odašiljanja tokom dana. Kod ljudi, frekveca odašiljanja ACTH je najveća rano ujutru (od 4-10h) a najmanja uveče. Ovaj cirkadijalni (diurnalni) ritam sekrecije ACTH je praćen sekrecijom kortizola. Ukoliko se dan (budno stanje) produži na više od 24h, adrenalni ciklus (sekrecija glikokortikoida) se takodje produžava, a ACTH i dalje zadržava isti model sekrecije. Biološki časovnik odgovoran za diurnalan ritam sekrecije smešten je u suprahijazmatičnom nukleusu hipotalamusa.

Odgovor na stresStresni stimulusi povećavaju oslobadjanje ACTH i glikokortikoi-da. Glikokortikoidi (kortizol i kortikosteron) povećavaju katabo-lizam proteina, ugljenih hidrata i masti, u perifernim tkivima deluju antiinzulinski jer povećavaju nivo glukoze u krvi, utiču na metabolizam vode. Drugim rečima, obezbedjuju energetske supstrate koji bi trebalo da izvuku organizam iz stresne situ-acije. Često kolicina sekretovanog ACTH tokom stresnih situacija premašuje količinu potrebnu za maksimalnu sekreciju gliko-kortikoida. CRH je gotovo ekskluzivno odgovoran za stimulaciju sekrecije ACTH u stresu. Kao što je ranije već spomenuto, CRH se sintetiše u paraventrikularnom nukleusu. Na paraventrikularni nucleus konvergiraju aferentni nervni putevi iz mnogih oblasti mozga. U emotivnom stresu, strahu i anksioznosti, vlakna iz amigdaloidnog nukleusa prenose informacije na paraventriku-larni nucleus, i stimulišu sekreciju CRH, ACTH i glikokortikoide. Impulsi iz suprahijazmatičnog nukleusa diktiraju diurnalni ritam sekrecije. U slučaju povrede, na hipotalamus se projektuju silazni putevi iz retikularne formacije kao i silazna nociceptivna vlakna, koja dovode do stimulacije sekrecije ACTH.

Regulacija sekrecijeHipotalamični CRH stimuliše oslobadjanje ACTH, odnosno povećava se nivo glukokortikoida. Povećan nivo

glukokortikoida u krvi negativnom povratnom spregom na nivou hipotalamusa i adenohipofize smanjuje sekreciju CRH, odnosno ACTH. Veličinu lučenja ACTH tokom stresa, odredjuje zbir nervnih impulsa koji preko hipotalamusa stimulišu sekreciju ACTH, kao i inhibitorno dejstvo glukokortikoida. Hronično povećani nivoi glukokortikoida dovode do inhibicije aktivnosti imunog sistema. Stoga su osobe izložene dugotrajnom stresu podložnije bolestima

Hormon rasta

Struktura GHHormon rasta je polipeptidni lanac koji može biti kodiran sa pet različitih gena (hGH-N, , hGH-V, dva gena za hCS i hCS koji je verovatno pseudogen).Najzastupljenija forma humanog GH tkz 22 K hGH sadrži 191 ostatak amino kiselina i produkt je hGH-N gena. U cirkulaciji 75% GH se nalazi u ovoj formi. hGH-V se primarno ekspresuje u placenti a produkti ovog gena se razlikuju od normalnog GH u 13 amino kiselinskih ostataka. Značajne koncentracije ove varijante GH u cirkulaciji se javljaju tokom trudnoće. mRNA hGH-N može biti procesovana tako da daje alternativne produkte: »normalni GH« 22 K hGH i alternativna manja forma tkz. 20 K hGH, koja je takodje fiziološki aktivna i zastupljena oko 10% u cirkulaciji. Struktura GH varira značajno u zavisnosti od vrste, tako da često GH poreklom od jedne vrste nema nikakav fiziološki efekat na rast druge vrste. Tako npr. govedji i svinjski GH ne ispoljavaju fekte na rast ljudi i majmuna.

Nivo GH u plazmi i metabolizam GHGH se u plazmi može vezati za protein koji u stvari veliki fragment ekstracelularnog domena receptora za GH. Ovaj protein se produkuje razlaganjem receptornog proteina i njegova koncentracija je srazmerna broju receptora za GH u tkivima. Oko 50% GH je vezano za protein i ta količina hormona predstavlja značajan rezervoar hormona koji može da kompenzuje fluktuacije u sintezi i sekreciji GH.GH se brzo metaboliše u jetri. Poluživot GH u cirkulaciji kod ljudi je 6-20 min. Bazalni nivo GH u cirkulaciji kod adulta je manji od 3 ng/mL.

Receptori za GHReceptor za GH pripada familiji receptora za citokine To je veliki transmembranski protein (620 amino-kiselinskih ostataka) koji ima veliki ekstracelularni domen, transmembranski i veliki citoplazmatični domen. GH receptor funkcioniše kao homodimer tj. GH ima dva mesta za vezivanje za receptor i kad se jedno mesto veže za subjedinicu receptora dolazi do privlačenja druge subjedinice i vezuje se drugo receptorno mesto na GH.

1�1

GH ispoljava efekte na različite ćelije u organizmu i aktivira različite intracelularne enzimske kaskade. Najznačajniji put koji se aktivira je JAK2-STAT put.

Fiziološki efektiEfekat na rast. GH stimuliše hondrogenezu tj. linearan rast kostiju kod mladih životinja, kod kojih epifize dugačkih kostiju još uvek nisu srasle. Rast je inhibisan hipofizektomijom, a dugotrajna povišena sekrecija GH ili produžen tretman sa GH dovodi do gigantizma. Kada su epifize srasle i linearan rast tela nije više moguć, povećana sekrecija GH produkuje deformitete koštanih i mekih tkiva tkz. akromegalije. Efekat na metabolizam proteina i elektrolita. GH ubrzava anabolizam proteina i formiranje tkz. pozitivnog balansa azota i fosfora (rast nivoa fosfora i pad nivoa uree, azota, i amino kiselina u krvi). Povećava gastrointestinalnu absorpciju Ca++ a ekskrecija Na+ i K+ je smanjena. GH stimuliše sintezu solubilnog kolagena. Ekskrecija 4-hidroksiprolina je povećana tokom rasta i akromegalije. Hidroksiprolin nastaje, izmedju ostalog, razgradnjom kolagena i porast njegove koncentracije u krvi moze ukazati na ubrzanu sintezu kolagena. Poznato je da insulin takodje ubrzava anabolizam proteina. Iako B ćelije pankreasa nisu direktno regulisane GH, ovaj hormon povećava sposobnost pankreasa da odgovori na arginin i glukozu i tako indirektno preko insulina pospešuje rast.Efekat na metabolizam masti i ugljenih hidrata. GH je dijabetogeni hormon. On stimuliše razgradnju glikogena u ćelijama jetre, transport gulkoze u krv i ima anti-insulinski efekat na mišićne ćelije. Takodje, ima ketogeni efekat tj. povećava nivo neesterifikovanih slobodnih masnih kiselina u krvi. Slobodne masne kiseline obezbedjuju izvor energije za tkiva u hipoglikemiji, i u uslovima stresa.

Direktno i indirektno delovanje GHRanije se verovalo da GH direktno deluje na tkiva i stimuliše njihov rast. Danas se zna da se efekti hormona rasta ostvaruju direktno kao i indirektno tj. preko somatomedina (faktora rasta). Ukoliko se GH inicira u jednu od epifiza tibijalne kosti doći će do unilateralnog povećanja debljine hrskavice kao i produkcije IGF-I (eng. insulin-like growth factor I ili somatomedin C). Hipoteza koja objašnjava ove efekte GH je da GH stimuliše rast hrskavice tako što pospešuje konverziju stem ćelija u ćelije koje su osetljive na IGF-I. Lokalno produkovani IGF-I kao i IGF-I poreklom iz cirkulacije dovodi do rasta hrskavice.

SomatomediniEfekti GH, na rast i metabolizam proteina zavise od interakcije sa somatomedinima. Somatomedini su polipeptidni faktori

rasta sekretovani iz jetre ili iz drugih tkiva. Zbog osobine da stimulišu inkorporaciju sulfata u hrskavicu, ranije su nosili naziv sulfatacijskih faktora. Kasnije kada je otkriveno da ovi faktori stimulišu i formiranje kolagena ime im je promenjeno u somatomedine. Postoji više tipova somatomedina i svi su članovi velike familije faktora rasta koji deliju na različita tkiva u organizmu. Ovi faktori su po svojoj strukturi vrlo slični insulinu.Somatomedini koji se nalaze u cirkulaciji su IGF-I i IGF-II. Oni se sintetišu u jetri, hrskavici, mozgu i mnogim drugim tkivima. Pokazano je postojanje nekoliko izoformi ova dva faktora rasta. IGF-I i IGF-II se u cirkulaciji vežu za proteine plazme što im produžava poluživot. Izolovano je 6 tipova proteina koji vežu IGF i svi su zastupljeni u cirkulaciji. Najzastupljeniji je IGFBP-3 (IGF-binding protein 3) koji veže za sebe oko 95% IGF-a u cirkulaciji.Receptor za IGF-I je veoma sličan receptoru za insulin i verovatno koristi iste intracelularne signalne puteve. Receptor za koji se veže IGF-II je manoza-6-posfatni receptor (M6P receptor). Ovaj receptor ima veliki ekstracelularni domen koji sadrži 15 ponavljanih sekvenci amino-kiselinskih ostataka, transmembranski domen i kratak intracelularni domen. Sekrecija IGF-I je nezavisna od GH u toku intrauterinog razvoja. Po rodjenju GH stimuliše sintezu/sekreciju IGF-I. Njegova koncentracija u plazmi raste u prepubertalnom periodu, dostiže pik u pubertetu, zatim polako opada, dostižući niske vrednosti u starosti. IGF-II ima ulogu razvoju fetusa pre rodjenja. Kod adulta gen za IGF-II se ekspresuje samo u horioidnom pleksusu i meningama.

Tabela 10.7. Karakteristike insulina i insulinu-sličnih faktora rasta

insulin IGF-I IGF-II

sinonimi SomatomedinC

Eng.Multiplication-stimulating activity (MSA)

Broj amino kiselina 51 70 67

Mesto sintezeB ćelije pankreasa

Jetra i druga tkiva

Različita tkiva

regulacija glukoza GHposlerodjenja, nutricionistatus

nepoznat

Vezujući proteini u plazmi

ne da da

Glavna fiziološka uloga

Kontrolametabolizma

Rast hrskavice i kostiju

Rasttokomfetalnog perioda

1�2

Regulacija sekrecije GHSinteza i sekrecija GH je primarno kontrolisana hipotalamičnim hormonima koji stimulišu/inhibišu produkciju GH. To su GHRH, somatostatin i grelin. Grelin je hormon koji stimuliše produkciju GH. Iako se ovaj hormon sintetiše i u hipotalamusu, glavno mesto njegove sinteze je gastrointestinalni trakt, on pored ostalog reguliše i unos hrane u organizam. Kao i regulacija ostalih hormona adenohipofize, regulacija sekrecije GH se može opisati negativnom povratnom spregom. GH stimuliše nivo IGF-I u cirkulaciji koji povratno direktnom negativnom spregom smanjuje sekreciju GH. IGF-I, takodje, stimuliše i sekreciju somatostatina u hipotalamični portni krvotok. GH se sekretuje epizodično tj. iregularno tokom dana. Sekrecija GH se smanjuje sa starošću.

Slika 10.2. Regulacija sekrecije hormona rasta

Tabela 10.8. Stimulusi koji utiču na sekreciju GH

Stimulusi koji povećavaju sekreciju

Nedostatak substrata za energetske proceseHipoglikemija2-deoksiglukozagladovanjeiintenzivno vežbanjePorast nivoa odredjenih amino kiselina u cirkulacijiProteinski obrok

Infuzija arginina ili nekih drugih amino kiselinaGlukagonStresPočetak spavanjaL-Dopa i α-adrenergični agonisti koji prolaze krvno-moždanu barijeruApomorfin i drugi agonisti dopaminskog receptoraEstrogeni i androgeni

Stimulusi koji smanjuju sekrecijuREM spavanjeglukozakortizolSlobodne masne kiselinemedroksiprogesteronGH

Slika 10.3. Sinergistički efekat hormona rasta i kortizola na metaboličku aktivnost

1��

10.2. HORMONI SREDNJEG REžNJA HIPOFIZE

ProopiomelanokortinĆelije srednjeg režnja hipofize i kortikotrofne ćelije adenohipofize sintetišu veliki prekursorni protein, proopiomelanokortin (POMC) koji može da se procesuje na različite načine i daje familiju hormona. Ovaj prohormon se sintetiše i u hipotalamusu, plućima, gastrointestinalnom traktu i placenti. Struktura POMC je prikazana na slici ?.ACTH, β-LPH i β-endorfin su produkti hidrolize POMC, koji se sekretuju iz kortikotrofa. U ćelijama srednjeg režnja hipofize POMC se dalje hidrolizuje do kortikotropinu-sličan intermedijarni peptid (eng. corticotropin-like intermediate lobe peptide, CLIP), γ-LPH, i značajne količine β-endorfina. Fiziološki efekti CLIP-a i γ-LPH nisu poznati, dok je β-endorfin opijatni peptid (izmedju ostalog učestvuje u analgeziji). Takodje, u ovim ćelijama se formira i α i β melanotropin (MSH). Kod ljudi srednji režanj hipofize je rudimentiran i izgleda da se α i βMSH ne sekretuju kod adulta.

Kontrola boje integumentaAmfibe, reptili i ribe menjaju boju kože u zavisnosti od potreba kamuflaže, termoregulacije i u zavisnosti od ponašanja koje ispoljavaju. Promena boje se ostvaruje kretanjem pigmentnih granula tj. njihovom disperzijom ili koncentrisanjem oko nukleusa u pigmentnim ćelijama (melanoforama). Granule su izgradjene od melanina, koji se sintetiše od dopa i dopaquinona (derivati fenilalanina). Kretanje ovih granula je kontrolisano različitin hormonima i neurotransmitorima, uključujući α i βMSH, melanin-koncentrišući hormon, melatonin i kateholamine. Sisari ne poseduju melanofore, ali imaju melanocite, ćelije koje sadrže granule melanina. Melanociti na membrani imaju melanotropin-1 receptore i njihova aktivacija ubrzava sintezu melanina i tamnjenja kože. S obzirom da se α i βMSH ne sekretuju kod ljudi, nije potpuno jasno koji ligand se veže za melanotropin-1 receptor. Izgleda da ACTH ima ulogu liganda za melanotropin-1 receptore kod ljudi.

Slika 10.4. Struktura proopiomelanokortina (POMC)

10.3. HIPOTLAMIČNA KONTROLA FUNKCIJA NEUROHIPOFIZE - HORMONI ZADNJEG REžNJA HIPOFIZE VAZOPRESIN I OKSITOCIN

Hipotalamus predstavlja najviši integrativni centar nervnog i endokrinog sistema, a njegova endokrina funkcija je nerazdvojno vezana za hipofizu. Hipotalamus je sa hipofizom povezan nervnom i humoralnom vezom. Nervna veza je ostvarena preko hipotalamo-hipofiznog trakta koji predstavlja vezu izmedju odgovarajucih nukleusa hipotalamusa i posteriorne hipofize. Hipotalamo-hipofizni nervni trakt je izgradjen od velikog broja aksona čija su tela su smeštena u supraoptičkom i paraventrikularnom nukleusu hipotalamusa a prolaze i završavaju se u posteriornom delu hipofize. Embrionalno, posteriorna oblast hipofize nastaje kao evaginacija poda treće moždane komore. Nurohipofiza je izgradjena od krajeva aksona koji počinju ćelijskim telima koja su smeštena u supraoptički i paraventrikularni nukleus. Većina supraoptičkih neurona završava u posteriornoj oblasti

1��

Tabela 10.9. Različite forme neurohipfiznih nonapeptidnih hormona

Peptid Pozicija amino kiselinske rezidue*

1 2 3 4 5 6 7 8 9 Životinjska grupa

Lizin-vazopresin Cys-Tyr-Phe-Gln-Asn-Cys-Pro-Lys-Gly-(NH2)hipopotoa-musi, svinje isl.

Argini-vazopresin Cys-Tyr-Phe-Gln-Asn-Cys-Pro-Arg-Gly-(NH2) sisari

Oksitocin Cys-Tyr-Ile---Gln-Asn-Cys-Pro-Leu-Gly-(NH2) sisari

Arginin-vasotocin Cys-Tyr-Ile---Gln-Asn-Cys-Pro-Arg-Gly-(NH2) ribe, gmizavci iptice

Izotocin Cys-Tyr-Ile---Ser-Asn-Cys-Pro-Ile--Gly-(NH2) teleostee

Mezotocin Cys-Tyr-Ile---Gln-Asn-Cys-Pro-Ile--Gly-(NH2)ribe, vodo-zemci, gmi-zavci i ptice

Glumitocin Cys-Tyr-Ile---Ser-Asn-Cys-Pro-Gln-Gly-(NH2) bodljokožci

*cisteini u poziciji 1 i 6 u okviru svakog peptida su povezani disulfidnim vezama-mostovima; tamnija slova označavaju amino kiselinske rezidue koje nisu konzervisane u toku evolucije i koje se razlikuju

Magnocelularni neuroni koji sekretuju oksitocin i vazopresin, kao i svi drugi neuroni, generišu i provode akcione potencijale, a kao rezultat njihove električne aktivnosti egzocitozom se sekretuju neurohormoni. Kada akcioni potencijal stigne do završnih nožica aksona usloviće, kao rezultat depolarizacije, Ca++-zavisnu egzocitozu, fuziju membrane vezikula sa membranom zavšne nožice i pražnjenje sadržaja vezikula, odnosno sekreciju neurohormona. Obrazac sekrecije neurohormona prati profil električne aktivnosti, a egzocitozom se izbacuje u kratkom vremenskom intervalu odredjena količina (tzv. paketić ili “kvanti”) neurohormona u odredjenim vremenskim intervalima. Pokazano je da se obrazac električne aktivnosti neurona razlikuje u zavisnosti od tipa stimulacije. Stimulacija bradavice mlečnih žlezda prouzrokovaće, nakon izvesne latence, sinhrono, visokofrekventno pražnjenje vezikula oksitocinskih neurona. Ovo pražnjenje će prouzrokovati sekreciju oksitocina u cirkulaciju i kao rezultat izbacivanje mleka iz duktusa mlečnih žlezda postpartalnih ženki. Sa druge strane, stimulacija neurona koji sekretuju vazopresin hemoragičnim stanjem, prouzrokovaće inicijalno povećanje električne aktivnosti koje će trajati neko vreme. Potom sledi prolongirani obrazac fazičnog pražnjenja u kome se smenjuju periodi visoko-

hipofize, dok neki paraventrikularni neuroni završavaju i u eminenciji medijani.

Slika 10.5. Medjusobni anatomski odnos/položaj i organizacija hipotalamusa i hipofize

Kod većine kičmenjaka, neurohipofiza luči dva hormona: oksitocin i arginin-vazopresin (drugi naziv je antidiuretični hormon - ADH). Kod svih kičmenjaka, izuzev predstavnika ciklostoma, vazopresin i oksitocin imaju odvojene i različite funkcije. Smatra se da su predstavnici familije hormona koji potiču od jednog ancestralnog peptida. Primarna funkcija vazopresina ili ADH je sprečavanje prekomernog odavanja vode ekskrecijom. Većina sisara ima arginin-vazopresin (AVP), dok je kod hipopotamusa i većine predstavnika svinja, arginin u položaju šest u vazopresinskoj molekuli zamenjen lizinom i formira lizin-vazopresin (LVP). Zadnji režanj hipofize kod nekih predstavnika svinja i torbara sadrži mešavinu arginin- i lizin- vazopresina. Kod ostalih ne sisarskih kičmenjaka arginin je ostao, ali je fenil-alanin u položaju tri u vazopresinskoj molekuli zamenjen ileucinom gradeći arginin-vasotocin (AVT).

Poznato je da neurohipofiza većine sisara produkuje oksitocin čija je funkcija da reguliše kontrakcije uterusa tokom partuma, kao i izbacivanje mleka iz mlečnih žlezda sisara. Kod ptica, gmizavaca, vodozemaca i riba-plućašica neurohipofiza produkuje i mesotocin koji je veoma sličan oksitocinu, ali u položaju osam umesto leucina ima ileucin. Njegova funkcija nije precizno definisana i razjašnjena.

1��

frekventnog pražnjenja sa periodima električnog mirovanja. Ovakav obrazac električne, a i sekretorne aktivnosti se naziva tzv. fazična ekspolozija ili bljesak (engl. phasic bursting) i u najvećem broju slučajeva nije sinhrona aktivnost u različitim neuronima koji sekretuju vazopresin. Ovi neuroni su dobro adaptirani da obezbede kontinuirano i produženo povećanje sekrecije vazopresina, što je suprotno sinhronom, relativno kratkom, visoko-frekventnom pražnjenju neurona koji sekretuju oksitocin.

Biosinteza, intraneuronalni transport i sekrecija.Svi hormoni neurohipofize se sintetišu u ćelijskim telima magnocelularnih neurona supraoptičkog (SO) i paraventrikularnog nukleusa (PVN), a potom transportuju kroz akson ovih neurona do nervnih završetaka u zadnjem režnju hipofize, gde se sekretuju kao posledica na električne aktivnosti terminalnih završetaka neurona u kojima su sintetisani. Neki od neurona produkuju oksitocin, a neki drugi vazopresin, ali su ćelije koje sadrže oksitocin, kao i one koje sadrže vazopresin, nadjene u oba nukleusa.

Oksitocin i vazopresin su tipični neuralni hormoni, tj. hormoni koji se sekretuju u cirkulaciju kao produkt električne aktivnosti nervnih ćelija. Po biohemijskoj strukturi su nonapeptidi sa disulfidnim prstenom na kraju, te se kao i svi ostali peptidni hormoni sintetišu kao deo veće prekursorske molekule. Oba hormona neurohipofize su vezana sa karakterističnim molekulima tzv. neurofizinima (oksitocin za neurofizin I, a vazopresin za neurofizin II) u granulama neurona koji ih produkuju. U vreme kada su otkriveni za neurofizine se smatralo da su vezujući polipeptidi, ali danas se zna da su oni jednostavno deo prekursorske molekule. Prekursor za arginin-vazopresin je prepro-presofizin koji sadrži vodeću sekvencu od 19 amino kiselina, koja je praćena sa arginin-vazopresinom, neurofizinom II , kao i glikoproteinom. Prekursor za oksitocin je prepro-oksifizin koji je vrlo sličan prekursoru vazopresina, ali je manja molekula.

Prekursorske molekule se sintetišu u ribozomima tela nervnih ćelija, vodeća sekvenca se ukloni u endoplazmatskom retikulumu, pakuju se sekretorne granule u Goldži aparatu, a potom transportuju u donje delove aksona nošeni aksoplazmatskim protokom sve do krajeva aksona u posteriornoj oblasti hipofize. Sekretorne granule se nazivaju Heringova telašca i veoma se lako boje na histološkom preparatu, te su lake za eksperimentalnu manipulaciju i veoma su dobro istražene. Cepanje prekursorske molekule se dešava tokom transporta kroz aksoplazmu, tako da granule za skladištenje u krajevima nervnih završetaka

sadrže samo slobodan vazopresin ili oksitocin i odgovarajuće neurofizine. Sve ove komponenete se sekretuju, ali se jedino zna funkcija hormona hipofize.

Pored SO i PV nukleusa, neuroni koji sekretuju vazopresin su identifikovani u suprashijazmatičnom nukleusu, a vazopresin i oksitocin su nadjeni i u krajevima neurona koji se projektuju od PVN do moždanog stabla i kičmene moždine (smatra se da su ovi neuroni uključeni u regulaciju kardiovaskularne funkcije). Pored toga, vazopresin i oksitocin se sintetišu i u gonadama i kori nadbubrežne žlezde, a prisustvo oksitocina je pokazano u timusu, grudnoj žlezdi. Funkcija ovih peptida u ekstra neuralnim tkivima nije još uvek precizno definisana.

Vazopresinski receptori. Kao i svi drugi hormoni, vazopresin svoje efekte ispoljava vezujuće se za karakteristične vazopresinske receptore. Najbolje su pručena tri tipa receptora: V1A, V1B i V2. Sva tri su vezani sa G proteinima. V1A i V1B receptori svoj efekat ispoljavaju hidrolizom PIP3, a u cilju povećanja intracelularne koncentracije Ca++. V2 receptori deluju preko Gs i povećanja nivoa cAMP u ćeliji.

Fiziološki efekti vazopresinaS ozirom da je osnovni fiziološki efekat vazopresina retencija (vraćanje) vode u bubrezima i sprečavanje diureze

Slika 10.6. Hipotalamična kontrola sekrecija hormona neurohipofize

1��

(prekomernog odavanja vode), ovaj hormon se najčešće naziva antidiuretični hormon (ADH). ADH učestvuje u kontroli osmotskog pritiska krvi, jer omogućava veću reapsorpciju vode u bubrezima iz primarnog filtrata. Naime, prilikom prečišćavanja krvi u bubrezima, dnevno se kod čoveka filtrira oko 180 L tečnosti, od čega se 99% vode ponovo reapsorbuje u krv. U odsustvu ADH, taj procenat reapsorpcije je manji (oko 87%) i u tim slučajevima količina urina koji se ekskretuje iznosi i do 20 L, umesto 1 L. Ovu razliku u reapsorpciji obezbedjuje ADH povećavajući permeabilnost sabirnih kanalića bubrega tako da voda ulazi u hipertonični intersticijum renalnih piramida, te se urin koncentruje, a volumen mu se smanjuje. U odsustvu vazopresina, urin je hipotoničan i njegov volumen je povećan, te se na taj način gubi voda iz organizm, i povećava se osmolalnost telesnih tečnosti. Mehanizam kojim vazopresin ispoljava svoj antidiuretični efekat se ostvaruje aktivacijom V2 receptora i povećanjem produkcije cAMP, što za posledicu ima umetanje i povećanje broja proteinskih kanalića za vodu, tzv. akvaporina, u plazma membranama ciljnih ćelija sabirnih kanalića bubrega, te se na taj način povećava reapsorpcija vode. Povećanje broja i umetanje akvaporina u ćelijsku membranu se ostvaruje preko cAMP-PKA fosforilacije-aktivacije već sintetisanih proteina, ali i regulacijom transkripcije gena cAMP-zavisnim transkripcionim faktorima kao sto su CRE/CREB (cAMP response element-CRE i njegov vezujući protein - CREB), U mnogim fiziološkim situacijama kretanje vode difuzijom je podpomognuto i kretanjem kroz vodene kanale tj. akvaporine. Akvaporin-1, -2 i -3 su identifikovani u burezima, akvaporin-4 u mozgu, akvaporin-5 je nadjen u pljuvačnim i suznim žlezdama, kao i u respiratornom sistemu. Akvaporin-2 je vodeni kanal koji se aktivira vezivanjem vazopresina za V2 receptore u sabirnim kanalićima bubrega. Ovi kanali su skladišteni u endozomima unutar ćelije, a vazopresin prouzrokuje njihovu brzu translokaciju u lumen plazma membrane.

V1A receptori posreduju u vasokonstriktornim efektima vazopresina. Poznato je da je vazopresin potentan stimulator glatke muskulature u in vitro uslovima, ali i pored toga, potrebna je relativno velika količina vazopresina da bi se povećao krvni pritisak u in vivo uslovima, zato što vazopresin preko moždanih struktura smanjuje srčani rad. Ovaj efekat se ostvaruje preko aree postreme, jednog od cirkumventrikularnih organa. Hemoragija je potentan stimulator sekrecije vazopresina i pokazano je da vazopresin igra ulogu u održavanju homeostaze krvnog pritiska. V1A receptori su identifikovani u jetri i mozgu. Vazopresin prouzrokuje glikogenolizu i time ispoljava dijabetogeni efekat jer povećava koncentracijug glukoze u krvi. Pored toga, ima ulogu neurotransmitera u mozgu i kičmenoj moždini.

V1b receptori (još se zovu i V3 receptori) su unikatni za anteriornu oblast hipofize u kojoj posreduju u povećanju sekrecije adrenokortikotropnog hormona (ACTH) iz kortikotropinh ćelija adenohipofize.

Metabolizam vazopresinaCirkulišući vazopresin se rapidno inaktviše i uklanja uglavnom enzimskim sitemima jetre i bubrega. Njegov biološki polu-život (vreme potrebno za inaktivaciju polovine od date količine) kod čoveka je je 18 minuta. Njegov efekat na sabirne kanaliće bubrega se razvija veoma brzo, ali kratko traje.

Kontrola sekrecije vazopresinaVazopresin je skladišten u posteriornom delu hipofize a sekretuje se kao rezultat nervnih impulsa. Veliki broj stimulusa kojimože da remeti aktivnost ovih neurona, moduliše i obrazac i stepen sekrecije vazopresina.

Slika 10.7. Kontrola sekrecije vazopresina

Kada efektivni osmotski pritisak predje granicu normalnih vrednosti (285 mosm/kg) to stimuliše neurone i povećava elktrična aktivnost, a time i sekrecija vazopresina. Sekrecija vazopresina je regulisana osmoreceptorima koji su locirani u anteriornoj oblasti hipotalamusa, van krvno-moždane barijere, u cirkuventrikularnim organima i to primarno u OVLT (organum vaskulosu lamine terminalis). Vrednost efektivnog osmotskog pritiska osmolalnosti kojim se aktivira centar za žedj je je skoro jednaka vrednosti osmotskog pritiska koji stimuliše sekreciju vazopresina,

1��

ali još uvek nije ptrvizno pokazano da li su isti osmotski receptori uključeni u regulaciju oba fiziološka procesa. Stoga je sekrecija vazopresina kontrolisana delikatnim mehanizmima povratnih sprega koja operišu neprekidno kako bi očuvale homeostazu osmolalnosti plazme. Značajne promene se dešvaju već pri promeni osmolalnosti od 1%, te se kod zdravih osoba vrednost osmolalnosti održava veoma blizu 285 mosm/L

Tabela 10.10. Stimulusi koji menjaju nivo bazalne sekrecije vazopresina

Stimulacija sekrecije vazopresina Inhibicija sekrecije vazopresina

povećanje efektivnog osmotskog pritiska plazmesmanjenje ekstracelularnog volumenabol, emocije, “stres”, vežbanjemučnina i povraćanjestajanjeangiotenzin II

smanjenje efektivnog osmotskog pritiska plazmepovećanje ekstracelularnog volumenaalkohol

Volumen ekstracelularne tečnosti takodje menja sekreciju vazoprecina. Smanjenje volumena ekstracelularne tečnosti povećavaće sekreciju vazopresina, a povećanje volumena ekstracelularne tečnosti smanjivaće sekreciju vazopresina. Postoji recipročan odnos izmedju novia sekrecije vazopresina i stepena pražnjenja aferentnih vlakana koji idu od receptora na istezanje u delovima vaskularnog sistema sa niskim i visokim pritiskom. Receptori osetljivi na nizak pritisak su locirani u velikim venama, levoj i desnoj pretkomori i plućnoj cirkulaciji, dok su receptori osetljivi na visok pritisak locirani u karotidnim sinusima i luku aorte. Ukoliko se smanjuje krvni pritisak produkcija vazopresina se povećava u eksponencijalnom maniru. Pored toga, receptori osetljivi na nizak pritisak su osetljivi i na količinu krvi, tako da i umereno smanjenje volumena krvi koje smanjuje centralni venski pritisak, bez promene arterialnog pritiska, takodje može da poveća nivo vazopresina u cirkulaciji. Stoga, receptori koji registruju nizak pritidak su primarni medijatori efekta volumena na sekreciju vazopresina. Impulsi sa ovih receptora dolaze do nukleusa traktusa solitariusa (NTS). Odatle se nervni putevi nastavljaju do caudalne ventrolatelarne medule (CVLM), a potom ekscitatorni putevi idu direktno u hipotalamus. Angiotenzin II pojačava odgovor na hipovolemiju (smanjenje volumena vanćelijske tečnosti) i hipoenziju (smanjenje krvnog pritiska) delujući preko cirkumventralnih organa na stimulaciju sekrecije vazopresina.. Hipovolemija i hipotensija koje se javljaju prilikom hemoragije prouzrokuju otpuštanje velike količine

vazopresina, a rezultat toga je zadržavanje vode i redukcja osmolalnosti plazme. Pored toga, javlja se i hiponatremija jer je Na+ osmotski najaktivnija komponenta plazme. Pored promena osmotskog pritiska i/ili volmen vanćelijskih tečnosti i brojni drugi stimulusi menjaju sekreciju vazopresina: bol, mučnina, emocije, alkohol i dr.

Fiziološki efekti i kontrola sekrecije oksitocina

Glavna fiziološka dejstva oksitocina kod čoveka ispoljavaju se na nivou mioepitelijalnih ćelija koje oblažu kanaliće u mlečnim žlezdama, iako je pokazano da je uključen i u proces luteolize. Oksitocin izaziva kontrakciju mioepitelijalnih ćelija i na taj način omogućava lučenje mleka. Takodje izaziva kontrakcije uterusa. Pred kraj trudnoće uterus postaje veoma osetljiv na oksitocin. Ovaj efekat zavisi od nivoa estrogena i progesterona u krvi. Oksitociniski receptor, serpentinski receptor koji je u kontatktu sa G proteinom je identifikovan u humanom miometrijumu, a slični ili identični receptori su nadjeni i u tkivu mlečnih žlezda i ovarijumu. Vezivanje oksitocina za receptor aktivira disocijaciju Gαq/Gαq11 subjedinice Gq/q11 proteina i preko PLC se povećava produkcija IP3 što dovodi do mobilizacije Ca++ iz endoplazmatkog retikuluma koji preko kalmodulina aktivira PKC.Refleks sekrecije mleka. Oksitocin prouzrokuje kontrakcju mioepitelijalnih ćelija koje su slične ćelijama glatke muskulature i oblažu kanale mlečnih žlezda i na taj način istiskivanje mleka iz alveola mlečnih žlezda u veće kanale (sinuse), a potom kroz bradavicu i izbacivanje mleka u spoljašnju sredinu. Veliki broj hormona je sinhrono uključen u proces rasta i razvoja mlečnih žlezda i sekrecije mleka u kanale. Za proces izbacivanja mleka iz mlečnih žlezda je, kod većine životinja, neophodan oksitocin, a sam proces izbacivanja je injiciran neuroendokrinim refleksom (Figura ?). Receptori koji su uključeni su receptori za dodir kojima obiluju grudi, a posebno bradavice. Nervni impulsi koji se generišu u ovim receptorima prenose se somatskim dodirnim putevima do supraoptičkih i paraventrikularnih nukleusa. Električno pražnjenje oksitocin-produkujućih neurona prouzrokovaće sekreciju oksitocina iz ćelija neurohipofize u cirkulaciju. Odojče koje sisa bradavicu stimulisaće receptore za dodir, to će preko aferentnih puteva stimulisati nukleuse u hipotalamusu, a time i sekreciju oksitocina koji će prouzrokovati kontrakciju mioepitelijalnih ćelija, sekreciju mleka u sinuse. Kod žena koje doje, genitalni stimulusi, kao i emocionalni stimulusi stimulišu sekreciju oksitocina i ponekada uzrokuju naglo curenje mleka bez prethodne mehaničke stimulacije bradavica.

Preuzeto iz Ganong: Review of Medical Physiology (2005).

1��

Ostali efekti oksitocina. Oksitocin prouzrokuje kontrakciju glatkih mišićnih ćelija uterusa, pri čemu se senzitivnost uterusne muskulature na oksitocin povećava estrogenima a smanjuje progesteronom. Smatra se je inhibitorni efekat progesterona rezultat direktnog delovanja progesterina na uterusne oksitocinske receptore. U poznoj trudnoći, uterus postaje veoma senzitivan na oksitocina, a evidentno je povećanje broja oksitocinskih receptora, kao i iRNK za oksitocinske receptore. Pored toga, sekrecija oksitocina se povećava tokom partuma (porodjaja). Nakon dilatacije cerviksa, kretanje fetusa na dole, kroz cervikani kanal injicira nervne impulse koji preko aferentnih neurona završavaju u oblasti supraoptičkih i paraventrikularnih nukleusa i prouzrokuju sekreciju dovoljne količine oksitocina da se pospeši porodjaj. Količina oksitocina u sirkulaciji je normalna pre porodjaja, ali je povećan broj oksitocinskih receptora, te se smatra da zbog toga oksitocin injicira kontrakcije uterusa i uspostavlja se pozitivna povratna sprega. Oksitocin ispoljava efekat i na ne gravidni uterus olakšava transport sperme do tuba uterina gde se odigrava proces fertilizacije. Stoga, ne

samo motilitet spermatozoida, nego i odredjene kontrakcije uterusa su, kod nekih vrsta, važne zaoplodnju. Pokazano je da genitalni koitus stimuliše eskreciju oksitocina, ali nije precizno pokazano da to dovodi do specifičnih kontrakcija uterusa kojima bi se transportovala sperma. Kod mužjaka je u vreme ejakulacije povećan nivo cirkulišućeg oksitocina i smatra se da to stimuliše kontrakcije glatke muskulature vas deferensa prouzrokujući pokretanje prema uretri. Sekrecija oksitocina je povećana u stresu, a alkohol je smanjuje, kao i u slučaju vazopresina.

Slika 10.8.Uloga oksitocina u fiziologiji partuma

1��

Slika 10.9. Oksitocinom regulisan proces laktacije

Slika 10.8.Uloga oksitocina u fiziologiji partuma

1�0

Pinealna žlezda je neuroendokrini organ koji utiče na funkciju više neuroendokrinih struktura i neendokrinih sistema. Ona je upletena u modulaciju homeostaznih procesa, čija se aktivnost menja u zavisnosti od različitih ambijentalnih uticaja. Bitna karakteristika fiziologije pinealne žlezde je ritmičnost svih aspekata njene funkcije sinhrono sa dnevno-noćnim ritmom.

Funkcionalna organizacija pinealne žlezdePinealna žlezda je struktura epitalamusa eferentno povezana sa noradrenergičnim neuronima gornje vratne ganglije i peptidergičnim neuronima paraventrikularnog nukleusa.

Kod životinja koje žive u mraku npr. krtice i slepo kuče kao i kod životinja koje su aktivne noću(npr. ljiljci, Nyctalus Noctala) ova žlezda je dobro razvijena. Kod sisara, ona relativno mala i nalazi na krovu III moždane komore ispod posteriornog kraja corpus callosum-a i povezana je drškom za posteriornu komisuru

i komisuru habenulu. U dršci postoje nervna vlakna koja ne grade morfološke sinapse sa ćelijama. Parenhim je izgradjen

Pinealna Žlezda 11od dva tipa ćelija: pinealocita, koje imaju sekretornu funkciju, i glijalnih celija. Kao i druge endokrine žlezde snabdevena je fenestriranim kapilarima.

Kod mladih životinja i dece pinealna žlezda je bolje razvijena, a kasnije usled starenja organizma, dolazi do smanjenja kako ak-tivnosti tako i veličine kao i njene kalcifikacije usled nakupljanja kalcijumovih soli (karbonata i fosfata), tzv pinelnog peska.

Biosinteza i sekrecija hormonaHormoni pinealne žlezde su derivati indola, sa mela-toninom kao najpotentni-jim predstavnikom. Smatra se da pinealociti sekretuju još jednu grupu hormona, tzv. pinealne polipeptide, o čijoj strukturi i funkciji se ne zna puno. Iako je pri-marno mesto sinteze mel-atonina pinealna žlezda on se sintetiše i u drugim tkivima npr. retini, Hard-

Slika 11.1. Položaj pinealne žlezde

Slika 11.2. Sintezamelatonina.HIOMT- 5hidroksiindol-orto-metiltransferza

1�1

erovoj zlezdi, gastrointestinalnom traktu. Melatonin je de-rivat serotonina koji nastaje delovanjem N-acetiltransferaze i hidroksiindol O-metiltransferaze. Aktivnost ovih ključnih enzima za sintezu melatonina podleže cirkadijalnom ritmu tj. stimulisana je u noćnoj fazi ciklusa. U uslovima mraka zapažena je i povećana produkcija pinealnih polipeptida. Ovo je naročito izraženo kod životinja koje su aktivne tokom noći ili žive u uslovima konstantnog mraka.Pinealna žlezda sekretuje svoje hormone u cirkulaciju i cerebro-spinalni fluid. Melatonin je liposolubilan hormon, što omogućava njegovo nesmatano kretanje kroz fosfoipidni dvosloj membrane, kao i prolazak kroz krvno moždanu barijeru. Zbog toga njegovo delovanje nije ograničeno samo na periferiju, već se može proširiti i na strukture CNS.

Transport i metabolizam hormonaMelatonin iz opšte cirkulacije se metaboliše u jetri, 6-hidroksilacijom i konjugacijom, tako da se u urinu nalazi kao 6-hidroksi konjugat i 6-sulfatoksimelatonin. Način na koji se melatonin metaboliše u mozgu je još uvek nije potpuno poznat i verovatno uključuje cepanje indolskog prstena.Mehanizam delovanjaDo sada su poznata dva tipa receptora za melatonin, ML1 i ML2. ML1 je receptor visokog afiniteta za melatonin, povezan je sa heterotrimerom G proteina, a njegova aktivacija dovodi do inhibicije adenilat ciklaze. Klonirana su dva tipa ovog receptora ML1a i ML1b. Za ML2 karakteristično da je to receptor niskog afiniteta za melatonin ali visokim za 6-hydroksimelatonin, koji je metabolit melatonina, te se pretpostavlja da je on takodje aktivan hormon. Aktivacija ML2 stimuliše hidrolizu inozitol trifosfata.

Fiziološki efekti hormonaHormoni pinealne žlezde su uključeni u održavanje hormonske homeostaze i predstavljaju posrednike fotoperiodizma na održavanje cirkadijalnog i sezonskog ritma mnogih organskih sistema kao što su npr. regulacija cirkadijalnog ritama telesne temperature, cirkadijalnog ritma sekrecije hormona, sna i dr. Melatoninski receptori su pronadjeni u različitim tkivima u prvom redu u CNS (hipotalamično-hipofizna osovina, suprahijazmatični nukleus, cerebelum, hipokampus, cerebralni korteks), kao i reproduktivnom sistemu (testisi, vas deferens, akcesorni seksualni organi, prostata, jajnici, uterus, mlečne žlezde) te oni predstavljaju ciljna tkiva za delovanje melatonina. Hormoni pinealne žlezde imaju antigonadotropni efekat i time su uključeni u regulaciju nastanka puberteta kod

ljudi i sezonskog razmnožavanja kod životinja. Smatra se da vrše funkciju endokrine sinhronizacije izmedju sezonske varijacije ekoloških faktora i gonadne osovine. Kod amfiba, ovaj hormon reguleše intenzitet obojenosti kože delujući na melanofore.

Regulacija sekrecijeGeneralno, produkcija hormona pinealocita je stimulisana mrakom, a inhibisana svetlom. Fotoreceptorni impuls se proteže multisinaptičkom putanjom od retine oka ⇒ retinohipotalamični put ⇒ suprahijazmatični nukleus hipotalamusa ⇒ neuroni interomediolateralne kolumne grudnog segmenta kičmene moždine ⇒ gornji vratni ganglion ⇒ pinealna žlezda. Postganglijska noradrenergična vlakna se završavaju u neposrednoj blizini pinealocita, ne obrazujući direktan morfološki sinaptički kontakt. Dakle, biosintetička i sekretorna aktivnost pinealocita je primarno kontrolisana noradrenalinom koji se oslobadja iz simpatičkih nerava i veže se za β- i verovatno α adrenergičke receptore na membrani pinealocita (videti u okviru poglavlja 09: Mehanizam delovanja hormona). Aktivacija receptora pokreće kaskadu intracelularnih dogadjaja koji kulminiraju sintezom i sekrecijom melatonina i polipeptida. Pored toga, pinealociti se nalaze izvan krvno-moždane barijere, tako da su izloženi uticaju kateholamina koji se nalaze u perifernoj cirkulaciji. Stres i svako drugo stanje koje dovodi do povećanja nivoa kateholamina u cirkulaciji utiče na aktivnost ove žlezde. Shodno ovome, ona pripada organima koji modulišu i koordinišu odgovor organizma na stres i učestvuju u procesima adaptacije na izmenjene uslove sredine.

Slika 11.3.Dvadesetčetvoročasovni ritam sekrecije melatonina kod čoveka

1�2

Veoma je dobro poznato da je za opstanak bilo koje vrste neophodno harmonično razvijanje, sazrevanje i funkcionisanje reproduktivnog sistema. Ovaj splet integracije kompleksnih fizioloških procesa je kontrolisan od strane integrisane aktivnosti endokrinog i nervnog sistema, te je teorija neuroendokrine regulacije reproduktivne funkcije primenljiva kod oba pola. Centralnu ulogu u ovom kompleksnom regulatornom procesu ima hipotalamus koji preko svojih aktivnih principa/hemijskih medijatora upravlja adenohipofizom i kontroliše sekreciju gonadotropnih hormona adenohipofize (FSH i LH) ali i PRL kome se mogu pripisati neke gonadotropne funkcije. Hipotalamo-hipofizno-gonadna

Slika 12.1. Osnovni elementi reproduktivnog sistema sisara

osovina reaguje na promene u spoljašnjoj i unutrašnjoj sredini organizma, pri čemu hipotalamus predstavlja glavni centar prijema informacija, i centar odašiljanja poruka koje modifikuju aktivnost adenohipofize, a time i gonada. Kod mužjaka, hipotalamus ispoljava toničan obrazac ponašanja (odašiljanja akcionih potencijala i sekrecije aktivnih principa), te je stoga i sekrecija gonadotropnih hormona adenohipofize, te polnih hormona testisa, pa i ceo reproduktivni ciklus mužjaka tonične prirode. Na suprot tome, hipotalamus kod ženke ima ciklični obrazac sekrecije hemijskih principa, te je stoga i sekrecija godadotropnih horomona adenohipofize ciklične prirode, što rezultira cikličnim obrazcom sekrecije ovarijalnih hormona, a posledica toga su i ciličnbe promene uterusa i vagine, tj. reproduktivna fiziologija ženki se odlikuje cikličnim promenama.

Diferencijacija polova

Opšte je poznato da je kod ljudi i mnogih životinjskih vrsta pol determinisan genetski i to XX ili XY parom polnim hromozomima, pod čijom kontrolom se odvija i diferencijacija primitivnih gonada u testise ili ovarijume tokom embrionalnog razvoja. Pored toga, neophodno je »aktivno učešće« i samog embriona, te dalji razvoj genitalnih organa i sve promene koje su sa tim u vezi, zavise od prisustva gonada i njihove endokrine aktivnosti.Do šeste nedelje embrionalnog razvoja struktura gonada je ista kod oba pola (bipolarna gonada), dok do sedme nedelje embrion ima zajedničke muške i ženske primordijalne

Endokrena Fiziologija Reproduktivnog Sistema 12

1��

Slika 12.2. Morfologija i gradja testisa

genitalne kanale. Kod ženskog fetusa, sistem Mülerovih kanala se razvija u uterine tube i uterus, dok se kod muškog fetusa sistem Wolff-ovih kanala razvija u epididimis i vas deferens. Nakon osme nedelje, kod muškog fetusa nestaje urogenitalna pukotina i formiraju se muške genitalije, dok kod ženskog fetusa ona ostaje otvorena i formiraju se ženske genitalije.U prisustvu funkcionalnih testisa u embrionu, razvijaju se muške unutrašnje i spoljašnje genitalije. Sertolijeve ćelije sekretuju Mülerov regresioni faktor (MRF; poznat i kao Mülerova inhibitorna supstanca – MIS), odgovoran za regresiju Mülerovih kanala, a nakon ranog embrionalnog života učestvuje u sazrevanju germinativnih ćelija i kontroli spuštanja testisa. Koncentracija MRF u plazmi je povišena do druge godine života, nakon čega opada i posle puberteta se zadržava na veoma niskom nivou. Interesantno je napomenuti da je MRF prisutan i kod ženskog pola nakon rođenja, a produkuju ga granuloza ćelije malih folikula ovarijuma. Međutim, njegovi nivoi u plazmi su veoma niski do puberteta, nakon čega se povećavaju i dostižu nivo koji se detektuje kod odraslih muškaraca. Verovatno i kod ženskog pola MRF učestvuje u sazrevanju germinativnih ćelija.Leydig-ove ćelije fetalnih testisa sekretuju testosteron, što omogućuje diferenciranje struktura koje se razvijaju iz sistema Wolff-ovih kanala. Metabolit testosterona, dihidrotestosteron, odgovoran je za razvoj spoljašnjih muških genitalija i muških sekundarnih polnih karakteristika. Efekat androgena na fetus ne ograničava se samo na razvoj genitalija. Podjednako važna je i njihova uloga u razvoju mozga koji takođe podleže seksualnoj diferencijaciji. Osnovni tip sekrecije hipotalamičnog GnRH je tzv. ženski obrazac sekrecije, odnosno ciklični. Međutim, kod muškog pola, lučenje testosterona je signal za razvoj »muškog obrazca« sekrecije GnRH tj. »muškog mozga« i »maskulinizaciju« hipotalamusa, što podrazumeva pojavu toničnog obrasca

sekrecije GnRH. Ovo se ostvaruje dejstvom estrogena, koji nastaju u mozgu kao rezultat konverzije testosterona (dospelog cirkulacijom iz primordijalnih testisa fetusa) pod uticajem enzima aromataze (aromatizuje alifatični prsten androgena u aromatični prsten estrogena). Važno je nagalasiti da je endokrina funkcija promordijalnih gonada fetusa genetski determinisanog sa XY parom polnih hromozoma neophodna za razvoj toničnog obrazca sekrecije hipotalamusa, odnosno za normalan rast, razvoj i funkcionisanje mužjaka.

12.1. MUšKI REPRODUKTIVNI SISTEM

12.1.1. MORFOLOGIJA I GRADJA TESTISA

Testisi su izgrađeni od seminifernih tubula, izvijenih kanalića duž čijih zidova se nalaze germinativne ćelije u različitim fazama razvića. Seminiferne tubule se »ulivaju« u epididimis, od koga polazi vas deferens, a zatim ejakulatorni kanal koji se u telu prostate uliva u ureter. Zidovi seminifernih tubula su ograničeni primitivnim germinativnim ćelijama i Sertolijevim ćelijama. Sertolijeve ćelije su krupne, i protežu se od bazalne lamine tubula do lumena kanalića. Susedne Sertolijeve ćelije su u blizini bazalne lamine u tesnoj vezi i formiraju krvno-testikularnu barijeru koja sprečava prolazak velikih molekula iz intersticijskog tkiva i dela u blizini bazalne lamine u lumen tubula.Krvno - testikularna barijera omogućuje održavanje sastava tečnosti u lumenu seminifernih tubula, koji se u velikoj meri razlikuje od sastava plazme (sadrži veoma malo proteina i glukoze, a bogata je androgenima, estrogenima, kalijumom, inozitolom, glutaminskom i asparaginskom kiselinom). Barijera štiti germinativne ćelije od štetnih agenasa poreklom iz krvi, sprečava formiranje antigenskih produkata deobe i sazrevanja germinativnih ćelija i njihovo dospevanje u cirkulaciju, doprinosi uspostavljanju osmotskog gradijenta koji olakšava kretanje tečnosti u lumenu tubula. Međutim, steroidi s lakoćom prolaze kroz ovu barijeru, kao i zrele germinativne ćelije. Između seminifernih tubula nalazi se intersticijsko tkivo, a u njemu specijalne ćelije sa endokrinom funkcijom – Leydig-ove ćelije, u kojima se sintetiše testosteron.

12.1.2. EGZOKRINA FUNKCIJA TESTISA - SPERMATOGENEZA

Egzokrina funkcija testisa manifestuje se kroz proces formiranja polnih ćelija, spermatozoida. Ovaj proces naziva se spermatogeneza, i odvija se u zidu seminifernih tubula, a formirani spermatozoidi oslobađaju se u njihov lumen. Spermatozoidi nastaju od spermatogonije, primitivne

1��

germinativne ćelije, od koje mitotičkom deobom nastaju jedna nova spermatogonija i jedna primarna spermatocita. Iz primarne spermatocite nastaće dve sekundarne spermatocite, a iz njih mejotičkom deobom nastaju četiri spermatide, sa haploidnim brojem hromozoma. Sazrevanjem spermatida nastaju spermatozoidi koji se u formi ejakulata kroz sistem kanalića izbacuju u spoljašnju sredinu. Svaki klon germinativnih ćelija, koji potiče od jedne spermatogonije, diferencira se sinhrono zahvaljujući postojanju citoplazmatskih mostova koji ćerke-ćelije drže vezane zajedno. Pre puberteta, formira se ogroman broj spermatogonija, a u pubertetu počinje njihova diferencijacija do formiranja spermatozoida. Spermatogeneza je proces koji se u zidu seminifernih tubula odvija konstantno. Kod ljudi, formiranje zrelih spermatozoida iz primitivne germinativne ćelije u proseku traje 74 dana.

Zreo spermatozoid sastoji se od glave (sadrži hromozomski materijal – DNK), akrozoma (pokriva glavu; sadrži enzime koji olakšavaju penetraciju spermatozoida u jajnu ćeliju i druge događaje u procesu fertilizacije) i repa (proksimalni deo je bogat mitohondrijama; omogućuje pokretljivost spermatozoida). Međutim, spermatozoidi koji napuštaju testise nisu u potpunosti mobilni, i tek za vreme prolaska kroz epididimis nastavljaju sazrevanje i stiču motilitet. Sposobnost spermatozoida da oplode jajnu ćeliju pospešuje se tokom njihovog boravka u ženskom reproduktivnom traktu. Ovaj proces naziva se kapacitacija, i podrazumeva povećanje motiliteta spermatozoida i olakšavanje njihove pripreme za akrozomsku reakciju. Spermatozoidi čoveka kreću se kroz ženski genitalni trakt brzinom od oko 3 mm/min, i do tube uterine stižu 30-60 min nakon kopulacije.Važnu ulogu u procesu spermatogeneze imaju Sertolijeve ćelije, koje okružuju germinativne ćelije u razvoju. Zapravo, spermatide sazrevaju u spermatozoe u dubokim ovojima citoplazme Sertolijevih ćelija, i zrele spermatozoe oslobađaju se iz Sertolijevih ćelija i postaju slobodne u lumenu tubula. Sertolijeve ćelije vrše i fagocitozu oštećenih germinativnih ćelija. Sekretuju androgen-vezujući protein (ABP), inhibin i MRF. ABP ima ulogu u održavanju visoke koncentracije testosterona neophodnog za proces spermatogeneze a inhibin inhibira sekreciju FSH. Sertolijeve ćelije ne sintetišu androgene, ali sadrže enzim aromatazu (CYP19), koji konvertuje androgene u estrogene, pa mogu da produkuju estrogene. FSH i androgeni održavaju gametogeničnu funkciju testisa. Sazrevanje spermatida u spermatozoide zavisi od prisustva androgena, ali i od FSH koji deluje na Sertolijeve ćelije i olakšava odvijanje poslednjih stadijuma u sazrevanju spermatida, a i pospešuje produkciju ABP. Normalno odvijanje spermatogeneze zahteva temperaturu

nešto nižu od temperature u unutrašnjosti tela. Upravo zbog toga, testisi su spušteni u skrotume, gde se temperatura, zahvaljujući vazduhu koji cirkuliše između skrotuma i toplotnoj razmeni između spermatičnih arterija i vena, održava na optimalnih 32°C.

ErekcijaErekcija je inicirana dilatacijom arteriola penisa. Punjenjem erektilnog tkiva penisa krvlju, vene se komprimuju blokirajući izbacivanje i daju turgor organu. Integrativni centri nalaze se u lumbalnim delovima kičmene moždine i aktiviraju se impulsima koji potiču iz samih genitalija i silaznih puteva koji posreduju erekciju kao odgovor na erotske psihičke stimuluse. Eferentna parasimpatička vlakna oslobađaju acetilholin i VIP kao kotransmitere, što rezultira vazodilatacijom. Značajnu ulogu u erekciji igra NO, koji se sintetiše aktivnošću NO sintaze. NO aktivira guanilat ciklazu, što rezultira povećanom produkcijom cGMP-a, koji je potentan vazodilatator, a koji se razgrađuje dejstvom fosfodiesteraza (PDE). Imajući u vidu poznavanje mehanizma delovanja ovog puta, sintetisana je supstanca poznata pod nazivom Viagra (Sildenafil), koja se koristi za poboljšanje potencije, a koja deluje tako što inhibira razgradnju cGMP-a fosfodiesterazama, pa je samim tim njegov vazodilatatorni efekat produžen.

EjakulacijaEjakulacija je dvostepeni spinalni refleks koji uključuje emisiju, kretanje semene tečnosti u uretru i ejakulaciju, tj. propulziju sperme iz uretre u spoljašnju sredinu u vreme orgazma. Tečnost koja se ejakulira u vreme orgazma (ejakulat) sadrži spermatozoide, sekret semenih vezikula (pretežno predstavljen prostaglandinima), prostate (sadrži PSA – prostate-specific antigen), Kuperovih i uretralnih žlezda. U 1 ml ejakulata u proseku je sadržano oko sto miliona spermatozoida, a prosečan volumen ejakulata je oko 2.5-3.5 ml. 50% ljudi sa sadržajem spermatozoida u ejakulatu od 20-40 miliona/ml, i svi sa manje od 20 miliona/ml su sterilni. Brojni su faktori koji negativno utiču na kvalitet sperme (mali broj spermatozoida, »defektni« spermatozoidi, odsustvo spermatozoida u ejakulatu – azoospermija, poremećaji u sastavu semene tečnosti), a neki od njih su: alkohol, droge, nikotin, neki lekovi, pesticidi, živa, i mnoge druge toksične supstance. Broj spermatozoida najveći je oko dvadesete godine života, nakon čega konstantno opada.

VazektomijaVazektomija je obostrano podvezivanje ili presecanje kanala vas deferens, i primenjuje se kao pouzdana kontraceptivna

1��

metoda. Međutim, pokazala se kao nepogodna u slučaju ponovnog uspostavljanja prohodnosti kanala i vraćanja plodnosti. Polovina vazektomisanih muškaraca razvija antitela na spermatozoide, što može uticati na smanjen fertilitet posle uspostavljanja prohodnosti kanala.

12.1.3. ENDOKRINA FUNKCIJA TESTISA: BIOSINTEZA ANDROGENA - TESTIKULARNA STEROIDOGENEZA

Endokrina funkcija testisa se ostvaruje biosintezom i sekrecijom muških seksualnih/polnih hormona - androgena. Androgeni su muški polni hormoni (najpotentniji prirodni su testosteron-T i dihidrotestosteron-DHT) i imaju esencijalnu ulogu u rastu, razvoju i održavanju reprodu-ktivnog tkiva testisa, prostate, epididimisa, seminalnih vezikula i penisa, a takodje i kao stimulatori rasta. Primarno mesto u biosintezi androgena, odnosno testosterona pripada Leydig-ovim ćelijama intersticijalnog tkiva testisa. Odredjena količina manje potentnih androgena (androsteron i dehidroepiandrosteron sulfat-DHEA sulfat) sintetiše se u nadbubrežnoj žlezdi, ali je njihova ukupna androgena aktivnost mnogo manja od aktivnosti testosterona. Cirkulacijom, ovi adrenalni androgeni dospevaju u testis, gde se pod uticajem jedne sulfataze pretvaraju u DHEA, pa se time povećava količina prekursora testosterona. Odredjene količine androgena produkuju i ovarijumi (uglavnom kao prekursore estrogena), kao i placentalno i fetalno tkivo. U ćelijama moždanog tkiva se takodje produkuju male količine androgena, ali je njihova uloga, kao i uloga njihovih metabolita (DHT i estradiola), vezana za procese regulacije seksualne diferencijacije, kao i seksualnog ponašanja. Sertoli-jeve ćelije sadrže skoro sve enzime potrebne za biosintezu androgena ali je njihova količina u Leydig-ovim ćelijama mnogo veća, te se u njima odvija proces steroidogeneze. Prekursor biosinteze svih steroida, pa i testosterona je holesterol. ]elijama je na raspolaganju holesterol koji potiče iz tri različita “izvora”. Jedan su lipoproteini plazme (kod čoveka lipo-proteini male gustine - LDL, a kod pacova lipoproteini velike gustine - HDL), drugi su lipi-dne kapi gde je holesterol pohranjen u obliku holesterol estara i on se “aktivira” esterazom, a treći i najveći izvor holesterola je njegova biosinteza “de novo”. Placentalno tkivo nema sposobnost sinteze hole-sterola (zbog ne postojanja enzimske garniture za sintezu holesterola “de novo”), nego koristi holesterol koji je sintetisan u majčinom organizmu.

Holesterol se transportuje do mitohondrija, gde se odigrava ključna reakcija u procesu steroidogeneze tj. reakcija koja limitira proces steroidogeneze, a to je otcepljenje bočnog lanca holesterola (C27 steroid), fragmenta od 6 ugljenikovih atoma

Slika 12.3. Biosinteza androgena u testisima

(izokaproaldehid). Ova reakcija je katalizovana enzimom iz familije citohroma P450 a to je P450scc (cytochrome P450 cholesterol side chain cleavage - što cepa bočni lanac holesterola), jedan enzim sa dve aktivnosti: hidroksilaznom i liaznom. Produkt ove reakcije pregnenolon, transportuje se

1��

u citoplazmu, do glatkog endoplazmatskog retikuluma, gde se vrši njegova konverzija u progesteron i gde se nastavlja steroidogeneza, uz učešće čitave palete enzima. Biološka konverzija pregnenolona u proge-steron katalizovana je 3βhidroksisteroid dehidrogenazom ∆5-∆4 izomerazom (3βHSD). Progesteron je pored androgena, ishodišni hormon za biosintezu hormona kore nadbubrežne žlezde (mineralo- i gliko- kortikoida), kao i hormona ovarijuma (estrogena). Dalji metabolizam C21 prekurso-ra (pregnenolona i progeste-rona) u C19-steroide (androgene) se takodje odvija na membrani glatkog endoplazmatskog retikulu-ma. Ova konverzija uklju-čuje dve reakcije: hidroksi-laciju na C17, a potom i otcepljivanje bočnog lanca (izmedju C20 i C21). Obe reakcije su katalizovane jednim enzimom sa dve katalitičke aktivnosti - 17α-hidroksilaza/C17-20 liaza tj. P450 c17. Tok steroido-geneze može biti ostvaren tzv. ∆5 putem (5-en-3β-hidroksi- put) ili ∆4 putem (4-en-3-okso- put). Predo-minantnost nekog od ova dva puta razlikuje se od vrste do vrste. ∆4 put je prvi put otkriven i dominantan u testisima pacova. U testisima miša je ovaj put dominantan do puberteta, a kod adulta se “uključuje” i funkcioniše i ∆5 put.Steroidogeneza po tzv. ∆4 putu uključuje hidroksilaciju progesterona na C17 pri čemu nastaje 17-hidroksiprogesteron, a zatim se otcepljuju dva C atoma (C20 i C21) i nastaje “prvi” androgen androstendion. Obe navedene reakcije, kao što je ukazano, katališe jedan enzim P450c17. Pored Leydig-ovih ćelija testisa, ova reakcija se odvija i u kori nadbubrega i u ovarijumu. Dalju redukciju C17-keto grupe androstendiona i nastajanje testosterona katalizuje 17β-hidroksisteroid dehidrogenaza (17βHSD). ∆5 put je dominantan u humanim testisima, testisima viših primata, testisima psa, kao i u testisima zeca. Katalitičkim delovanjem P450c17 dolazi do hidroksilacije pregnenolona u 17-hidroksipregnenolon a potom do otcepljivanja bočnog niza od dva C atoma i nastaje dehidroepiandrosteron (DHEA). Dehidrogenacija DHEA do androstendiola katalizovana je 17βHSD, a kao produkt dehidrogenazije i izomerizacije androstendiola javlja se testosteron (reakciju katališe 3βHSD).

Mehanizam delovanja androgena

Svoje efekte na ciljne ćelije androgeni (testosteron i DHT) ispoljavaju vezujući se za specifične receptore ekspresovane ili u ćeliji (genomski efekti – regulacija transkripcije) ili na membrani ciljne ćelije (ne genomski efekti – aktivacija sekundarnih glasnika i postraslacijska modifikacija proteina). Vezivanje liganda za androgeni receptor u ćeliji prouzrokuje konformacione promene receptorske molekule, pri čemu dolazi do disocijacije inhibitora aktivacije receptora,

tj. otpuštaju se molekule oligomernog kompleksa proteina toplotnog šoka (engl. heat shock protein 90 - HSP90). HSP90 blokiraju mesta na receptornoj molekuli koja su odgovorna za vezivanje za DNK u jedru. Potom se kompleks ligand-receptor translocira u jedro, vezuje za specifična mesta na promotorskom regionu koja su odgovorna za vezivanje kompleksa (engl. hormon responsive element – HRE) i injicira se regulacija transkripcije različitih gena. Aktivacijom intraćelijskih receptora fiziološki efekat se ispolajva kasnije, nego ukoliko se aktiviraju membranski receptori. Mehanizam signalne transdukcije preko koga steroidi, pa i androgeni ispoljvaju brze efekte nije precizno definisan ni razjašnjem. Smatra se da su uključeni mehanizmi signalne transdukcije posredovani cAMP, inozitol-fosfatima i jonima Ca++.

Fiziološki efekti androgena

Primarna uloga androgena je razvijanje i održavanje sekundarnih polnih karakteristika mužjaka. To uključuje porast polnih organa, promena na spoljašnjim genitalijama, razvijanje unutrašnje genitalije (semene vezikule se uvećavaju i sekretuju fruktozu, kao glavnu nutritivnu supstanca za spermatozoide, a razvijaju se i počinju ekreciju i prostata i bulbouretralne žlede). Pod uticajem androgena larinks se povećava, glas postaje dublji, javlja se karakteristično povlačenje temporalne linije (zalisci ili ćelavost), pojavljuje se brada, i kosmatost karakteristična za muški pol. Muskulatura postaje snažnija, ramena šira, a efekti na mentalni sklop jedinke vode ka povećanoj agresivnosti, želji za isticanjem i povećanom interesovanju za osobe suprotnog pola. Pored toga, androgeni ispljavaju anabolički efekat tj. povećavaju sintezu i smanjuju razgradnju proteina, povećavaju mitotički indeks mišićnih ćelija, što dovodi do povećanja broja ćelija i do povećanja brzine rasta. Ovaj efekat se ostvaruje u sinergizmu sa tiroksinom i ACTH. Sporedni efekat je usporenu retenciju vode i elektrolita. Pored toga, izazivaju spajanje epifiza dugih kostiju i tako zaustavljaju rast. U sinergizmu sa tiroksinom povećavaju oksidativne procese u ćelijei (katabolizam masti) što ubrzava bazalni metabolizam, povećava potrošnju kiseonika, što bi moglo voditi u stanje hipoksije, ali se preko eritropoetina aktivira eritropoeza i povećava se broj eritrocita (muškarci imaju više eritrocita od žena). Pored toga, fetalni testosteron, zajedno sa hCG majke izaziva spuštanje testisa u skrotum gde je temperatura (oko 32 oC) niža nego abodomenu, pa se na taj način sprečava degeneracija ćelija seminifernih tubula pod uticajem višlje temperature. DHT primarno utiče na formiranje spoljnih genitalija i prostate kod fetusa, uvećanje prostate, formiranje facijalnih dlaka, temporalnu regresiju linije kose i pojavu akni u vreme puberteta, dok je testosteron odgovoran

1��

za formiranje muških unutrašnjih genitalija kod fetusa, pubertetsko uvećanje penisa i skrotuma, povećanje mišićne mase (mišićne ćelije nemaju sposobnost transformacije testosterona u DHT), pojavu muškog seksualnog nagona. S ovim u vezi, kongenitalna deficijencija 5α-reduktaze dovodi do formiranja individua sa muškim unutrašnjim genitalijama (imaju testise), ali sa ženskim spoljnim genitalijama. Ove individue obično rastu kao devojčice, ali u pubertetu dolazi do povećavanja klitorisa i razvijaju se konture muškog tela i libida, tj. postaju »dečaci«. . Egzogeno uneti androgeni takodje izazivaju signifikantne anaboličke efekte, što se često koristi za potrebe povećanja telesne i mišićne mase. Međutim, ne treba zaboraviti da i sintetički steroidi pored anaboličkih efekata imaju i androgeno dejstvo. Tako, primena egzogenih steroida može, pored nekih pozitivnih efekata, dovesti do smanjenja koncentracije endogenog testosterona, inhibicije

sekrecije gonadotropnih hormona, smanjenja veličine testisa, ginekomastije, slabljenja kvaliteta sperme, ćelavosti i dr. Pored navedenog, važno je napomenuti da se testosteron uključuje u regulaciju spostvene produkcije preko negativnih povratnih sprega na hipotalamus i hipofizu.

Kontrola testikularne funkcije

Funkcija testisa je primarno regulisana hipotalamo-hipofizno-testikularnom osovinom, pri čemu krajnji produkti endokrine aktivnosti testisa preko dugačkih negativnih povratnih sprega na nivou hipotalamusa i adenohipofize regulišu aktivnost ove osovine a time i sopstvenu produkciju i funkciju testisa. Funkcionisanje osovine se ostvaruje preko sekrecije hipotalamusnog hormona GnRH, koji stimuliše sintezu i sekreciju FSH i LH iz adenohipofize, a ovi hormoni ostvaruju svoje efekte na nivou testisa. Tonični obrazac pulsatilne električne aktivnosti hipotoalamičnih neurona diktira sekreciju GnRH, a potom i sekreciju gonadotropnih hormona hipofize, što čini funkcionalno jedinstvo u održavanju relativno konstantnog prosečnog nivoa testosterona, odnosno odvijanja procesa spermatogeneze. Pošto se, pod uticajem GnRH oslobodi u cirkulaciju, LH se vezuje za specifične receptore (G-protein zavisne) na membrani Leydig-ovih ćelija, preko AC se povećava koncentracija intraćelijskog cAMP i aktivira PKA. Navedene reakcije rezultiraju “aktiviranjem” holesterola tj. iniciranjem steroidogeneze preko otcepljivanja bočnog lanca izokaproaldehida od holesterola. Pokazano je da administracije gonadotropina naglo povećava nivo intracelularnog Ca++ i povećava aktivnost PKC te je moguće uplitanje i ova dva mehanizma transdukcije u proces regulacije steroidogeneze. Kao odgovor na LH, jedan deo testosterona koji se sekretuje iz Leydig-ovih ćelija dospeva do epitela seminifernih tubula i Sertolijevim ćelijama obezbeđuje tačno odredjen, tzv. »potreban i dovoljan« nivo androgena koji je neophodan za normalno odvijanje spermatogeneze. Paraleno, testosterona dospeva i u sistemsku cirkulaciju, i na tah načih stiže do svih ćelija u organizmu. Povećana sekrecija testosterona u cirkulaciji negativnom povratnom spregom na nivou hipotalamusa i adenohipofize inhibira dalje lučenje GnRH, odnosno LH (i hipotalamične i hipofizne ćelije poseduju receptore za androgene i estrogene), a samim tim i svoju sopstvenu produkciju. Iako redukuje nivo LH, jedino veoma visoke koncentracije testosterona imaju efekta na nivo FSH u plazmi. Pored LH i FSH, preko svojih receptora na Sertoli-jevim ćelijama ima uticaja na funkcije testisa. FSH omogućuje iniciranje spermatogeneze, stimuliše produkciju ABP, što, zajedno sa »potrebnim i dovoljnim» koncentracijama

Slika 12.4. Hipotalamo-hipofizno testikularna osovinaGnRH iz hipotalamusa stimuliše sekreciju LH i FSH iz adenohipofize. LH i FSH u testisima stimulišu spermatogenezu, sekreciju testosterona i inhibina. Testosteron negativnom povratnom spregom deluje na hipotalamus i adenohipofizu, i tako redukuje sekreciju LH i FSH, dok inhibin specifično inhibiše sekreciju FSH. Testosteron ima stimulatoran efekat na polne organe, sekundarne sekundarne karakteristike i Sertolijeve ćelije

1��

androgena, omogućuje odvijanje spermatogeneze. Pored ovoga, Sertolijeve ćelije pod uticajem FSH sintetišu i sekretuju veliki broj aktivnih principa koji autokrinom i/ili parakrinom maniru mogu da modulišu funkciju testikularnih ćelija. Jedan od njih je inhibin, fiziološki regulator sekrecije FSH. Naime, postoje dve forme inhibina (A i B) izolovane iz ekstrakta testisa i antrallnog fluida ovarijuma i obe ove forme selektivno inhibišu sekreciju FSH delujući negativnom povratnom spregom na adenohipofizu, pri čemu ne remete sekreciju LH. Inhibini su determinisani kombinacijom polipeptidine subjedinice: glikoziliranom β subjedinicom (molekulske mase 18000) i jednom od neglikoziliranih β subjedinica, βA i βB, (iste molekulske težine, 14000). Sve subjedinice nastaju od prekursorskih pre-pro-molekula proteina. Gen za β subjedinicu je tumor supresorski gen. Molekula inhibina je heterodimer u kome su subjedinice β i βA, gradeći inhibin A, ili β i βA, gradeći inhibin B, povezane disulfidnim mostovima. Oba heterodimera (inhibin A i inhibin B) inhibišu sekreciju FSH delujući direktno na adenohipfizu, mada se postoje dokazi da je ipak inhibin B zapravo FSH-regulatorni inhibin kod adultnih muškaraca i žena. Pored Sertoli-kevih ćelija, i granuloza ćelije ženki sekretuju inhibin. Pored kombinacije herterodimera koje determinišu molekulu inhibina, postoji i kombinacija heterodimera βAβB i homodimera βAβA i βBβB koji se nazivaju aktivini. Smatra se da je verovatnije da aktivini stimulišu, nego inhibišu sekreciju FSH, ali njegova funkcija u reproduktivnoj fiziologiji nije precizno definisana. I aktivni i aktivini su pripadaju TGFβ (engl. transforming growth factor) superfamiliji dimernih faktora rasta u koju spada i već pomenuta MIS. I inhibini i aktivnini cirkulišu u optoku vezani za β2-makroglobin. Pored gonada inhibini i aktivini su identifikovani u mozgu, koštanoj srži i drugim tkivima. Smatra se da aktivini učestvuju u diferencijaciji mezoderma tokom embrionalnog razvoja, kao i da utiču na razvoj ćelija bele krvne loze u koštanoj srži. Klonirana su dva receptora za aktivine i smtra se da funkcionišu po tipu serin kinaza. U tkivima se aktivini vezuju za četiri glikoproteina iz familije folistatina i time se inaktiviše njihov biološki efekat, ali precizan mehanizam ovog vezivanja nije pokazan.

Nivoi LH, FSH i testosterona u plazmi menjaju se tokom života. Regulacija sekrecije gonadotropina mehanizmom negativne povratne sprege gonadnih steroida postoji i pre rođenja, i u tom periodu ovaj mehanizam reaguje i na veoma niske koncentracije gonadnih steroida. U toki prvih šest meseci života izražene su oscilacije u nivou, a često i povišen sadržaj FSH, LH i testosterona. U prepubertetskom dobu ceo sistem se »smiruje« i koncentracije ovih hormona su niske, da bi u pubertetu došlo do »buđenja« hipotalamo-

hipofizno-gonadne osovine. Ovo se manifestuje skokovitim oslobađanjem LH u snu, što je posledica povećane sekrecije GnRH tokom spavanja. Porast sekrecije LH stimuliše testis da luči androgene. Tokom adultnog doba, skokoviti tip sekrecije javlja se i u budnom stanju, a koncentracija LH veća je u odnosu na FSH. Sa starenjem dolazi do smanjenja germinativne i endokrine funkcije gonada, pa dolazi do smanjenja efekta negativne povratne sprege što rezultira porastom koncentracije LH i FSH. Pored hipotalamo-hipofizno-testikularne osovine, dugačke povratne sprege, funkcija Leydigovih ćelija je kontrolisana i različitim ednokrinim, parakrinim i/ili autokrinim regulacionim mehanizmima. Činjenica da postoji medjusobna interakcija izmedju različitih sistema signalne transdukcije sugeriše da i aktivnost LH, kao i drugih stimulatora steroidogeneze (hCG, cAMP) u pogledu regulacije steroidogeneze može biti modulisana različitim endogenim i egzogenim faktorima a preko alternativnih puteva endokrine, parakrine i autokrine regulacije. Parakrini regulacioni mehanizmi uključuju delovanje produkata “susednih” ćelija (Sertoli-jeve ćelije, makrofagi, peritubularne mioidne ćelije, endotelijalne ćelije) na regulaciju testikularne steroidogeneze u Leydig-ovim ćelijama. U ovaj kompleksni regulacioni mehanizam uključen je veliki broj lokalno produkovanih faktora: estrogeni, inhibin i aktivin, faktori rasta, citokini, endotelini, CRF, NO, endogeni opioidni peptidi i dr. Pokazano je da sekretorni produkti Sertoli-jevih ćelija mogu modulisati funkciju Leydig-ovih ćelija preko FSH-posredovanih mehanizama. Produkti sekrecije intersticijalnih makrofaga, interleukin-1 (IL-1) i tumorski faktor nekroze 1 (TNFβ) deluju inhibitorno na proces steroidogeneze. Jedan od mogućih parakrinih i/ili autokrinih faktora koji se upliće u modulaciju steroidogeneze je i gas NO. Endogeno produkovani steroidi Leydig-ovih ćelija mogu da autokrinim regulacio-nim mehanizmima utiču na regulaciju ekspresije i aktivnosti steroidogenih enzima. Bez obzira ne veoma veliki broja studija o faktorima i mehanizmima koji modulišu steroidogenezu, udeo brojnih faktora u regulaciji ovog procesa još uvek nije u potpunosti objašnjen.

12.2. žENSKI REPRODUKTIVNI SISTEM

Reproduktivni sistem ženki, za razliku od mužjaka, karakteriše izražena ritmičnost cikličnih promenakoje se ponavljaju u odredjenom vremenskom intervalu, a rezultat su cikličnog obrazca električne, a potom i sekretorne aktivnosti GnRH neurona hipotalamusa, što usljava cikličnu sekreciju gonadotropnih hormona hipofize,

1��

zatim i hormona ovarijuma. Ove ciklične promene koje se mogu posmatrati kao periodične pripreme za fertilizaciju i trudnoću, a gonadotropni hormoni (FSH i LH) održavaju aktivnost gonada i iniciraju cikličnu sintezu seksualnih steroidnih hormona. Ove ciklične promene u obrazcu sekrecije hormona ovarijumima dalje diktiraju promene na svim steroid zavisnim organima i označene su kao estrusni ciklus kod svih sisara ili kao menstrualni ciklus kod primata (najuočljivija spoljna manifestacija menstrualnog ciklusa je periodično vaginalno krvarenje koje nastaje usled ljuštenja mukoze uterusa koje se naziva menstruacija).

12.2.1. CIKLUS OVARIJUMA I OOGENEZA

Kao i testisi mužjaka, ovarijumi ženki imaju dvojaku ulogu: egzokrinu (stvaranje jajnih ćelija – oogeneza) i endokrinu (sinteza seksualnih hormona). Za razliku od spermatogeneze, koja je inicirana u pubertetu i nastavlja se tokom adultnog života, proces produkcije germinativnih ćelija ženke javlja se samo u toku embrionalnog razvića. Do dvadesete nedelje embrionalnog razvoja čoveka, u ovarijumima ženke razvija se oko 7 miliona primordijalnih folikula, u kojima se nalaze oogonije – primitivne ćelije od kojih nastaju jajne ćelije. Međutim, tokom fetalnog razvoja većina primordijalnih folikula degradira, tako da u momentu rođenja postoji oko 2 miliona, ali i od toga je 50% atretičnih.

Preostalih 1 milion »zdravih« primordijalnih folikula tj. oogonije unutar njih započinju prvu mejotičku deobu, nastaju primarne oocite, koje ostaju zarobljene u stadijumu profaze sve do puberteta. Tokom detinjstva, ovarijumi su inaktivni, a broj primordijalnih folikula se i dalje smanjuje, tako da ih do početka puberteta ima oko 300 000. Narednih 35-40 godina, oni će obezbeđivati mesečni ovulacioni ciklus. U svakom ciklusu, samo jedna primarna oocita sazreva u jajnu ćeliju. U zavisnosti od funkcionalnog stanja ovarijuma, ciklus je podeljen u dve faze koje su odvojene ovulacijom (izbacivanjem jajne ćelije). To su: preovulatorna faza (folikularna, estradiolska – karakteriše se razvitkom folikula) i postovulatorna faza (luteinska, progesteronska – u njoj se formira i postaje funkcionalno aktivno žuto telo). Dužina ciklusa kod žena je varijabilna, ali u proseku traje 28 dana, pri čemu do ovulacije dolazi 14. dana ciklusa. Ciklus započinje razvitkom jednog broja primordijalnih folikula. Pod regulatornim uticajem FSH primordijalni folikuli maturiraju, dolazi do uvećanja broja granuloza ćelija i formira se stratum granulosum. Stroma oko folikula obrazuje teku folikuli, koja se diferencira u teku internu (sekretuje estrogene hormone u cirkulaciju)i teku eksternu. Folikuli rastu, a u njihovoj unutrašnjosti se formira šupljina

(antrum), ispunjena folikularnom tečnošću koja je bogata estrogenim hormonima poreklom iz granuloza ćelija (vezikularni folikul). U toku folikularne faze ovarijalnog ciklusa, nivo estrogenih hormona u perifernoj cirkulaciji

Slika 12.5. Sazrevanje folikula i oocite. 1. Primordijalni folikul sastoji se od oocite okružene jednim slojem granuloza ćelija. 2. Granuloza ćelije se uvećavaju i primordijalni folikul se razvija u primarni folikul. 3. Primarni folikul se uvećava; granuloza ćelije formiraju veći broj slojeva. 4. Formira se sekundarni folikul 5. Kada prostori ispunjeni fluidom formiraju jedinstven antrum formira se Grafov folikul. Kada potpuno sazri, Grafov folikul dostiže svoju maksimalnu veličinu, unutar njega se nalazi veliki antrum a oocita je lokalizovana u kumulativnoj masi. 6. Tokom ovulacije oocita se oslobađa iz folikula, zajedno sa granuloza ćelijama korone radijate 7. Nakon ovulacije, granuloza ćelije se ubrzano dele i formiraju corpus luteum. 8. Kada corpus luteum degradira, formira se corpus albicans.

200

graduisano raste, paralelno sa sazrevanjem folikula. Folikuli migriraju ka površini ovarijuma i obično samo jedan (kod žene) dalje maturira i sazreva do zrelog ili de Grafovog folikula, koji migrira ka površini ovarijuma i formira ispupčenje. Za neke sisarske vrste je karakteristično da veći broj folikula

maturira i stiže do ovulacije pa je za takve vrste, u slučaju oplodnje, karakterističan multipli porođaj. Ostali folikuli koji su započeli razvoj bivaju zahvaćeni regresijom tj. formiraju se atretični folikuli.Proces prskanja zrelog folikula na površini jajnika i izbacivanje jajne ćelije naziva se ovulacija. Ovulacija nastaje usled oslobađanja velike količine LH iz adenohipofize. Jajnu ćeliju prihvata ostium tube jajovoda i ona se transportuje do uterusa. Ukoliko ne dođe do oplodnje, jajna ćelija se preko vagine izbacuje u spoljašnju sredinu. Folikul iz koga je izbačena jajna ćelija se puni krvlju i formira se corpus hemoragicum. Granuloza ćelije i ćelije teke počinju da proliferišu, postaju bogate mastima, i formiraju corpus luteum (žuto telo). Lutealne ćelije započinju sintezu i sekreciju progesterona i estrogenih hormona. Nivo progesterona u cirkulaciji je najveći u lutealnoj fazi ciklusa. Ukoliko nije došlo do oplodnje, žuto telo degeneriše oko 24. dana ciklusa i formira se corpus albicans. Paralelno sa razvojem folikula, razvija se i primarna oocita koja se nalazi u njemu. Neposredno pred ovulaciju, završava se prva mejotička deoba. Jedna ćerka-ćelija, tzv. primarno polarno telašce, ili odmah propada, ili ulazi u drugu mejotičku deobu i daje dva polarna t elašca koja propadaju. Druga ćerka-ćelija je sekundarna oocita. Ona ulazi u drugu mejotičku deobu, ali se deoba zaustavlja u metafazi, i u potpunosti se završava samo u slučaju da dođe do oplodnje (ćelija koja se oslobađa ovulacijom zapravo je sekundarna oocita u metafazi II). Tada, nastaje jedno sekundarno polarno telo koje se odbacuje, a oplođena jajna ćelija nastavlja da se razvija u novu individuu. Kod žena, od menarhe (prva menstruacija) do menopauze u proseku oko 500 folikula maturira i sazreva do ovulacije.

Promene dinamike sekrecije ovarijalnih hormona u toku ovarijalnog ciklusa diktiraju ciklične promene na nivou endometrijuma uterusa, epitela vagine, mlečnoj žlezdi i drugim steroid-zavisnim organima.

12.2.2. ENDOKRINA FUNKCIJA OVARIJUMA: BIOSINTEZA ESTRADIOLA – OVARIJALNA STEROIDOGENEZA

U ovarijumu se produkuju estrogeni hormoni, progesteron, male količine androgena i inhibin. Ženski seksualni hormoni (estrogeni i progesteron) se, osim u ovarijumu, sintetišu i u kori nadbubrega i placenti. Kao i svi ostali steroidni hormoni, sintetišu se iz holesterola, i zajedničko im je ciklo-pentano-perhidro-fena-ntrensko jezgro u osnova mole-kula. Hemijski su veoma slični, ali imaju različito fiziološko dejstvo, a najpotentniji estrogeni hormon je estradiol.

Biosinteza estradiola u ovarijalnom folikulu započinje zajedničkim prekursorom za sve steroidne hormone - holesterolom. U prvim fazama sinteze, biohemijske reakcije su iste za sve steroidne hormone, bez obzira da li se sintetišu u kori nadbubrežne žlezde, testisima ili ovarujumu. Neposredni prekursori za estrogene su androgeni, pa je ceo biosintetički put do formiranja androgena potpuno identičan i za estrogene (videti poglavlje Endokrina funkcija tetisa: biosinteza androgena – testikularna androgeneza), uz dodatak još jedne, krajnje reakcije, a to je aromatizacija alifatičnog A prstena u aromatični.Androgeni (androstendion i testosteron) preko bazalne membrane dospevaju u granulozni sloj ćelija gde se obavlja poslednja reakcija u sintezi estrogena.

Ćelije teke interne poseduju brojne receptore za LH. Aktivacija ovih receptora, preko cAMP aktivira steroidogenezu u istom maniru kao i u Leydig-ovim ćelijama testisa, dovodi do povećane konverzije holesterola u androstendion. Nastali androstendion može da se konvertuje u estradiol i da se sekretuje u cirkulaciju. Ćelije teke interne snabdevaju granuloza ćelije androstendionom, a estradiol sintetisan u ovim ćelijama se, bar kod primata, sekretuje u folikularnu tečnost. Na membrani granuloza ćelija nalazi se veliki broj receptora zs FSH, a vezivanje FSH za receptore, preko cAMP, izaziva stimulaciju aromatazne aktivnosti i stimulaciju produkcije estradiola. Granuloza ćelije poseduju i receptore za LH, koji takođe stimuliše produkciju estradiola. Stromalno tkivo ovarijuma takođe može da produkuje androgene i estrogene, ali u veoma malim količinama. Vezivanjem FSH za specifične receptore na membrani granuloznih ćelija aktivira se AC, povećava se koncentracija cAMP koji aktivira PKA koja fosforilacijom stimuliše

Slika 12.6. Hemijska struktura estrogenih hormona estradiol (I), estron (II), estriol (III)

201

aromataznu aktivnost. Ova poslednja reakcija podrazumeva transformaciju A prstena androgena iz aliciklične u aromatičnu strukturu i uklanjanje metil grupe C19, a hidroksilna grupa na C3 atomu dobija fenolni karakter. Reakciju katalizuje enzim aromataza (P450aro) i to je jedina poznata reakcija u kičmenjaka koju ovaj enzim katalizuje. P450arom – Aromataza - Citohrom P450 aromataza je kompleks proteina na membrani glatkog endoplazmatskog retikuluma tj. mikrozomalni enzim koji katališe transformaciju androgena u estrogene. Transformacija podrazumeva aromatizaciju A prstena ∆4-3-on steroida u fenolni prsten karakterističan za estrogene i otcepljivanje atoma ugljenika sa položaja C19 u vidu mravlje kiseline.. Ova složena reakcija se odvija u tri uzastopne oksidacije (tri “hidroksilacijske” faze) i zahteva prisustvo 3 molekule NADPH i 3 O2. Prvobitno dolazi do dve uzastopne hidroksilacije metil grupe u pozožaju C19, dok mesto treće hidroksilacije nije jos uvek jasno definisano. Reakcija započinje enolizacijom 3 keto grupe tako da na položaju C3 nastaje hidroksilna grupa a dvostruka veza se formira izmedju C2 i C3 atoma. Aromataza sa redoks partnerom NADPH-P450 reduktazom u dva hidroksilacijska koraka i uz prisustvo kiseonika supstrat prevodi u 19 okso jedinjenje. Treći korak je formiranje peroksi medjuproizvoda , takodje na položaju C19, i zajedno sa eliminacijom 1β vodonika daje 1-10 dvostruku vezu a ugljenik C19 biva eliminisan u vidu mravlje kiseline. Aromatazna aktivnosti i/ili P450arom mRNK detektovani su velikom broju steroidogenih uključjujući i jetru, bubrege, mozak, masno tkivo, pa čak i skeletnu muskulaturu. U testisima je aromatazna aktivnost registrovana u Leydig-ovim, Sertoli-jevim i germinativnim ćelijama. Učešće pojedinih ćelija u aromatizaciji androgena varira u zavisnosti od vrste i polne zrelosti. Kod ljudi su Leydig-ove ćelije jedini izvor estrogena u testisu, mada 80% cirkulišućih estrogena nastaje perifernom aromatizacijom testosterona. Reakcija aromatizacije androgena je posebno značajna u moždanom tkivu, jer male količine produkovanog estradiola u velikoj meri utiču na odredjivanje i regulaciju seksualne diferencijacije hipotalamusa tj. formiranje obrasca sekrecije hormona hipotalamusa koji je karakterističan za muški pol.

Cirkulišći estrogeni Estrogeni se transportuju cirkulacijom vezani za proteine plazme, a samo mali deo nalazi se slobodan. Oko 3% estradiola u plazmi nije vezan za proteine plazme i to je aktivna forma, dok se ostali deo nalazi vezan za albumine (60%) i globuline (37%). U globulinskoj frakciji postoji specifičan transporter steroidnih hormona – SHBG (sex hormone binding globuline). Skoro sav cirkulišući estradiol je ovarijalnog porekla, a njegov nivo varira u zavisnosti od faze ciklusa.

Metabolizam estrogenaU jetri se estradiol, estron i estriol konvertuju u glukuronidne i sulfatne konjugate. Ovi metaboliti se, zajedno sa ostalim metaboličkim produktima ekskretuju urinom. Jedan deo metaboličkih konjugata se sekretuje u žuč, pa potom procesom reapsorpcije preko enterohepatične cirkulacije dospeva u krvotok.

Mehanizam delovanja estrogenaMehanizmi kojima estrogeni hormoni ispoljavaju svoje biološki efekat veoma su slični kao i androgena. Genomski efekti tj. efekti koji se ostvaruju regulacijom transkripcije gena posredovani su intraćelijskim nuklearnim estrogenm receptorima. Poznate su dve forme estrogenog receptora, α i β, koji se razlikuju u aminokiselinskom sastavu i afinitetu za estrogene. Tip α ima veći afinitet za estradiol nego tip β koji je aktivan pri većim koncentracijama estradiola. Estrogeni receptori tipa α su detektovani su u uterusu, testisima, hipofizi, bubrezima, epididimisu i kori nadbubrega, dok suje tip β detektovani u ovarijumu, prostati, plućima, gastrointestinalnom traktu, hematopoetičnim tkivima i mozgu. Pretpostavlja se da je regulacija hipofizno-ovarijalne osovinom posredovana tipom α, dok na nivou ovarijuma estrogeni deluju posrdstvom tipa β. Na sličan način kao i kod androgena, ulaskom estradiola u ćeliju i vezivanjem za estrogeni receptor, dolazi do konformacionih promena receptora i disocijacije HSP90 oligomernog kompleksa (inhibitor aktivacije receptora). Zatim receptori dimerizuju (u tkivima gde postoje oba tipa receptora formiraju se i heterodimeri) , translociraju se u jedro gde se vezuju za specifično mesto na DNK, ERE (engl. estrogen responsive element - ERE) gde regulišu transkripciju pojedinih gena, što će se potom ispoljiti kao fiziološki odgovor ciljne ćelije i/ili tkiva. Pored genomskih efekata, estrogeni ispoljavaju i tzv. brze, ne genomske efekte koji se ostvaruju vezivanjem za membranske receptore, a preko AC i sitstema sekundarnih glasnika koji uključuje cAMP, fosfatidil inozitole i Ca++. i to preko signalne transdukcije posredovane MAP kinazama. Precizni mehanizmi signalne transdukcije preko membranskih receptora nisu jasno definisani. Pored estrogena, i androgeni, glikokortikoidi, aldosteron, kao i 1,25-dihidroksiholekalcirefol ispoljavaju brze, ne genomske efekte, verovatno koristeći slične mehanizme signalne transdukcije.

Fiziološki efekti estrogenih hormonaEstrogeni hormoni učestvuju u regulatornim mehanizmima usmerenim na regulaciju sopstvene produkcije preko pozitivne (porast nivoa estradiola pred kraj folikulane faze pozitivnom povratnom spregom reguliše sekreciju

202

LH), odnosno negativne (konstantan nivo postovulatorno sekretovanog estradiola negativnom povratnom spregom inhibiše sekreciju LH) povratne sprege na adenohipofizu. Estrogeni olakšavaju rast folikula ovarijuma i povećavaju motilitet uterinih tuba. Pored toga izazivaju opštu proliferaciju endometrijuma uterusa pri čemu se povećava se mitotički indeks, kao i volumen ćelija zbog efekta na transport vode i elektrolita. Pored toga, imaju stimulatoran uticaj na glatku muskulaturu uterusa:uterus postaje ekscitabilniji, akcioni potencijali pojedinačnih vlakana su češći, povećana je senzitivnost na oksitocin, a i stimuliše se protok krvi u uterusu. Estrogeni izazivaju kornifikaciju epitela vagine što se koristi kao marker za odedjivanje faze cilusa. Pored toga, imaju anabolički efekat na proteine, verovatno preko stimulacije sekreciju androgena iz kore nadbubrega (ova osobina estrogena iskorišćena je u komercijalne svrhe – vrši se tretman životinja u cilju dobijanja veće telesne mase). Estrogeni su odgovorni za estrusno ponašanje životinja, a takodje i povećavaju libido kod ljudi. Smatra se da su ovi efekti posredovani direktnim delovanjem na specifične hipotalamične neurone i to povećavanjem proliferacije neuronskih dendrita i broja sinaptičkih završnih nožica na njima. U pubertetu prouzrokuju nagli rast grudi i proliferaciju kanala mlečne žlezde, te se nazivaju hormoni rasta grudi. Pored toga prouzrokuju i razvoj sekundarnih seksualnih karakteristika, sto se ispoljava specifičnim razvojem i devojčica u pubertetu i formiranjem tzv. »ženske konfiguracije« tela i ženskim obrazcom distribucije masnih naslaga na grudima, kukovima i bokovima. U toku puberteta ne dolazi do promene u glasu, kao kod muškog pola. Uglavnom je slabiji raspored dlaka po telu, a i izraženiji na glavi, iako je rast dlaka i kod mžjaka i kod ženki egulisan više androgenima, nego esrogenima. Estrogeni izazivaju retenciju soli i vode i veoma često je to uzrok prolaznog povećanja težine u predmenstrualnom periodu i jedna; snižavaju nivo holesterola u plazmi (žene manje obolevaju od arteroskleroze, estrogeni hormoni doprinose niskoj učestalosti infarkta miokarda i drugih komplikacija kardiovaskularnog sistema) i mnogi drugi.

ProgesteronProgesteron je C21 steroid koji se sintetiše u lutealnim ćelijama žutog tela i u malim količinama u granuloza ćelijama folikula sredinom i krajem folikularne faze. U trudnoći ga sintetišu žuto telo i placenta. Progesteron je značajan intermedijerni produkt u biosintezi steroida, tako da sva tkiva koja sintetišu steroidne hormone u maloj količini sekretuju i progesteron, te imala količina progesterona dospeva i iz testisa i kore nadbubrežne žlezde. Zapaženo je da se 17α-hidroksiprogesteron, u ciklusu ovarijuma, sekretuje paralelno sa 17β-estradiolom.

Cirkulišući progesteronOko 2% progesterona je slobodno u cirkulaciji, dok se oko 80% transportuje vezano za albumine i 18% vezano za kortikosteroid vezujući globulin plazme. Tokom folikularne faze estrusnog ciklusa sekretuje se manja količina progesterona iz ćelija ovarijalnog folikula, a kasnije u toku folikularne faze koncentracija progesterona polako počinje da raste. Tokom lutealne faze korpus luteum produkuje velike količine progesterona, pa se koncentracija progesterona u plazmi povećava za dvadeset puta. Nema mala količina progesterona je prisutna i u plazmi muškaraca.

Metabolizam progesteronaProgesteron ima kratak poluživot, i u jetri se konvertuje u pregnandiol, a on u glukuronsku kiselinu koja se ekskretuje urinom.

Mehanizam delovanja progesteronaMehanizam aktivacije i transdukcije signala je sličan kao i kod svih drugih steroidnih hormona, odnosno progesteron preko intracelularnih receptora ispoljava efekte i na nivou transkripcije gena (genomski, sporiji efekti), a vezivanjem za membranske receptore i aktivacijom sekundarnih glasnika prouzrokuje brze biološke odgovore ciljnih ćelija. Mehanizmi signalne transdukcije od receptora do krajnjih efektora i ispoljavanja biološkog odgovora su slični kao i kod ostalih steroidnih hormona. Postoje dve izoforme progesteronskog receptora: progesteronski receptor A i progesteronski receptor B. Smatra se da su to proteinski produkti jednog istog gena, a razlike nastaju u procesu postranslacijske modifikacije. Supstance koje mimikriraju efekte progesterona se zovu progestacionalni agensi, gestageni ili progestini i koriste se zajedno sa sintetičkim estrogenima kao kontraceptivni agensi.

Fiziološki efekti progesteronaProgesteron prvenstveno učestvuje u regulaciji sopstvene produkcije preko mehanizama povratne sprege hipotalamus-hipofiza-ovarijumi. Velike koncentracije progesterona inhibišu sekreciju LH, a tretman sintetičkim progesteronom u kombinaciji sa estrogenima inhibira ovulaciju i koristi se kao hormonska kontracepcija. Osnovni ciljni organi na koje progesteron ispoljava efekat su utreus, grudi-mlečne žlezde i mozak. Progeston je odgovoran za tzv. progestationalne ciklične promene endometrijuma uterusa i ciklične promene na nivou cerviksa i vagine. Progesteron ispoljava antiestrogeni efekat u na miomettrijalne ćelije u smislu smanjenja njihove ekscitabilnosti, senzitivnosti na oksitocin, smanjenje spontane električne aktivnosti, a istovremeno povećanja njihovog membranskog potencijala mirovanja. Pored toga, smanjuje

20�

broj estrogenih receptora u endometrijumu i povećava stepen konverzije 17β-estradiola (najpotentnijeg estrogena) u manje efektivne estrogene. Progesteron ispoljava i stimulatoran efekat na nivou endometrijuma uterusa, ali tako što stimuliše sekretorne ćelije te se time obezbedjuju uslovi za nidaciju (implementaciju) oplođene jajne ćelije. Smatra se da su estrogeni odgovorni za tzv. proliferativnu fazu u ciklusu uterusa, a progesteron za sekretornu fazu. Pored toga, progesteron povećava sekretornu aktivnost (lučenje sluzi) jajovoda, što je, pored ostalog važno da obezbedi optimalnu sredinu za prolaz spermatozoida. Progeteron ispoljava efekat i na nivou vaginalnog epitela: stimuluše sekretornu aktivnost epitela, nakon pada estrogena progesteron izaziva izbacivanje orožnalog epitela i dijapedezuleukocita. Na nivou mlečnih žlezda progesteron stimuliše razvoj lobulusa i alveola tako što indukuje difenencijaciju već estrogenima-pripremljenog duktalnog tkiva i potpomaže funkciju mlečnih žlezda tokom laktacije. Progesteron ubrzava termogenezu i bar delom je odgovoran za povećanje bazalne temperature, što se koristi

Slika 12.7.Menstrualniciklus.Predstavljene su promene u nivou hormona u krvi, razvoj folikula i promene u endometrijumu uterusa tokom ciklusa.

za odredjivanje tzv. plodnih ili ne plodnih dana. Progestron stimuliše respiraciju, te je kod ženki je u vreme lutealne faze parcijalni pritisak CO2 niži nego u vreme ovulacije. Velike doze progesterona prouzrokuju natriurezu (povećano odavanje natrijuma urinom) verovatno sprečavajuće efekat aldosterona u bubrezima. Za razliku od androgena i estrogena, progesteron ne ispoljava značajan anabolički efakat.

RelaksinRelaksin je polipeptid, produkuje ga žuto telo, uterus, placenta i mlečna žlezda, ali i prostata kod muškaraca. Tokom trudnoće, relaksira pubičnu simfizu i druge pelvične zglobove i tkiva i dilatira cerviks uterusa, pa na taj način olakšava porođaj. Inhibira kontrakcije uterusa i ima ulogu u razvoju mlečnih žlezda. Kod žena koje nisu trudne, nađen je u žutom telu i endometrijumu za vreme sekretorne faze menstrualnog ciklusa, ali ne iu proliferativnoj fazi. Kod muškarca, prisutan je u semenoj tečnosti gde verovatno pospešuje pokretljivost spermatozoida i olakšava njihovo prodiranje u jajnu ćeliju. Kod većine vrsta postoji samo jedan gen za relaksin, ali kod ljudi postoje dva gena na hromozomu ) koji kodiraju dva strukturno različita polipeptida koja imaju aktivnost relaksina. Smatra se da je samo po jedan od gena aktivan, odnosno odgovoran za formiranje relaksina u ovarijumu i relaksina prostate. Struktura humanog lutealnog i semenalnog relaksina je vrlo slučna insulinu, IGF-I i IGF-II, sa dodatkom piroglutamične kiseline na jednom kraju polipeptidnog lanca. Smatra se da je mehanizam signalne transdukcije je vrlo sličan kao kod insulinskog receptora i receptora za IGF-I i IGF-II.

Ciklus uterusaCiklus endometrijuma uterusa dobro je izražen u toku menstrualnog ciklusa primata i može se podeliti u dve faze: proliferativna (poklapa se sa folikularnom fazom ciklusa ovarijuma) i sekretorna faza ciklusa (poklapa se sa lutealnom fazom ciklusa ovarijuma).

U toku proliferativne faze, koja se odvija pod uticajem estrogena sekretovanih iz teke interne folikula u razvoju, dolazi do proliferacije, rasta i bujanja endometrijuma uterusa. Mnoglo bi se reći da proliferativna faza predstavlja fazu »renoviranja« epitela iz prethodne menstruacije. Debljina endometrijuma se povećava a uterine žlezde rastu. U toku ove faze, pored bazalnih arterija počinju da se formiraju i specifične spiralne arterije. Posle ovulacije, i vrlo kratko nakon formiranja žutogtela, žuto telo sintetiše i luči velike količine estrogena i progesterona. Njihovim sinergističkim delovanjem dolazi do intenzivnog bujanja endometrijuma i on postaje edematozan, dobro vaskularizovan, a uterine

20�

žlezde se granaju i počinju da sekretuju fluid. Ove promene predstavljaju pripremu uterusa za nidaciju oplođene jajne ćelije i predstavljaju sekretornu fazu ciklusa. Nakon propadanja žutog tela, izostaje hormonska podrška endometrijumu, usled čega dolazi do ljuštenja 2/3 endometrijuma koje je praćeno krvarenjem (menstruacijom). U površinskom sloju endometrijuma nalaze se tzv. spiralne arterije, dok se u dubljim slojevima, koji se ne ljušte tokom menstruacije, nalaze kratke, prave, bazilarne arterije. Kada žuto telo degradira i prestane hormonsko podržavanje endometrijuma, on postaje tanji i dolazi do uvijanja spiralnih arterija. U endometrijumu se pojavljuju mesta zahvaćena nekrozom tkiva, i međusobno se spajaju. Ovo je praćeno spazmom i nekrozom spiralnih arterija, što dovodi do formiranja tačkastih hemoragija koje postaju konfluentne i rezultiraju menstrualnim krvarenjem. Spazam krvnih sudova verovatno je prouzrokovan lokalno oslobođenim prostaglandinima (sekretorni endometrijum i menstrualna krv sadrže velike količine prostaglandina). Menstrualna krv je pretežno arterijska (75%), sadrži ostatke tkiva, prostaglandine, fibrolizin i dr. Mukoza grlića uterusa ne podleže cikličnoj deskvamaciji, međutim ciklične promene se manifestuju u pogledu promene kvaliteta mukusa grlića materice. Pod uticajem estrogenih hormona, mukus je tanji i alkalniji, što je dobra sredina za transport spermatozoida. Progesteron čini mukus debljim i celularnijim.

Kod sisara neprimata koji imaju estrusni ciklus, nisu izražene proliferativne promene endometrijuma uterusa, a lutealna faza ciklusa je redukovana i kraća je u odnosu na proliferativnu fazu. Zbog toga estrusne životinje nemaju menstruaciju.

Ciklus vagineCiklične promene u toku estrusnog ili menstrualnog ciklusa mogu se pratiti i na epitelu vagine. Pod uticajem estrogena, dolazi do kornifikacije vaginalnog epitela, dok progesteron dovodi do sekrecije mukusa, proliferacije epitela i dijapedeze leukocita. Međutim, ove promene kod čoveka nisu tako jasno izražene, za razliku od pacova kod koga se na osnovu sadržaja i izgleda ćelija na preparatu vaginalnog smira jasno mogu razgraničiti pojedine faze estrusnog ciklusa. Estrusni ciklus pacova je podeljen u tri osnovne faze: proestrus, estrus i diestrus. U toku proestrusa u vaginalnom smiru se može uočiti veliki broj epitelijalnih ćelija ovalnog izgleda sa centralno postavljenim nukleusom. U estrusu dolazi do kornifikacije epitelijalnih ćelija pod uticaje estrogenih hormona. Kornifikovane ćelije su mrtve, pa slabo primaju boju i na preparatu vaginalnog smira se vide kao bezbojne ili vrlo bledo obojene. Nepravilnog su oblika

i većeg dijametra od epitelijalnih ćelija. U toku diestrusa, u vaginalnom smiru se može zapaziti mnoštvo leukocita, kao i prisustvo epitelijalnih i kornifikovanih ćelija. Progesteron je odgovoran za deskvamaciju orožnalog epitela, a pored toga stimuliše dijapedezu leukocita ka mestu deskvamacije, tako da leukociti dominiraju na preparatu vaginalnog smira. Prisustvo velikog broja leukocita je svakako fiziološki veoma opravdano jer štiti ogoljeni endometrijum uterusa od direktnog kontakta sa mikroorganzmima.

Estrusni ciklusEstrusni ciklus ili ciklus polnog žara (seksualni nagon za parenje) kod sisara se, u zavisnosti od vrste, može ponavljati nekoliko puta tokom sezone (ukoliko nije došlo do oplodnje). Takve životinje nazivaju se poliestrusne (npr. kod kobile se estrus javlja svakih 21 dan, kod ovce svakih 16, a kod pacova svakih 4-5 dana). Ukoliko se estrus u sezoni parenja javlja samo jednom, a sledeći tek posle izvesnog vremena, takve životinje se zovu monoestrusne (npr. kuja). Ciklično oslobađanje LH i FSH neophodno je za nastanak ovulacije kod životinja kod kojih je ovulacija spontana – spontani ovulatori. Međutim, kod nekih vrsta do povećanog oslobađanja gonadotropnih hormona, a samim tim i ovulacije, dolazi samo nakon parenja ili nekog drugog stimulusa iz spoljašnje sredine. Npr. kod zečice ovulacija nastupa tek posle parenja, ali je može izazvati i samo prisustvo mužjaka ili čak prisustvo druge ženke. Kod glubice ovulacija može nastupiti čak i posmatranjem sopstvenog lika u ogledalu. Ova, tzv. refleksna ovulacija, regulisana je aferentnim impulsima koji polaze iz genitalija, čula vida, sluha i mirisa, a koji konvergiraju na nivou ventralnog hipotalamusa i provociraju predovulatorno povećanje sekrecije LH iz adenohipofize.Na pojavu estrusa, pored dominantnih endokrinih faktora (sistem povratnih sprega u okviru hipotalamo-hipofizno-gonadne osovine), znatno utiču i signali iz spoljašnje sredine, kao što su promene u temperaturi, promene u dužini dana koje prate smenu sezona, količina i kvalitet dostupne hrane i dr. Karakter reproduktivnog ciklusa je usklađen sa uslovima spoljašnje sredine, tako da omogući oplodnju, graviditet i dolazak mladunaca na svet u periodu koji je najpogodniji za njihovo preživljavanje.

Regulacija funkcije ovarijumaHipotalamus ima ključnu poziciju u regulacji hormon-alnih promena u estrusnom/menstrualnom ciklusu. Hipotalamička kontrola sinteze i sekrecije gonadotropnih hormona ostvaruje se posredstvom sekrecije GnRH na nivou eminencije medijane u hipotalamo-hipofizni portni sistem, a kao posledica specifične električne aktivnosti hipotalamičnih neurona (detaljnije videti u poglavlju: Hipotalamična kon-

20�

trola adenohipofize). GnRH stimuliše spontanu električnu aktivnost ćelija adenohipofize koje produkuju gonadotro-pina, a time i sekreciju FSH i LH. GnRH neuroni odgovorni za regulaciju gonadotropne sekrecije se nalaze u medioba-zalnom (MBH) i preoptičkom delu hipotalamusa. Smatra se da su GnRH neuroni iz MBH odgovorni za toničnu sekreciju, dok je preoptički region hipotalamusa odgovoran za ciklično oslobađanje GnRH. Sekretorna aktivnost GnRH neurona je po tipu tzv. pulsatilnih, epizodičnih »eksplozija« (engl. epi-zodic burst) sekrecije GnRH. Samo ovakav obrazac sekrecije stimulisaće lučenje gonadotropina iz adenohipofize. Poka-zano je da konstantna infuzija stalnih koncentracija GnRH prouzrokuje inhibiše GnRH receptore adenohipofize i dovodi sekreciju LH do nule, a ukoliko je administracija epizodična, LH sekrecija je stimulisana. Jasno je pokazano da nije samo epizodična sekrecija GnRH opšti fiziološki fenomen, nego i fluktuacije u frekvenciji i amplitudi GnRH epizodičnih »eksplozija« sekrecije GnRH, i da su oba fenomena uzrok hor-monskih promena koje su odgovorne za estrusni, odnosno menstualni ciklus. Frekvenca aktivnosti GnRH neurona se

povećava estrogenima, a smanjuje progesteronom i testoster-onom. U kasnoj folikularnoj fazi frekvenca aktivnosti GnRH neurona se povećava, što kulminiše dramatičnim, naglim porastom nivoa LH (pik LH) u cirkulaciji. Tokom sekretorne faze frekvencija sekrecije GnRH neurona se smanjuje kao rezultat delovanja progesterona, ali kako do kraja ciklusa pada nivo estrogena i progesterona i frekvencija električne/sekretorne aktivnosti GnRH neurona ponovo raste. U vreme sredine pika LH senzitivnost gonadotropa adenohipofize za GnRH se dramatično povećava zbog toga što su izloženi pulsatilnoj sekreciji GnRH tačno odredjene frekvencije. Za postizanje maksimalnog LH odgovora veoma je važna samo-regulacija/navodjenje (engl. self-priming) GnRH neurona. Priroda i tačna lokacija neurona-genratora GnRH pulsa nije precizno definisana. Pokazano je da norepinefrin a vero-vatno i epinefrin u hipotalamusu povećavaju frekvenciju GnRH-pulsa. Sličan efekat ispoljavju i ekscitatorne amino kiseline. Suprotno, opioidni peptidi, kao što su enkefalini i β-endorfin smnjuju frekvenciju GnRH- pulsa. I razni fak-tori iz spoljašnje sredine (stresogeni stimulusi, promene u diurnalnom ritmu, promena svetlosnog režima i dr.), preko hemijskih medijatora, mogu modulisati funkciju GnRH neu-rona, pa time i funkciju hipotalamo-hipofizno-gonadalne osovine tj. regulaciju funkcije gonada. Ciklični, epizodični obrazac električne i sekretorne aktivnosti GnRH neurona hipotalamusa diktira obrazac sekrecije gonadotropnih hormona adenohipofize, preko njih i hormona ovarijuma, a time i ovarijalni, uterusni i vaginalni ciklus. Tokom rane folikularne faze, nivo inhibina B je nizak, a FSH umereno povišen. FSH je neophodan za rano sazrevanje folikula ovarijuma, dok su FSH i LH zajedno odgovorni za završnu maturaciju folikula. Sekrecija LH je na početku ciklusa u velikoj meri inhibisana delovanjem negativne povratne sprege estrogena, koji su u počektu prisutni u manjim koncentracijama. Međutim, nivo estrogena u plazmi se, sa razvojem folikula, sve više povećava i do ovulacije dolazi uspostavljanjem pozitivne indirektne (na nivo hipotalamusa) povratne sprege estrogena, upravljene, najverovatnije, na preoptički region hipotalamusa.Naime, povišen nivo estrogenih hormona u folikularnoj fazi ciklusa stimuliše »ciklično i epizodično« otpuštanje GnRH i usled toga je stimulisana i sekrecija LH, koja prethodi ovulaciji. U slučaju menstrualnog ciklusa, 36-48h pre ovulacije estrogenska povratna sprega postaje pozitivna, i ona inicira naglo povećanje sekrecije LH, tzv. preovulatorni LH pik. Do ovulacije dolazi oko 9h nakon pika LH pika. Zajedno sa naglim porastom nivoa LH javlja se i skok u niou FSH, uprkos malom porastu koncentracije inhibina, verovatno usled snažne stimulacije sekrecije gonadotropina od strane GnRH. Veoma je važno naglasiti da umeren,

Slika 12.8. Regulacija sekrecije hormona tokom menstrualnog ciklusa.

20�

konstantan nivo cirkulišućih estrogena negativnom povratnom spregom inhibiše sekreciju LH, dok povećanje niova estrogena tokom ciklusa formira pozitinu povratnu spregu/efekat i prouzrokuje dramatično pvoećanje niova cirkulišućeg LH neposredno pre ovulacije. Pokazano je da ukoliko je povećan nivo progesterona u cirkulaciji ne dolazi do uspostavljanja pozitivne povratne sprege estrogena na hipotalamus.

Nakon ovulacije, stimulatornim uticajem LH, formira se žuto telo. Hormoni žutog tela, u prvom redu progesteron, inhibišu sekreciju LH preko negativne direktne i indirektne povratne sprege. Pored toga, nivo FSH u plazmi je takođe nizak u toku lutealne faze ciklusa, a kao posledica inhibitornog delovanja inhibina lutealnih ćelija na sekreciju FSH iz adenohipofize. Na ovaj način se inhibiše pokretanje novog ciklusa i nastavljaju se procesi koji će pripremiti organizam ženke za oplodnju i eventualnu gravidnost. Ukoliko do oplodnje ne dodje, specifičnim mehanizmima i hemijskim medijatorima se injicira luteoliza tj. propadanje žutog tela. S obzirom da se »ukida« izvor produkcije progesteron, estradiola i inhibina, i njihovi nivoi u cirkulaciji, pa nivo FSH i u manjoj meri LH, ponovo raste. Drugim rečima, ukida se negativna povratna sprega ovarijalnih hormona na gonadotropne hormone, što omogućuje da ciklus počne iz početka, tj. da ponovo raste koncentracija FSH u plazmi, koja inicira sazrevanje primordijalnih folikula.

Još uvek nije u potpunosti razjašnjeno zašto dolazi do luteolize. Smatra se da se da prostaglandin PGF2a ima funkciju fiziološkog luteolizina, ali da je aktivan jedino ukoliko su prisutne endotelijane ćelije koje sekretuju endotelin 1 (ET-1). Stoga je verovatno da i pGF2a i ET-1 imaju izvesnu ulogu u procesu luteolize. Kod nekih domaćih životinja je pokazano da oksitocin koga produkuje žuto telo ima lokalni luteolitični efekat, veroatno stimulacijom produkcije prostaglandina. Takođe, postoje podaci da u involuciji žutog tela značajnu ulogu ima i NO koji se kao i ET-1 produkuje iz endotelijalnih ćelija.

TrudnoćaFertilizacija i implantacija. Kod ljudi se fertilizacija jajne ćelije obično događa u srednjem delu uterinih tuba. Fertilizacija uključuje: 1) hemoatrakciju spermatozoida ka jajnoj ćeliji delovanjem supstanci koje ona produkuje; 2) prijanjanje spermatozoida na zonu pelucidu (membranska struktura koja obavija jajnu ćeliju, spermatozoidi se vežu za ZP3 receptor); 3) penetracija kroz zonu pelucidu tokom akrozomske reakcije (izazvana akrozimom – enzim iz akrozoma sličan tripsinu); 4) prijanjanje glave spermatozoida na membranu jajne ćelije

(fuzija s jajnom ćelijom posredovana je fertilinom – protein na površini glave spermatozoida), probijanje zone fuzije i oslobađanje jedra spermatozoida u citoplazmu jajne ćelije. Tokom procesa fuzije, dolazi do smanjenja membranskog potencijala jajne ćelije i strukturnih promena u zoni pelucidi, što sprečava polispermiju (fertilizacija većim brojem spermatozoida). Embrion koji je počeo da se razvija (blastocist) kreće se prema uterusu. U kontaktu sa endometrijumom uterusa, blastocita se okružuje jednim spoljašnjim slojem nazvanim sinciciotrofoblast (višejedarna struktura bez jasnih granica između ćelija) i jednim unutrašnjim slojem nazvanim citotrofoblast (izgrađen iz pojedinačnih ćelija). Sinciciotrofoblast »nagriza« endometrijum i blastocita se implantira u njega, obično na dorzalnom zidu uterusa. Razvija se placenta, a sa njom ostaje povezan trofoblast.

Endokrine promene. Kod svih sisara, ukoliko dođe do oplođenja, žuto telo ne degradira već se uvećava usled stimulacije gonadotropnim hormonima koje sekretuje placenta. Placentalni gonadotro-pin se zove humani horionski gonadotro-pin – hCG. Uvećano žuto telo tokom trudno-će sekretuje estrogene, progesteron i relaksin.Relaksin potpomaže održavanje trudnoće tako što inhibira kontrakcije miometrijuma uterusa. Kod većine vrsta uklanjanje ovarijuma u toku graviditeta prouzrokuje abortus. Kod ljudi, nakon šeste nedelje trudnoće, placenta preuzima endokrinu funkciju žutog tela i produkuje dovoljnu količinu estrogena i progesterona od majčinih i felatnih steroidnih prekursora. Nakon osam nedelja trudnoće, funkcija žutog

Slika 12.9. Promene u koncentraciji hormona tokom trudnoće. U ranim fazama trudnoće estrogene i progesteron sekretuje ovarijum, kako trudnoća odmiče tu ulogu u najvećoj meri preuzima placenta, da bi se u kasnoj trudnoći estrogeni i progesteron sekretovali samo iz placente. Tokom cele trudnoće, hCG se sekretuje samo iz placente.

20�

tela slabi, ali ono ostaje u izvesnoj meri aktivno i tokom trudnoće. Glavnu ulogu u pružanju hormonske podrške tokom trudnoće ima placenta. Placentalni hCG, a pored njega placenta je odgovorna i za sekreciju estrogena, progesterona i dr. Sekrecija hCG je povećana tokom prvih nedelja trudnoće, nakon čega se smanjuje, a sekrecija estrogena i progesterona raste sve do pred sam porođaj.

Humani horionski gonadotropin - hCG. hCG je glikoprotein izgrađen od galaktoze i heksozamina. Produkuje ga sinciciotrofoblast, a izgradjen je od α i β subjedinice, pri čemu je α subjedinica hCG identična je α subjedinici LH, FSH i TSH. hCG ima luteinizirajuće i luteotropno dejstvo, u manjoj meri ispoljava i FSH aktivnost, a efekte ostvaruje posredstvom receptora za LH. U krvi se može detektovati (RIA metodom) već šest dana nakon začeća, a njegovo prisustvo u urinu u ranoj trudnoći je osnova mnogih testova za utvrđivanje trudnoće. Pored ovoga, manje količine hCG sekretuju i jetra i bubreg fetusa, kao i različiti gastrointestinalni i drugi tumori kod oba pola.

Humani horionski somatotropin – hCS. Sinciciotrofoblast sekretuje i velike količine proteinskog hormona koji je laktogeničan i u manjoj meri ima stimulativno dejstvo na rast. Ovaj hormon naziva se humani horionski somatomamotropin (hCS), a ranije se nazivao i horionski hormon rasta-prolaktin (CGP) i humani placentalni laktogen (hPL). Njegova struktura je vrlo slična strukturi humanog hormona rasta i čini se da su ova dva hormona, zajedno sa prolaktinom, nastala od istog progenitornog hormona. U krvi majke prisutne su visoke koncentracije hCS, ali veoma male količine dospevaju u fetus. hCS ispoljava efekte slične onima koje ispoljava hormon rasta i funkconiše kao »majčinski hormon rasta trudnoće«. Prouzrokuje retenciju azota, kalijuma i kalcijuma, lipolizu, smanjenje iskorišćavanja glukoze u ovakvom stanju. Lipoliza i smanjeno iskorišćavanje glukoze usmreavaju glukozu ka fetusu. Količina hCS koja se sekretuje zavisi od veličine placente, koja je obično jedna šestina veličine fetusa, te stoga nizak nivo hCS ukazuje na insuficijenciju placente.

Ostali hormoni placente. Pored hCG, hCS, progesterona i estrogena, placenta sekretuje i druge hormone. Fragmenti humane placente veruvatno sekretuju PMOC jer je pokazano da u kulturi oslobadjaju CRH, β-endorfin, α-MSH i dinorfin A, a strukture ovih molekula su identične strukturama sekretovanih u hipotalamusu. Pored toga, produkuju se i GnRH i inhibin, a s obzirom da GnRH stimuliše, a inhibin inhibiše sekreciju hCG, ova lokalna produkcija GnRH i inhibina verovatno u parakrinom

maniru reguliše hCG sekreciju. Ćelije trofoblasta aminiona takodje sekretuju leptin (hormon sitosti), a mala količina ovog hormona ulazi i u cirkulaciju majke i amniotisku tečnost.Tačna funkcija leptina u fiziologiji trudnoće i razvoju fetusa se ne zna precizno. Placenta takodje produkuje razne forme prolaktina. Važno je napomenuti da placenta sekretuje i α subjedinicu hCG i da se nivo slobodne α subjedinice u cirkulaciji povećava tokom trudnoće. Ove subjedinice imaju dodatne karbohidratne grupe što ih čini ne dostupnim za kominaciju sa β subjedinicama, a prominentni nivo u cirkulaciji sugeriše da α subjedinice hCG imaju fiziološku funkciju ne zavisnu od heterodimera. Interesantno je i da se koncentracija cirkulišućeg prolaktina (sekretuju ga ćelije endometrijuma) povećava u toku trudnoće i da se čini da cirkulišuće a hCG subjedinice stimulišu endometrijalnu sekreciju prolaktina. Citotrofoblast humanog horiona sekretuje prorenin, a velika količina ovog prekursora renina je detektovana i u amnionskoj tečnosti. Tačna funkcija u fiziologiji trudnoće i razvoju fetusa nije potpuno i precizno definisana.

Fetoplacentalna jedinicaFetus i placenta interaguju u sintezi steroidnih hormona. Placenta sintetiše od holesterola pregnenolon i progesteron. Neka količina progesterona ulazi u fetalnu cirkulaciju i predstavlja supstrat za sintezu kortizola i kortikosterona u kori adrenalne žlezde fetusa. Pored toga, i pregnenolon ulazi u cirkulaciju fetusa i zajedno sa prisutnim pregnenolonom koji je sintetisan u fetalnoj jetri čine supstrate za sintezu dehidroepiandrosteron sulfata (DHEAS) i 16-hidroksidehidroepiandrosteron sulfat (16OH-DHEAS) u adrenalnoj žlezdi fetusa. Mali deo reakcija 16-hidroksilacije dešava se i u fetalnoj jetri. DHEAS i 16-OH-DHEAS se transportuju nazad u placentu gde DHEAS formira estradiol, a 16-OH-DHEAS formira estriol. Vodeći estrogen koji se formira je estriol, a imajući u vidu da je fetalni 16-OH-DHEAS vodeći supstrat za estrogene, koncentracija estriola ekskretovana u urinu mož biti praćena kao indeks stanja fetusa.

PorođajTrudnoća kod žene traje 270 dana. Razlika između tela uterusa i cerviksa postaje evidentna tek pred porođaj. Cerviks je kod negravidnih žena čvrst, a tokom trudnoće postaje mekši i širi se, dok se telo uterusa kontrahuje i izbacuje fetus. Precizan mehanizam svih faza porodjaja kod ljudi još uvek nije potpuno i precizno definisan. Jedan od faktora je povećanje cirkulišućih estrogena produkovanih od strane povećanog cirkulišućeg DHEAS. Povećanje nivoa estrogena u

20�

krvi čini uterus ekscitabilnijim, povećava broj poroznih veza između ćelija miometrijuma, izaziva povećanu produkciju prostaglandina, što dovodi do kontrakcije uterusa. Progesteron ima »smirujući« efekat na uterus, i kod neprimata njegov nivo u krvi se smanjuje pred porođaj. Povećava se produkcija fetalnog hipotlamičnog CRH, kao i placentalnog CRH, što dovodi do povećanja nivoa cirkulišućeg ACTH, a kao posledica toga se povećava nivo kortisola što ubrzava proces maturacije respiratornog sistema. Čini se da fetus bira vreme kada će biti rodjen povećanjem sekrecije CRH. Pored toga, broj oksitocinskih receptora u miometrijumu i decidui (endometrijum gravidnog uterusa) povećava se više od 100 puta tokom trudnoće, i dostiže maksimum u ranoj fazi porođaja. Estrogeni povećavaju broj oksitocinskih receptora, a i rastezanje uterusa pred kraj trudnoće može dovesti do povećanja broja receptora. Na početku porođaja nivo oksitocina u krvi nije povećan u odnosu na period pre porođaja (25 pg/mL). Moguće je da značajno povećanje broja oksitociniskih receptora uslovljava da uterus odgovara i na normalne koncentracije cirkulišućeg oksitocina. Pored toga, bar kod pacova, identifokovano je povećanje iRNK za oksitocin koje dostiže pik u vreme porodjaja, što sugeriše da i lokalno produkovani oksitocin ima udela u fiziologiji porodjaja. Pokazano je da progesteron relaksira glatke mišiće uterusa, inhibiše efekat oksitocina na glatku muskulaturu, redukuje formiranje poroznih veza izmedju mišićnih ćelije. Pokazano je da intramuskularna injekcija 17α-hidroksiprogesterona smanjuje incidencu za preveremeni porodjaj.

Kontrakcije uterusa na početku porođaja dilatiraju cerviks, a to je signal za povećano oslobađanje oksitocina. Nivo oksitocina u plazmi raste, te više oksitocina biva dostupno receptorima ya oksitocin na uterusu, što predstavlja pozitivnu povratnu spregu koja olakšava oslobađanje ploda. Oksitocin povećava kontraktilnost uterusa na dva načina: 1) direktinim delovanjem na glatke mišiće i 2) stimulacijom produkcije prostaglandina, koji omogućuju kontrakcije indukovane oksitocinom. Porođaj potpomažu i spinalni refleksi i voljne kontrakcije abdominalnih mišića.

LaktacijaMnogi hormoni su neophodni za potpuni razvoj mlečnih žlezda. Generalno, estrogeni su odgovorni za proliferaciju kanala mlečnih žlezda, a progesteron za razvoj lobulusa. Kod pacova je za razvoj mlečnih žlezda u pubertetu neophodan i prolaktin, ali još uvek nije poznato da li je tako i kod ljudi. Povećanje grudi tokom trudnoće je posledica visoke koncentracije cirkulišućih estrogena, progesterona, prolaktina, a verovatno i hCG, a kao rezultat potpunog lobuloalveolarnog razvoja dojki. Već u petom mesecu trudnoće, nešto mleka se sekretuje u kanale, ali te količine su male u poređenju sa talasom sekrecije mleka nakon porođaja. Nakon izbacivanja placente pri porođaju, dolazi do naglog opadanja koncentracije cirkulišućih estrogena i progesterona. Smanjenje nivoa estrogena inicira laktaciju. Prolaktin i estrogeni imaju sinergističko dejstvo na rast mlečnih žlezda, ali estrogeni antagoniziraju efekat prolaktina na produkciju mleka u dojkama. Čak je pokazano da kod žena koje ne žele da doje svoje bebe injiciranje estrogena može da zaustavi laktaciju. Sisanje provocira refleksno oslobađanje oksitocina, koji izaziva kontrakcije mioepitelijalnih ćelija koje leže duž zidova kanala, a rezultat je oslobađanje mleka kroz bradavicu. Refleksno oslobađanje oksitocina inicirano je dodirom bradavica i areola. Takođe, sisanje održava i pojačava sekreciju mleka, tako što je stimulacija sekrecije prolaktina proizvedena sisanjem. Dojenje, dakle, stimuliše sekreciju prolaktina, a prolaktin inhibiše sekreciju GnRH, inhibira dejstvo GnRH na adenohipofizu i antagonizira dejstvo gonadotropina na ovarijume. Zbog toga je ovulacija inhibisana, a ovarijumi su inaktivni tako da se sekrecija estrogena i progesterona svodi na veoma niske vrednosti.

20�

Slika 12.8. Hormonske promene u organiymu fetusa i majke pred porođaj

210

Fiziologija Endokrinog Sistema Invertebrata 13Hormoni Presvlačenja i Metamorfoze Kod Insekata

Značaj specijalizovanih neurosekretornih ćelija i organa je prepoznat kod beskičmenjaka mnogo pre nego kod kičmenjaka. Endokrine ćelije, posebno neurosekretorne ćelije su identifikovane kod svih grupa beskičmenjaka uključujući i primitivne beskičmenjake kao što su akvti;ni dupljari. Kod visoko organizovanih invertebrata fiziološke funkcije su pod kontrolom i endokrinog i nervnog sistema. Kao i kod kičmenjaka, nervni sistem služi za brzu komunikaciju, što je esencijalno kod aktivnosti kao što su bežanje, hranjenje, parenje i sl. Endokrini sistem proizvodi hormone koji kontrolišu sporije procese kao rast, sazrevanje i mnoge druge metaboličke funkcije. Nervni sistem ima direktnu i primarnu ulogu u hormonalnoj produkciji i blisko je povezan sa endokrinim sistemom. Izvor sekrecije su neurosekretorni organi i grupe neurona. Sekretovane supstance se prenose preko nervnih vlakana koja se najčešće završavaju u bliskoj vezi sa vaskularnim strukturama. Na tom mestu se formiraju neurohemalni organi u kojima se produkti sekrecije skladište i otpuštaju iz njih. Neurohemalni organi su široko rasprostranjeni, a normalna funkcija većine ili svih žlezda je zavisna od regulacije nervnog sistema, bilo direktno preko nervnih puteva ili preko hormonalnih mehanizama.

Hormoni i endokrina funkcija je najbolje izučena kod beskičmenjaka koji su morfološki najsloženiji. Jedan od razloga je što visoko organizovane životinje (npr. insekti) trebaju detaljniju kontrolu i integrisanost od manje organizovanih organizama (npr. morske sase). Drugi razlog je da su mnoge funkcije kod složenih organizama poverene

specijalizovanim organima. Slični ili istovetni molekuli glasnici kao i odgovarajući receptori, koji se nalaze kod kičmenjaka, su identifikovani kod jako različitih grupa beskičmenjaka, kao i kod jednoćelijskih organizama, što ukazuje na fundamentalnu sličnost biohemijskih mehanizama (npr. insulin, ili materije koje u radioimunološkim analizama identično reaguju na insulin, pronađeni kod insekata, annelida, mekušaca i jednoćelijskih eukariota; holecistokinin je pronađen kod puževa i sl).

Kao i kod kičmenjaka, mnoge funkcije beskičmenjaka takođe su hormonski regulisane (npr. promena boje tela, polaganje jaja, metamorfoza, metabolizam, rast, sazrevanje, smrt itd). Najbolje i najdetaljnije, od svih beskičmenjaka, su izučeni insekti zbog njihove dostupnosti, lakog sakupljanja, gajenja, razmnožavanja, njihove tolerancije na drastične hirurške zahvate i zbog njihovog ekonomskog značaja. Iako su insekti i pretstavnici kičmenjaka evolutivno divergentne vrste, njihovi endokrini sistemi su razvili brojne slične osobine (npr. metamorfoza insekata pokazuje da se principi endokrine regulacije kod kičmenjaka mogu primeniti i na beskičmenjačke vrste).

Insekti imaju odvojene polove. Tokom “udvaranja”, mužjak deponuje spermatozoide u ženskom reproduktivnom traktu, a do same fertilizacije ne dolazi tokom parenja već kasnije, neposredno pre nego što ženka položi jaja. Po izleganju iz jaja, insekti prolaze kroz različite stadijume razvića do dostizanja polne zrelosti, odnosno prolaze kroz metamorfozu (meta – promena; morph – struktura, forma).

211

13.1. METAMORFOZA INSEKATA MOžE BITI NEPOTPUN ILI POTPUN PROCES

Postoje dva osnovna tipa metamorfoze. Stenice, skakavci i bubašvabe prolaze kroz nepotpunu metamorfozu i nazivaju se hemimetabolnim insektima (hemi – delimično, postepeno; metabolous – promena). Kod ove grupe insekata juvenilne forme se nazivaju nimfe, slične su adultnim oblicima od kojih se razlikuju jedino po tome što su manje, a krila i reproduktivni organi im nisu potpuno razvijeni. Muve, leptiri i moljci pripadaju grupi holometabolnih insekata (holo – potpuno) i prolaze kroz potpunu metamorfozu. Kod ovih insekata, larva se razvija u lutku, a lutka u adulta. I larva i lutka se u potpunosti razlikuju od adultnog oblika. U slučaju hemimetabolnog razvoja, iz jajeta se razvija nimfa, koja prolazi kroz nekoliko razvojnih stupnjeva. Sa svakim stupnjem, epidermalne ćelije koje leže ispod kutikule sintetišu novu kutikulu. Stara kutikula se odbacuje (proces se naziva presvlačenje ili ecdysis), a nova izbija na površinu dok je još mekana i savitljiva. Da bi je uvećala, životinja uzima vazduh u prednje crevo i “naduvava se”. Vazduh vrši pritisak na telesnu tečnosti potiskuje je tako da ona protiče skoro pa pravolinijski, što potpomaže konačno uobličavanje spoljašnjih struktura, nakon čega kutikula očvrsne. Ovako uvećana kutikula obezbeđuje prostor za rast unutrašnjih organa do sledećeg presvlačenja. Periodi između dva razvojna stupnja nazivaju se instari. Hemimetabolne nimfe ukupno prolaze kroz četiri do osam instara, a njihov tačan broj je karakterističan za vrstu. Nakon poslednjeg instara razvija se polno zreo adult sa potpuno razvijenim krilima. Adultni oblici ne prolaze kroz dalje razvojne stadijume.

Slika 13.1. Holometabolni životni ciklus svilene bube Bombyx mori

U slučaju holometabolnog razvoja, iz jajeta se razvija larva. U zavisnosti od vrste, larve mogu biti gusenice ili magoti. Poput hemimetabolnih nimfi, i holometabolne larve prolaze kroz nekoliko razvojnih stupnjeva, pri čemu se formira nova kutikula, svaki put veća od prethodne. Nakon nekoliko presvlačenja larva se razvija u lutku, u kojoj većina larvalnih tkiva propada i zamenjuje se adultnim tkivima. Lutka ima mnogo tanju kutikulu od larve i adulta. Njenom metamorfozom nastaće polno zreo adultni oblik.

13.2. HORMONI I NEUROHORMONI KOJI KONTROLIšU METAMORFOZU INSEKATA

Metamorfozu insekata kontrolišu tri glavna hormona: protorakotropni hormon (PTTH, mali protein), ekdison (steroid) i juvenilni hormon (JH, terpen-derivat masnih kiselina).

Slika 13.2. Hemijska struktura JH i 20-hidroksi-ekdisona (aktivna forma ekdisona)

Iako se sam mehanizam metamorfoze razlikuje od vrste do vrste, pokazano je da ova tri hormona uvek deluju zajedno. Pored ovih, još nekoliko hormona igra značajnu ulogu u procesu presvlačenja i metamorfoze. bursikon je protein koga sekretuju neurosekretorne ćelije centralnog nervnog

212

sistema, i stimuliše tamnjenje i očvršćavanje novonastale kutikule. Pored toga, hormon eklosion (EH), pre-ekdisis-okidajući hormon (PETH; engl. pre ecdysis trigerr hormone) i ekdisis-okidajući hormon (ETH; engl. pre ecdysis trigerr hormone) su peptidi koji imaju značajnu ulogu u iniciranju signala koji kontrolišu uobičajene pokrete tokom presvlačenja. EH sekretuju neurosekretorne ćelije mozga, dok PETH i ETH sekretuju tzv. Inka ćelije traheja.

I kod hemimetabolnih i kod holometabolnih insekata, proces presvlačenja se inicira nervnim impuslima, a kao rezultat toga, neuroendokrine ćelije produkuju hormon PTTH. Kao i neuroendokrine ćelije kičmenjaka, ove ćelije primaju sinaptički signal, integrišu sinaptičku informaciju, i generišu akcioni potencijal koji pokreće sekreciju hormona procesom egzocitoze. Aksoni PTTH neuroendokrinih ćelija se protežu do parnih struktura koje su u bliskoj vezi s mozgom – corpora allata, gde se PTTH iz nervnih završetaka i oslobađa i dospeva u hemolimfu. Posredstvom nervnog sistema, presvlačenje stimulišu brojni signali kao što su dužina dana, temperatura, određeni oblici ponašanja. Neuroni koji detektuju ove pojave šalju ekscitatorne sinaptičke potencijale na PTTH ćelije u mozgu i stimulišu njihovu sekretornu aktivnost. PTTH putem hemolimfe dospeva do toraksa, gde stimuliše protorakalne žlezde na sintezu ekdisona.

Ekdison je prohormon koji se u različitim tkivima konvertuje u 20-hidroksiekdison. Glavno ciljno tkivo 20-hidroksiekdisona je epidermis, smešten neposredno ispod kutikule. 20-hidroksiekdison, poznat i pod nazivom β-ekdison ili hormon presvlačenja, stimuliše epidermis na sekreciju enzima koji razlažu staru kutikulu i sintetišu novu.

Juvenilni hormon (JH) održava juvenilne karakteristike životinje u razvoju. Oslobađa se iz endokrinih ćelija iz corpora allata. Dakle, corpora allata je istovremeno mesto neurosekretornog oslobađanja PTTH (neurohemalni organ) i endokrina žlezda koja sekretuje JH. Kada 20-hidroksiekdison deluje na epidermis i nivo JH u hemolimfi je visok, insekt će se razviti u sledeću, veću juvenilnu formu odnosno veću larvu (kod holometabolnih insekata) ili nimfu (kod hemimetabolnih insekata). Tokom poslednjih stadijuma larvalnog razvića, odnosno razvića nimfe, corpora allata postaje inaktivna, pa će i nivo JH u hemolimfi biti veoma nizak. Visok nivo 20-hidroksiekdisona, a nizak nivo JH u hemolimfi, rezultiraće razvijanjem lutke ili adultnog oblika. Kod holometabolnih insekata, ekdison nastavlja da

se sekretuje (i konvertuje u 20-hidroksiekdison) pri kraju stadijuma lutke. Zbog nedostatka JH, 20-hidroksiekdison inicira metamorfozu u adultni oblik.

Na koji način 20-hidroksiekdison i JH ostvaruju svoje efekte na ciljne ćelije? Oba hormona su liposolubilni, i kao takvi prolaze kroz ćelijsku membranu i vežu se za intracelularne receptore u ciljnim ćelijama. Kompleks hormon-receptor aktivira ili inhibiše transkripciju specifičnih gena. Insekti poseduju larvalne gene, gene lutke (kod holometabolnih oblika) i adultne gene. Kako životinja prolazi kroz životni ciklus, odgovarajuća kombinacija 20-hidroksiekdisona i JH kontroliše ekspresiju ovih gena, a proteini koji su njima kodirani utiču na funkcije ciljnih ćelija.

U laboratorijskim uslovima je moguće hirurški ukloniti corpora allata-u, a samim tim i izvor JH. Ukoliko se ova procedura izvede u ranim fazama razvića, umesto prelaska u novu juvenilnu formu, eksperimentalna životinja metamorfozira u veoma sitan, sterilan adultni oblik. Nasuprot ovome, larva ili nimfa u završnim fazama razvića može se tretirati dodatnim količinama JH, i to implantacijom corpora allata iz ranijih faza razvića ili apliciranjem JH na površinu tela. U ovom slučaju, eksperimentalne životinje ne metamorfoziraju u adultni oblik, već se razvijaju u džinovske larve ili nimfe.

EH, PETH i ETH su takođe esencijalni za razvoj insekata. Pri svakom presvlačenju, insekt mora da napusti svoju staru kutikulu. Napuštanje poslednje kutikule nimfe (kod hemimetabolnih insekata) ili larvalne kutikule (kod holometabolnih insekata) je od ključnog značaja za normalno preživljavanje i reprodukciju adulta, ka čemu se zapravo teži u svim prethodnim fazama životnog ciklusa. Oslobađanje stare kutikule omogućuju specifični pokreti životinje. Tako, rad mišića holometabolnih larvi omogućuje odvijanje veoma preciznih pokreta. Pre samog napuštanja kutikule, larva se na karakterističan način priprema za presvlačenje, što traje oko jedan sat (larva ispoljava tzv. pre-ekdisiono ponašanje odnosno, pripremu za presvlačenje, koje traje oko jedan sat). U ovom pripremnom periodu (pre-ecdysis), na dorzalnoj strani svakog segmenta započinju kontrakcije muskulature telesnog zida i postepeno zahvataju ventralnu stranu segmenata. Samo presvlačenje ili tzv. ekdisiono ponašanje, podrazumeva samo odbacivanje stare kutikule i traje oko deset minuta. Ono uključuje peristaltičke talase kontrakcija koji se kreću od zadnjeg ka prednjem delu tela. Slično ponašanje se javlja i prilikom presvlačenja na završetku instara i kod holometabolnih i kod hemimetabolnih insekata. Šta je signal za kontrakciju skeletnih mišića telesnog zida?

21�

Inka ćelije u trahejama sekretuju PETH i ETH. Ovi peptidi stimulišu neuronske mreže u centralnom nervnom sistemu, koje kontrolišu koordinisanu mišićnu aktivnost. PETH i ETH se oslobađaju pre svakog presvlačenja i kod hemimetabolnih i kod holometabolnih insekata. Sekretornu aktivnost Inka ćelija stimuliše hormon eklosion (EH), ali verovatno i druge endokrine i neuroendokrine supstance. Zapravo, nervna, neuroendokrina i endokrina aktivnost zajedno koordinišu fiziološke procese koji vode ka presvlačenju.

Nakon metamorfoze, adult je spreman za reprodukciju. Za uspešnu reprodukciju, corpora allata (koja pre poslednjeg presvlačenja postaje inaktivna i prestaje sa sekrecijom JH) ponovo počinje sa sekrecijom JH. Važno je napomenuti da JH adulta ima gonadotropno dejstvo, i stimuliše produkciju jaja i spermatozoida, kao i feromona koji su neophodni za samo parenje. JH stimuliše i sekreciju ekdisona, koji se kod adulta ne produkuje u protorakalnim žlezdama već u ovarijumima. Ekdison se konvertuje u 20-hidroksiekdison, i stimuliše masno telo (ima slične funkcije kao jetra kičmenjaka) na produkciju tzv. proteina žumančane kese koji se transportuju u ovarijume i inkorporiraju u jaja. Sa razvijanjem adulta koji su sposobni da produkuju gamete i emituju hemijske signale kojima privlače partnera, sve je spremno za započinjanje novog životnog ciklusa.

Slika 13.3. Najznačajnije nervne i endokrine strukture koje učestvuju u metamorfozi insekata(u tabeli 13.1. su dati produkti endokrine i neuroendokrine sekrecije)

21�

Hormon Vrsta molekula Vrsta signala Mesto sekrecije Ciljno tkivo Dejstvo

Protorako-tropnihormon (PTTH)

Protein (mol. masa oko 5000)

Neuro-endokrini

Mozak,aksonskizavršeci se protežu docorporaallata-e

Protorakalne žlezde Inicira presvlačenje tako što stimuliše oslobađanje ekdisona iz protorakalnih žlezda

Ekdison (hormon presvlačenja)

Steroid Endokrini Protorakalnežlezde larve/nimfe; ovarijum adulta

Epidermislarve/nimfe; masno teloadulta

Kada se konvertuje u aktivan 20-hidroksiekdison, promoviše ćelijske mehanizme za razlaganje stare i sintezu nove kutikule; stimuliše produkciju žumančanih proteina kod adulta

Juvenilni hormon (JH)

Terpen (derivat masnih kiselina)

Endokrini Corporaallata Epidermislarve/nimfe; ovarijum adulta

Sprečava formiranje adultnih struktura i pospešuje nastajanje larvalnih i struktura nimfe; kod adulta ima gonadotropno dejstvo

Hormoneklosion (EH)

Peptid Neuroendokrini Mozak Inka ćelije, moguće i druge ćelije

Stimuliše sekreciju PETH i ETH iz Inka ćelija

Pre-ecdysis okidajući hormon (PETH)

Peptid Endokrini Inka ćelije traheja Neuronske mreže u mozgu

Koordiniše pripremu za odbacivanje kutikule

Ecdysis okidajući hormon (ETH)

Peptid Endokrini Inka ćelije traheja Neuronske mreže u mozgu

Koordiniše finalne faze odbacivanja kutikule

Bursikon Velikiprotein(mol. masa oko 35000)

Neuro-endokrini

Mozak i moždano stablo Kutikulaiepidermis Tamnjenje i očvršćivanje nove kutikule

Tabela 13.1. Najznačajniji hormoni i neurohormoni koji kontrolišu metamorfozu insekata

21�

LITERATURNI IZVORI

Abbas AK & Lichtman AH (2002): Basic immunology. WB Saunders Company.Abbas AK & Lichtman AH (2003): cellular and Molecular immunology. WB Saunders Company.Bolander FF (2004): Molecular Endocrinology. Elsevier Academic PressConnMP & Means AR (2000) Principles of Molecular Regulation. Humana PressDavidović V (2003): Uporedna fiziologija životinja. Zavod za udžbenike i nastavna sredstva. BeogradGanong WF (2005): Review of Medical Physiology. Lange/WCB McGraw-Hill Companies.Germann WJ & Stanfield CL (2005): Principles of human Physiology. Pearson Education & Benjamin Cummings.Griffin EJ, Ojeda RS [2004]. Text Book of Endocrinology Physiology. Oxford University PressHill RW, Wyse GA & Anderson M (2004): Animal Physiology. Sinauer Associates.Junquiera LC & Crneiro J (2005): Basic histology. The McGraw-Hill Companies.Kovačević R, Kostić T, Andrić S & Zorić S (2005): Opšta fiziologija životinja. WUS Austria.Lodish H, Berk A, Matsudaira P, Kaiser CA, Krieger M, Scott MP, Zipursky LS & Darnell J (2004). Molecular cell Biology. WH Freeman and Company.Marić D, Stojiljković S (1990): Opšta fiziologija životinja. Prirodno-matematički fakultet, Univerzitet u Novom Sadu.Matavulj M, Kostić T & Andrić S (2005): Endokrinologija. WUS Austria.Randall D, Burggren W & French K (1997): Eckert Animal Physiology – mechanisms and adaptations. WH Freeman and Company.Rosenzweig MR, Breedlove MS & Watson NV (2005): Biological Psychology. Sinauer Associates.Schmidt-Nielsen K (1997): Animal Physiology – adaptation and environment. Cambridge Univerisity Press.Seeley RR, Stephens TD & Tate P (2000): Anatomy & Physiology. WCB Mc Graw-Hill CompaniesSilverthorn DU (2004): human Physiology. integrative aproach. Pearson Ed. & Benjamin Cummings.Sperelakis N (1998): cell Physiology. Academic Press.Willmer P, Stone G & Johnston I (2005): Environmental Physiology of Animals. Blackwell Publishing.

Autori:Silvana Andrić, Tatjana Kostić, Nebojša Andrić, Sonja Zorić

Izdaje:WUS AustriaDaniel PrintUniverzitet u Novom Sadu, Prirodno-matematički fakultet

Naslovnu sranu osmislili:NINI i TEJ

Grafičko oblikovanje:Predrag Nikolić

Štampa:Daniel Print

CIP - Каталогизација у публикацијиБиблиотека Матице српске, Нови Сад591.1(076.58)

Uporedna fiziologija životinja: skripta za studente biologije / Silvana Andrić... : [et. al.] - Austria :WUS, 2006 (Novi Sad : Daniel Print). - 228 str. : ilustr. ; 21 cm

Tiraž: 200.

ISBN86-7031-074-01. Andrić, Silvanaa) Životinje - Fiziologija

COBISS.SR-ID 209860615