Élettani folyamatok PDF

1 TARTALOMJEGYZÉK Bevezető.........................................................................................................................5 Belső környezet és homeosztázis.............................................................................

1 TARTALOMJEGYZÉK Bevezető.........................................................................................................................5 Belső környezet és homeosztázis...............................................................................9 Homeosztázis..........................................................................................................10 A homeosztázis fenntartása..................................................................................12 Sejthártya.................................................................................................................13 Jelátvivő utak..........................................................................................................17 Vízterek....................................................................................................................20 Cserefolyamatok.....................................................................................................23 Anyagszállítás a sejthártyán át........................................................................23. os til Diffúzió................................................................................................................24 n úa Ozmózis...............................................................................................................26 or ig sz Kolloid‐ozmotikus nyomás..............................................................................29 s té Sav‐bázis egyensúly...........................................................................................31 sz rje A vér élettana..............................................................................................................36 te és A vér összetétele.....................................................................................................37 s á ol Plazmafehérjék.......................................................................................................38 ás im A vér alakos elemei................................................................................................41 ül lk né Vörösvértestek............................................................................................................42 ély A vörösvértestek termelődésének szabályzása..................................................44 ed ng A vörösvértestek alakja.........................................................................................46.E tra Hemoglobin............................................................................................................49 la ná A hemoglobin lebomlása.......................................................................................51 sz ha Vasanyagcsere........................................................................................................54 ő ls be Vércsoportok...........................................................................................................56 k sa A vörösvértestek szerepe......................................................................................59 C Fehérvérsejtek és az immunrendszer......................................................................62 Az immunvédekezés (immunválasz)..................................................................64 Az immunválaszban résztvevő sejtek és kölcsönhatásaik...............................66 Antigén‐bemutatás – MHC antigének................................................................70 A veleszületett immunitás sejtjei.........................................................................71 Makrofág.............................................................................................................71 Masztocita (hízósejt)..........................................................................................76 Eozinofil granulocita.........................................................................................79 Neutrofil granulocita.........................................................................................81 NK sejt.................................................................................................................84 Bazofil granulocita.............................................................................................84 2 A veleszületett immunitás végrehajtó mechanizmusai....................................85 Komplement.......................................................................................................85 Gyulladás............................................................................................................88 A szerzett immunválasz sejtjei és végrehajtó mechanizmusai........................90 Humorális szerzett immunitás.........................................................................91 Az immunglobulinok szerkezete................................................................92 Klonális szelekció..........................................................................................95 Elsődleges és másodlagos humorális immunválasz.................................97 Az immunrendszer végrehajtó mechanizmusai – celluláris immunválasz....................................................................................................100 Citotoxicitás..................................................................................................100 Immuntolerancia és immunvigilencia..........................................................100. os A szervátültetések immunológiai háttere................................................101 til n Hemosztázis..............................................................................................................103 úa or Trombociták – vérlemezkék................................................................................105 ig sz Véralvadás (koaguláció)......................................................................................108 té s sz Alvadásgátlás...................................................................................................111 rje te Fibrinolízis.............................................................................................................114 és s A hemosztázis szabályzása.................................................................................115 á ol ás A légzés élettana.......................................................................................................116 im ül Ventiláció...............................................................................................................120 lk né A tüdőtérfogatok mérése................................................................................121 ély ed Perfúzió..................................................................................................................125 ng.E Gázcsere.................................................................................................................126 tra la A légzés szabályzása............................................................................................128 ná sz A kiválasztás.............................................................................................................131 ha ő A vese élettana......................................................................................................132 ls be A vese működésének vizsgálata – clearance................................................134 k sa C Glomeruláris funkció.......................................................................................135 Tubuláris funkció.............................................................................................137 A vese hígító és koncentráló működése.......................................................139 A vese szerepe a sav‐bázis egyensúly fenntartásában...............................144 A keringési készülék................................................................................................146 A szív élettana.......................................................................................................149 A szív mechanikai működése. Pumpafunkció............................................150 Szívhangok........................................................................................................152 A szív elektrofiziológiája................................................................................155 A szívizomsejtek akciós potenciálja..........................................................157 Ioncsatornák.................................................................................................159 Ingervezetés a sejtmembránon..................................................................162  3 Ingervezetés rostról rostra..........................................................................164 Ingervezetés az egész szíven......................................................................165 Ingerképzés a szívben.................................................................................168 A szív alkalmazkodása a terheléshez............................................................171 Elasztikus szint.....................................................................................................173 Rezisztív szint.......................................................................................................176 A vérnyomás szabályzása...............................................................................177 Csereszint..............................................................................................................182 Kapacitív szint......................................................................................................183 Nyirokkeringés.....................................................................................................185 Idegi szabályzás........................................................................................................187 Az idegsejt (neuron).............................................................................................189. os Sejttest................................................................................................................189 til n Axon...................................................................................................................190 úa or Dendritek..........................................................................................................192 ig sz Szinapszis..........................................................................................................195 té s sz Főbb neurotranszmitterek...................................................................................199 rje te Szenzoriális rendszerek.......................................................................................204 és s Fájdalomérzékelés (nocicepció).....................................................................204 á ol ás Perifériás szint..............................................................................................205 im ül A fájdalominger vezetése...........................................................................206 lk né Gerincvelői szint..........................................................................................207 ly é ed Agyi szint......................................................................................................209 ng.E Kóros fájdalom.............................................................................................211 tra la Zsigeri fájdalom...........................................................................................211 ná sz Kezelési elvek...............................................................................................212 ha ő Motoros rendszer. Mozgásszabályzás...............................................................213 ls be A mozgásszabályzás szintjei..........................................................................214 k sa C Endokrin szabályzás................................................................................................220 Hipofízis................................................................................................................222 Növekedési hormon........................................................................................223 Prolaktin............................................................................................................226 A hátsó lebeny hormonjai...............................................................................227 Oxitocin.........................................................................................................227 ADH (antidiuretikus hormon, vazopresszin)..........................................228 Pajzsmirigy............................................................................................................229 Hasnyálmirigy......................................................................................................234 Inzulin................................................................................................................234 Glukagon...........................................................................................................236 Mellékvese.............................................................................................................237 4 Nemi hormonok...................................................................................................242 A menstruációs ciklus és szabályzása...........................................................242 A placenta (méhlepény) endokrin működése..............................................247 Hormonális fogamzásgátlás...........................................................................248 Az emésztőkészülék élettana..................................................................................249 A gyomor‐bél traktus működésének szabályzása...........................................250 A tápcsatornai szekréció tulajdonságai.............................................................252 A tápcsatorna motoros működése.....................................................................253 A táplálkozásra adott integrált válasz...............................................................255 Feji szakasz.......................................................................................................255 Szájüregi szakasz.............................................................................................255 A nyáltermelés.............................................................................................256. os A nyelés.........................................................................................................256 til n Nyelőcső szakasz.............................................................................................257 úa or Gyomor szakasz...............................................................................................258 ig sz A gyomor szekretoros működése.............................................................258 té s sz A gyomor mozgásai....................................................................................261 rje te Emésztés a gyomorban...............................................................................263 és s Vékonybél szakasz...........................................................................................264 á ol ás Hasnyál‐termelés.........................................................................................264 im ül A máj működése és szerepe.......................................................................265 lk né Emésztés és felszívódás a vékonybélben.................................................268 ly é ed A vékonybél motoros mintázatai..............................................................270 ng.E Vastagbél...........................................................................................................271 tra la Székletürítés..........................................................................................................273 ná sz Tárgymutató..............................................................................................................275 ha ő Rövidítések jegyzéke................................................................................................280 ls be k sa C  5 BEVEZETŐ Az élettan (fiziológia) az élő szervezetek működésével, valamint a működés szabályozásával foglalkozó tudomány. Az élettan azokat a fizikai, kémiai és biológiai jelenségeket tanulmányozza, amelyek lehetővé teszik az élet kialakulását, fennmaradását, fejlődését és alkalmazkodását (adaptáció) a környezeti változásokhoz. A szervezet életben maradása komplex szabályzási rendszerek működésének eredménye. A humán élettan az egészséges szervezet működésével foglalkozik, azon jellemzőknek a leírásával, illetve magyarázatával, amelyek az emberi szervezetet élővé teszik. Az élőlényeknek van néhány fontos tulajdonsága, amely megkülönbözteti őket. os til az élettelen anyagtól: n úa ingerelhetőség or ig légzés sz s té emésztés és/vagy felszívás sz rje kiválasztás te és növekedés és regenerálódás ás ol szaporodás ás im mozgás ül lk né Ezek a tulajdonságok, habár eltérő súllyal jelentkeznek, minden élő ly é szervezetet számára létfontosságúak. ed ng.E tra A szervezet a külső és belső hatások miatt állandó változásban, la ná fejlődésben van, az élettan leírja a változások dinamikáját. sz ha A szervezet normális működésének megismerése szükséges a kóros ő ls be működéseknek és a betegségek kórélettani alapjának, illetve a gyógyszerek k sa hatásmechanizmusának megértéséhez. Ez képezi majd az alapját a betegségek C gyógyításának, a beteg szakszerű ápolásának. Az emberi test szerveződése két szempontból vizsgálható: működés szerint, ez az élettan tárgyköre, illetve szerkezet szerint, vagyis morfológiai, anatómiai szempontból. A két megközelítés nem zárja ki egymást, hanem ellenkezőleg, a szerkezet meghatározza a működést, a működés pedig visszahat a szerkezetre. Az emberi szervezetet tanulmányozva több szerveződési szintet írhatunk le. A legalacsonyabb az atomok szintje. A természetben előforduló kémiai elemek közül mintegy 30 található meg a szervezet felépítésében, egyesek nagyobb mennyiségben (szén, oxigén, nitrogén, hidrogén, foszfor, kén), mások csak nyomokban (vas, réz, stb.). 6 Az atomok egymással összekapcsolódva molekulákat hoznak létre, ezek lehetnek szervetlen és szerves vegyületek. A szervezetben megtalálható szerves anyagok sokfélék az egyszerű, kis molekuláktól kezdve a makromolekulákig (szénhidrátok, zsírok, fehérjék, nukleinsavak). A sejt az élő szervezetek alapvető egysége. A sejtek felépítése, működése és biológiai szerepe jelentősen eltérhet egymástól, de minden sejtre azonos alapvető működések jellemzőek. A sejtek sajátos funkciót ellátó alegységei a sejtszervecskék: sejtmag – fő szerepe a sejt genetikai anyagának a tárolása, valamint a gének kifejeződésének szabályozása; mitokondriumok – ezek termelik a sejtműködésekhez szükséges energia nagy részét; endoplazmatikus retikulum – zsákszerű kitüremkedésekből és széles. os til n lemezrendszerekből álló, összefüggő membránstruktúra, amely belső úa or tereket határol el a citoplazmán belül; sima és durva felszínű ig sz (szemcsés) formái vannak; a durva felszínű a fehérjeszintézis helye, a té s sz sima felszínűben lipidek, membránok képződnek, kalciumot raktároz; rje te riboszómák – szintjén történik a fehérjeláncok szintézise, a és s citoplazmában szabadon vagy az endoplazmatikus retikulumhoz kötve á ol ás találhatóak; im ül Golgi‐készülék – sima felszínű membránnal határolt üregekből áll, itt a lk né sejt fehérjéinek és lipidjeinek előkészítése és membránba csomagolása ly é ed történik ng.E lizoszómák – a Golgi‐készülékről válnak le, a sejten belüli emésztéshez tra la szükséges enzimeket tartalmazzák; ná sz sejtközpont (centriolum) – mikrotubulusból áll, szerepe van a sejt ha ő mozgásaiért felelős sejtvázelemek koordinálásában, a csillók ls be képzésében és a sejtek osztódásának irányításában; k sa C sejtváz – mikrotubulusok és kontraktilis filamentumok hálózatából áll, a sejt alakjának fenntartásáért és a sejt aktív mozgásaiért felelős. A sejtszervecskék a citoplazmába vannak beágyazva, a citoplazma (habár morfológiailag szerkezet nélkülinek tűnik) jól szervezett molekuláris felépítéssel bír. A többsejtű szervezetek esetében bizonyos sejtcsoportok egyes funkciók elvégzésére specializálódtak. A specializált szerkezet és működés fokozatos kialakulása a differenciálódás, amely a más irányba való fejlődés képességének fokozatos elvesztésével jár. Egy adott funkció ellátására szakosodott sejtek szövetet alkotnak. Az emberi szervezetet felépítő szövetek négy csoportba oszthatók:  7 hámszövet: fedőhám, mirigyhám, érzékhám; kötőszövet: tulajdonképpeni kötőszövet, vér, csontszövet, porcszövet; izomszövet: simaizom, vázizom, szívizom; idegszövet. A szervek többféle szövettípus által alkotott működési egységek. Minden szerv egy‐egy jellegzetes funkció betöltésére szakosodott. A szervek felépítés szerint két nagy csoportba oszthatók. A csöves szervek (keringési készülék, légutak, tápcsatorna, stb.) több szövetrétegből állnak: belső hámréteg, alatta kötőszövettel több izom‐ és kötőszöveti réteg által alkotott középső réteg külső hámborítás és kötőszövet A parenchimás szerveknek (máj, petefészek, stb) kötőszövetes tokja és. os kötőszövetes váza (stroma) van, a váz egyre finomabb sövényeket képez, a til n sövények közt található a specifikus működést biztosító sejtek (parenchyma). úa or Ezeken az általános jellemzőkön kívül a szervek szerkezete ig sz nagymértékben adaptálódik a működéshez. té s sz Egy bizonyos életműködés ellátását végző szervek szervrendszert rje te képeznek (1. táblázat) és ás ol ás im 1. táblázat. A szervezet szervrendszerei és ezek főbb funkciói ül lk Szervrendszer Fő funkció né ly é keringési készülék vér szállítása a különböző szövetek közt ed ng emésztő készülék emésztés, tápanyagok, ásványi anyagok, víz.E tra felszívása la ná légzőkészülék gázcsere, sav‐bázis egyensúly szabályzása sz ha kiválasztó készülék vérplazma összetételének szabályzása, ő ls be salakanyagok, elektrolitok, víz kiválasztása k sa csont‐ és izomrendszer támasztó, védő szerep, mozgás C köztakaró védő szerep (sérülés, kiszáradás, kórokozók ellen), hőszabályzás immunrendszer kórokozók elleni védelem szaporító készülék csírasejtek termelése, nőknél az embrió és magzat fejlődésének biztosítása endokrin rendszer szabályzó szerep, a szervezet működésének összehangolása idegrendszer szabályzó szerep, a külső és belső környezet változásainak észlelése, mozgásszabályzás, tudat, tanulás, gondolkodás 8 A szervrendszerek összehangolt működése biztosítja a szervezet egészének, mint egységnek, illetve az egyes sejteknek megfelelő működéséhez szükséges feltételeket. A szervezet egyes sejtjeinek megfelelő működéséhez állandó környezet szükséges, ami a környezettel való intenzív csere révén valósul meg. A sejtek környezetének állandóságát homeosztázisnak nevezzük, a homeosztázis fenntartása pedig az egészség alapfeltétele.. os til n úa or ig sz s té sz rje te és ás ol ás im ül lk né ly é ed ng.E tra la ná sz ha ő ls be k sa C  9 BELSŐ KÖRNYEZET ÉS HOMEOSZTÁZIS Az élő szervezet működési egysége a sejt. A szervezet megfelelő működésének alapfeltétele az egyes sejtek megfelelő működése. Habár a szervezet egyes sejtjei jelentősen különbözhetnek egymástól, alapvető jellemzőik közösek, például a sejtek oxigén jelenlétében képesek energiát felszabadítani a tápanyagokból, illetve a bennük lezajló biokémiai folyamatok során képződő salakanyagokat a környezetükbe juttatják. A sejtek a működésükhöz szükséges anyagokat az őket körülvevő folyadékból veszik fel. A sejtek akkor képesek a rájuk jellemző működésre, ha a környezetükben megfelelő mennyiségű oxigén, ionok, glükóz és egyéb tápanyag található, illetve más anyagok (salakanyagok, anyagcseretermékek) nem halmozódnak. os til fel. Az ősi egysejtű élőlények az őstengerben éltek, ez stabil külső környezetet n úa jelentett, és lehetővé tette az állandó cserét az élőlény és külső környezete közt. or ig sz Többsejtű élőlények esetén nem minden sejt érintkezik a külső s té környezettel, a sejtek az úgynevezett belső környezettel vannak kapcsolatban. sz rje A belső környezet tulajdonképpen az extracelluláris tér (szövetnedv és te és vérplazma), ami minden sejtet körülvesz, ez tartalmazza az életben ás ol maradásukhoz szükséges tápanyagokat és ionokat. A belső környezet ás im összetételére jellemző egy dinamikus egyensúly, a jellemző paraméterei ül lk né időben nem változnak lényegesen, de állandó cserekapcsolatban van a ly é sejtekkel és a vérrel. A többsejtű élőlényeknek keringési rendszerre van ed ng szükségük, hogy a sejtekhez eljussanak a tápanyagok, illetve a salakanyagok.E tra eltávolítására. la ná A belső környezet kialakulása ugyanakkor lehetővé tette az élő szervezetek sz ha nagyobb függetlenségét a külső környezet változásaitól. ő ls be k sa C 10 Homeosztázis Homeosztázisnak nevezzük az élő, többsejtű szervezetek azon képességét, hogy megőrizzék belső környezetük állandóságát a változó külső és belső környezeti hatások ellenére. Mindez feltételezi, hogy képes a külső és a belső környezetének változásait detektálni különféle érzékelőkkel (receptorokkal), és az életfolyamatait ennek függvényében úgy változtatni, hogy a belső környezete ne változzon meg számottevően. A szervezet minden sejtje, szerve, szervrendszere valamiképpen hozzájárul a belső környezet állandóságának fenntartásához. Ezek működését az endokrin rendszer és az idegrendszer hangolja össze. A homeosztatikus mechanizmusokat a belső környezet egy paraméterének változása váltja ki.. os til A belső környezet összetétele nem teljesen állandó, egyes paraméterei n úa szűk vagy tágabb határok közt változhatnak. Ezt többféleképpen lehet or ig sz jellemezni: té s normál érték: az egészséges egyedek csoportjából vett minta átlagértéke sz rje normális tartomány (referencia‐tartomány):a normális tartomány alsó te és és felső határa – az egészséges egyedek 95%‐ának az értékei ide ás ol ás tartoznak im A belső környezet állandóan változik a sejtek normális működése miatt ül lk né is, illetve a külső környezet változásai, sérülések, betegségek miatt. A szervezet ly é önszabályzó visszacsatolási (feedback) mechanizmusokkal védekezik a nagy ed ng kilengések ellen. Negatív feed back esetén a változás ellenirányú változást hoz.E tra létre, ezáltal visszaáll a kiindulási érték. la ná sz ha A visszacsatolás (feedback) olyan biológiai szabályzó mechanizmus, amelyben ő ls be egy folyamat eredménye (kimenete) visszahat a folyamatra (1. ábra). k sa Negatív visszacsatolás esetében a folyamat eredménye gátolja az őt C létrehozó folyamatot. Ha a végtermék mennyisége nő, a folyamat intenzitása lecsökken. Ha a végtermék mennyisége csökken, a folyamat gátlás is csökken, vagyis az intenzitása megnő. Így a végtermék mennyisége bizonyos határok közt marad. A negatív visszacsatolás homeosztatikus jellegű. Pozitív visszacsatolás esetében a folyamat eredménye serkenti az őt létrehozó folyamatot. Ezáltal a rendszer teljesítménye nő. A pozitív visszacsatolás elősegítheti, hogy a rendszer átlépjen egy másik állandósult állapotba. A pozitív feedback egy magasabb szabályzási szinten mindig negatív visszacsatolással társul.  11 1. ábra. Negatív (balra) és pozitív (jobbra) visszacsatolás. os til n úa A betegségeket tekinthetjük a homeosztázis felbomlásának is. Azonban a or ig homeosztázis mechanizmusai betegségek esetében is működnek, és fenntartják sz s té a létfontosságú funkciókat többszintű kompenzáció révén. A kompenzáció sz rje néha annyira eltávolíthatja a szervezet egyes működéseit a normál te és tartományból, hogy nehéz elkülöníteni a betegség elsődleges okát a ás ol kompenzáló mechanizmusoktól. Az élettani folyamatok megváltozását ás im betegség esetén a kórélettan tanulmányozza. ül lk né ly é ed ng.E tra la ná sz ha ő ls be k sa C 12 A homeosztázis fenntartása Ahhoz, hogy a szervezet alkalmazkodni tudjon a külső és belső környezet változásaihoz, a sejtek, szervek és szervrendszerek együtt kell működjenek. Az együttműködés az idegi és humorális szabályzás révén jön létre. Az idegi szabályzás során kialakuló válaszok gyorsak, jól lokalizáltak, ezért megfelelőek a környezettel való kapcsolattartásra. A humorális szabályzás során lassú, diffúzabb válaszok alakulnak ki, így a humorális szabályzásnak elsősorban a homeosztázis fenntartásában van szerepe. A humorális szabályzás jelzőmolekulák révén valósul meg, amelyek folyadék közvetítésével jutnak el a célsejthez. A jelzőmolekulák csak azon sejtek működését befolyásolják, amelyek a jelzőmolekulát specifikusan. os til megkötni képes fehérjéket (receptorokat) tartalmaznak (célsejtek). n úa A humorális szabályzás típusai (2. ábra): or ig sz endokrin szabályzás – esetében a jelzőmolekula távoli sejtekre hat, té s amelyekhez vér útján jut el sz rje parakrin szabályzás – esetében a jelzőmolekula kis távolságra levő te és sejtekhez jut el szövetnedv révén ás ol autokrin szabályzás – esetében a jelzőmolekula az őt termelő sejtre hat ás im ül lk né ly é ed ng.E tra la ná sz ha ő ls be k sa C 2. ábra. A humorális szabályzás típusai  13 Sejthártya A élő szervezet morfo‐funkcionális egysége a sejt. A sejtet vizes közeg veszi körül (extracelluláris tér) és a sejt maga is vizes közeget tartalmaz (intracelluláris tér). A két közeg összetétele jelentősen különbözik, a különbségek szükségesek a sejt működéséhez. A sejthártya elválasztja a két folyadékteret, megakadályozza keveredésüket és működése létrehozza és fenntartja különböző összetételüket, egyúttal szabályozott kapcsolatot biztosít a sejt belseje és a szövetköz között. A szervezet fő oldószere a víz. A víz több tulajdonsága is alapvetően meghatározza a szervezet működését:. os til a vízmolekula polarizált, ezért poláros molekulákat kitűnően old, n úa a víz fajhője nagy, ezért nagy hő közlés kell kis hőmérsékletváltozás or ig sz eléréséhez, így a víz termikusan stabilan tartja a szervezetet, té s a víz párolgáshője nagy, így kevés víz elpárologtatása is sok hőt von el, sz rje a víz részt vesz a fehérjék szerkezetében (a fehérjék harmadlagos te és szerkezetének, konformációjának meghatározásában van szerepe). ás ol ás im ül lk A SEJTHÁRTYA SZERKEZETE né ly é ed ng A sejthártyát kettős zsírréteg (lipidréteg) alkotja, mely főként foszfolipid.E tra molekulákból áll. A foszfolipid molekulákat egy glicerin (glicerol)‐molekula la ná alkotja, amelyhez két zsírsav kapcsolódik észterkötéssel, illetve a harmadik sz ha szénatomra egy fosztátcsoport és egy kis szerves molekula kapcsolódik (3. ő ls ábra). be k sa Vizes közegben a foszfolipidek két lehetséges stabil szerkezetbe C rendeződhetnek: poláros feji részükkel kifelé fordulva micellákat képeznek, vagy kettősrétegbe rendeződnek. Ez utóbbi elrendeződés jellemzi a biológiai membránokat (3. ábra). Az ilyen membrán átjárható apoláros molekulák számára, de a poláros molekulák és ionok nem képesek a membrán hidrofób közepén átjutni. Ezért a kettős lipid membrán víz és hidrofil molekulák számára átjárhatatlan. A sejtmembrán kettős lipid rétegébe sokféle fehérjemolekula van ágyazva, amelyek a sejthártya külső vagy belső felszínén találhatóak, vagy átérnek a membrán teljes vastagságán (transzmembrán, integrált fehérjék). Az extra‐ és intracelluláris tér között szükséges kapcsolatot a transzmembrán fehérjék biztosítják. 14. os til n úa or ig sz s té sz rje te és ás ol ás im ül lk né ly é ed ng.E tra la ná sz 3. ábra. A. A foszfolipidek szerkezete. B. A sejtmembrán szerkezete. ha ő ls be A transzmembrán fehérjék legfontosabb jellemzői: k sa C laterális mobilitás – a sejthártyában oldalra el tudnak mozdulni, ennek megakadályozására a transzmembrán fehérjék nagy része ki van horgonyozva a sejtvázhoz (citoszkeleton), így a sejtváz meghatározza a membránfehérjék eloszlását (például a sejt apikális vagy bazális pólusán), struktúrvizet tartalmaznak, mint minden fehérje. A transzmembrán fehérjéket funkciójuk szerint négy nagy csoportba oszthatjuk (4. ábra). A carrierek olyan transzmembrán fehérjék, melyek egy vagy több anyagot szállítanak (ionokat vagy semleges molekulákat). Azokat a carriereket, melyek csak egy anyagot szállítanak, uniporternek nevezik. A sejthártyán át többféle molekulát szállító carriereket kotranszporternek nevezik. Ez lehet  15 antiporter, ha az anyagokat különböző irányba szállítja (egyiket a sejtbe be, a másikat a sejtből ki), vagy szimporter, ha az anyagokat ugyanabba az irányba szállítja.. os til n úa or ig sz s té sz rje te 4. ábra. A membránfehérjék osztályozása. A. A membránfehérjék és ás típusai (balról jobbra: ioncsatorna, carrier, ionpumpa, receptor) és a ol ás im receptor aktiválásának lehetséges intracelluláris hatásai. B. A ül lk né carrierek típusai. ly é ed ng.E Az ioncsatornák vizes csatornát hoznak létre a sejthártya két oldala közt. tra la Ezen a vizes csatornán át ionok jutnak át a sejthártyán. Az ionok szállítása ná sz nagyobb koncentrációjú közeg felől a kisebb koncentráció felé történik ha ő (koncentráció‐gradiens irányában). A szállítás energiafelhasználás nélkül ls be történik (passzív transzport). Az ioncsatornák egy része szelektív (csak egy k sa C adott ion juthat át rajta, pl. Na+‐ vagy K+‐csatorna), míg mások vegyes ionáramot vezetnek. A csatornák működése révén a két közeg közti koncentráció‐különbség csökken. Az ionpumpák szintén ionokat szállítanak, de a kisebb koncentrációjú közegből a nagyobb koncentrációjúba (koncentráció‐gradiens ellenében). Az ionpumpák működésük során energiát használnak fel (aktív transzport), amelyet az makroergiás foszfátkötések (ilyenek találhatóak pl. az ATP molekulában) hidrolíziséből nyernek. Az ionpumpák működése következtében a két közeg közti koncentráció‐különbség nő. A sejtfelszíni receptorok olyan transzmembrán fehérjék, melyek külső (extracelluláris) része jelzőmolekulát köthet. A jelzőmolekula (ligand) megkötése specifikus, a ligand úgy talál a receptorhoz, mint kulcs a zárba. A 16 jelzőmolekula nem kerül be a sejtbe, hanem megváltoztatja a receptor‐ molekula térszerkezetét (konformációját). A receptor‐molekula intracelluláris részének konformáció‐változása több lehetséges módon okozhatja a sejt működésének a megváltozását: az ingerelhetőség módosításával vagy egy másik jelzőmolekula, a másodlagos hírvivő (second messenger) keletkezésével, illetve felszaporodásával a sejtben. A másodlagos messenger anyag hathat egyéb transzmembrán molekulákra vagy intracelluláris folyamatokra, illetve protein‐kináz enzimeket aktiválhat. Az ATP (adenozin trifoszfát) adenozinból (adenin és ribóz) és három fosztátcsoportból épül fel. A második és harmadik foszfátcsoport nagy energiájú (makroerg) kötéssel kapcsolódik (5. ábra). Az ATP hidrolízise során. os így energia szabadul fel, amit egyéb kémiai reakciókban használódik fel, til n lehetővé téve a sejt életműködéseit. úa or A sejtek energiaforrását bizonyos anyagok képezik (glükóz, glikogén, ig sz zsírsavak, stb.), ezek lebomlása során keletkező energia makroerg kötések s té sz formájában tárolódik. A biokémiai folyamatokban közvetlenül felhasználható rje te energia az ATP hidrolíziséből származik, de más anyagok is raktároznak és s energiát (például a kreatin‐foszfát). á ol ás im ül lk né ly é ed ng.E tra la ná sz ha ő ls be k sa C 5. ábra. ATP és hidrolízise. A makroerg kötések pirossal vannak jelölve. ADP – adenozin difoszfát, AMP – adenozin monofoszfát. Az ATP adenilát cikláz (AC) enzim hatására gyűrűs szerkezetű cAMP (ciklikus AMP) molekulává alakul, aminek fontos szerepe van egyes intracelluláris jelátvivő mechanizmusokban. Hasonló molekula a GTP (guanozin trifoszfát), ami egy makroerg kötés felbomlásával GDP‐vé (guanozin difoszfát), illetve GC (gualitát cikláz) hatására cGMP‐vé (ciklikus GMP) alakulhat.  17 Jelátvivő utak Jelátvivő úton azt a folyamatot értjük, amely során egy külső hatás változást idéz elő a sejt működésében. A külső hatást általában valamilyen extracelluláris jelzőmolekula közvetíti, amelyet specifikus receptor köt meg. A ligand megkötése egy intracelluláris kaszkádot aktivál, amely felerősíti a hatást és több lépésen át közvetíti az effektor molekulákhoz. A változás előidézésének módja (valamint a molekuláris szerkezet) szerint a receptorok négy nagy családra oszthatók (6. ábra): ionotrop receptorok (ligand‐aktivált ioncsatornák) metabotrop receptorok (G‐proteinhez csatolt receptorok) enzimekkel kapcsolt receptorok. os til intracelluláris (mag‐) receptorok n úa or ig sz s té sz rje te és sá ol ás im ül lk né ly é ed ng.E tra la ná sz ha ő ls be k sa C 6. ábra. Receptorcsaládok és jelátviteli mechanizmusok. (L – ligand, R – receptor, E –enzim, G – G‐protein). 1. ionotrop receptor, 2. metabotrop receptor, 3. enzimekkel kapcsolt receptor, 4. magreceptor. Az ionotrop receptorok tulajdonképpen ioncsatornák, ligand kötőhellyel. A ligand kötése megváltoztatja az ioncsatorna működését, a vezetett ionáram 18 pedig a sejthártya ingerelhetőségét, így hozva létre a sejtszintű hatást. A jelátvitel nagyon gyors (msec időtartamú). A metabotrop receptorok a sejthártya belső felszínére kihorgonyzott G‐ proteineket aktiválnak. A G‐fehérjék három alegységből állnak, GTP/GDP‐t kötnek. A G‐proteinek különböző intracelluláris jelzőmolekulák (másodlagos messengerek, hírvivők) termelését befolyásolják, vagy Ca2+‐csatornákat nyitva emelik az intracelluláris Ca2+‐koncentrációt. A másodlagos messengerek közvetlenül vagy foszforiláció révén számos enzimet és egyéb fehérjét aktiválnak. A metabotrop receptorok által közvetített hatás gyors, néhány másodperc alatt kialakul. A receptorok harmadik csoportja közvetlenül enzimekhez kapcsolódik vagy intracelluláris része enzimhatású. Az aktivált enzimek közvetlenül vagy. os másodlagos messengeren (pl. cGMP – ciklikus GMP) keresztül különböző til n foszforilációs kaszkádokat indítanak el, amelyek végül a génátírást úa or befolyásolják. Ilyen receptorok közvetítik a sejtosztódást, differenciálódást, ig sz növekedést előidéző anyagok hatását, illetve az immunválasz kialakulását. A té s sz jelátvitel lassú, a hatás órák alatt alakul ki. rje te és s elsődleges hírvivő (messenger) – extracelluláris jelzőmolekula (hormon, á ol ás neurotranszmitter, citokin, stb.), receptor köti meg specifikusan im ül másodlagos messengerek – a sejtben képződnek vagy szabadulnak fel az lk né elsődleges messenger kötése esetén, intracelluláris jelátvivő kaszkádokat ly é ed aktiválnak, ilyenek: ng.E o Ca2+ tra la o cAMP, cGMP ná sz o IP3 (inozitol‐trifoszfát), DAG (diacil‐glicerol) ha ő o NO (nitrogén‐monoxid) ls be k sa C kaszkád – egymást kiváltó folyamatok sora, ilyen rendszer szerepel például: a jelátvitelben – jelátvivő molekula receptorkötődése után a sejten belül különféle enzimek egymás utáni aktiválódása‐gátlása, a véralvadásban – a faktorok egymás utáni aktiválódása. Az intracelluláris receptorok a citoplazmában találhatóak, lipidoldékony ligandot kötnek, ami átjut a sejthártyán. A receptor a sejtmagba jutva közvetlenül befolyásolja egyes gének átírását. A hatás órák alatt jön létre. Ilyen receptorok közvetítik egyes hormonok hatását és bizonyos anyagcsere‐ hatásokat.  19 FOSZFORILÁCIÓ A foszforiláció (7. ábra) az egyik leggyakoribb sejten belüli szabályozó mechanizmus. A foszforilált fehérjék konformációja és működése megváltozik, a fehérje aktiválódik. A foszforilációt a protein‐kinázok végzik, ATP‐ből származó foszfátcsoportot kapcsolnak fehérjemolekulára. A foszfatázok által végzett defoszforiláció révén a fehérje újra inaktívvá válik. A foszforiláció ki‐ vagy bekapcsol bizonyos intracelluláris folyamatokat, a sejtmag szintjén is.. os til n úa or ig sz s té sz rje te és ás ol ás 7. ábra. A foszforiláció. PK – protein‐kináz, Pi – szervetlen im ül (inorganikus) foszfát. lk né ly é ed ng.E tra la ná sz ha ő ls be k sa C 20 Vízterek A víztereken a szervezet folyadéktereit értjük. A szervezetben található víz különböző kompartimentumokban helyezkedik el (8. ábra), amelyeket egymástól hártyák (sejthártya, kapillárisfal, illetve hámréteg) választanak el.. os til n úa or ig sz s té sz rje te és ás ol ás im ül lk né ly é 8. ábra. A szervezet vízterei, a nyilak a víz mozgását jelzik. ICT – ed ng.E intracelluláris tér, ISzT – interszticiális tér, IVT – intravaszkuláris tér, tra la ná TCT – transzcelluláris tér. sz ha ő ls be A sejtek víztartalma az intracelluláris teret (ICT) képezi, a sejtek közti k sa folyadék az interszticiális teret (ISzT, szövetnedv). Az érpályán belül található C folyadék az intravaszkuláris térhez (IVT) tartozik. A negyedik víztér, a transzcelluláris tér (TCT) jóval kevesebb folyadékot tartalmaz, mint a többi, ide számítjuk a szervezet hámréteggel határolt folyadéktereket. Az emésztőkészülék tartalma gyakorlatilag nem tartozik a szervezet beltartalmához, itt folyadékfelvétel és folyadék‐kiválasztás történik. Folyadék‐ kiválasztás jön még létre a vese, tüdő és a bőr szintjén. A szervezet teljes víztartalmát összvíztérnek nevezzük. Az összvíztér tömege függ az egyén nemétől, életkorától, illetve változik a napszaktól és évszaktól függően is. Az embrió testtömegének kb. 90%‐át teszi ki a víz, újszülötteknél ez az arány 75%, míg időskorra 50%‐ra csökken.  21 A víz eloszlása a szervezeten belül nem egyenletes. A sejteknek általában nagy a víztartalma (kivéve, ha valamilyen anyag halmozódik fel a citoplazmában, pl. zsírsejteknél), sejtpusztulás esetén a kialakuló kötőszövet nagy mennyiségű rostot tartalmaz, így a szövet víztartalma csökken. Egyes szövetek víztartalma azért alacsonyabb, mert a szövetköz tartalmaz kevés vizet (pl. csontszövet, a kalcium‐ és foszfát sók felhalmozódása miatt). Az intravaszkuláris tér nagyjából a testtömeg 7%‐át teszi ki (70 kg‐os testtömeg esetén kb. 5 l). Pontosabban meghatározható a testfelszín függvényében: ♂: 3,1 l/m2 ♀: 2,9 l/m2 Ennek a víztérnek a térfogata a legpontosabban szabályozott.. os Megnövekedése esetén hipervolémiáról, csökkenése esetén hipovolémiáról til n beszélünk. Az intravaszkuláris tér térfogata befolyásolja a vérnyomást. úa or Az interszticiális tér az intravaszkuláris tér két‐háromszorosa, a ig sz testtömeg 14‐17%‐át teszi ki. Az interszticiális tér térfogata határozza meg a té s sz szövetek térfogatát és feszességét (turgor). Csökkenése esetén kiszáradás rje te (exsiccatio) áll fenn, ilyenkor a bőr és a szövetek turgora csökken. és s Megnövekedése esetén ödéma (vizenyő) alakul ki, ennek jellemzője, hogy á ol ás megtartja az ujjbenyomatot. im ül Az intracelluláris tér a testtömeg 40‐60%‐át teszi ki (az előzőek lk né összegének két‐háromszorosa). Mivel a transzmembrán fehérjéken át könnyen ly é ed átjut a víz a sejtmembránon, az intra‐ és extracelluláris folyadék izoozmoláris ng.E (azonos számú oldott anyagrészecskét tartalmaz). Az intracelluláris tér tra la megnövekedése esetén hiperhidratálttá válik, ekkor a sejtek megduzzadnak, ná sz csökkenése esetén hipohidratált intracelluláris térről beszélünk, ekkor a sejtek ha ő zsugorodnak. ls be A transzcelluláris térbe hámréteggel határolt folyadékterek tartoznak, k sa C mint a szemben található csarnokvíz, az ízületi folyadék, az agy‐gerincvelői folyadék és a savós hártyák (mellhártya, hashártya, szívburok) lemezei közti folyadék. Az ide tartozó folyadék mennyisége normálisan kevés, ám funkcionális szempontból fontosak. Mennyiségi eltéréseik általában súlyos elváltozásokat jelentenek. A különböző vízterek állandó cserekapcsolatban vannak egymással és a külvilággal, ezáltal térfogatuk és összetételük állandóan változik kismértékben. A sejtek a szövetnedvvel kommunikálnak, minden sejtet szövetnedv vesz körül. Az intracelluláris és interszticiális tér közti kapcsolat és csere a sejthártyán keresztül valósul meg. Habár az egyes sejtek belső tere általában 22 nincs közvetlen kapcsolatban egymással, a intracelluláris tér összetétele nagyban megegyezik a különböző sejtek, sejttípusok, sőt fajok esetében is. A sejtek nagy része nincs közvetlen kapcsolatban a vérrel, így egymással és a vérrel is a szövetnedv révén kommunikálnak. A szövetnedv állandó kapcsolatban van a vérrel a hajszálerek falán keresztül. A vérplazma és a szövetnedv összetétele ezért nagyban megegyezik, kivéve a fehérjetartalmat. A transzcelluláris tér is a szövetnedvvel áll közvetlen kapcsolatban.. os til n úa or ig sz s té sz rje te és ás ol ás im ül lk né ly é ed ng.E tra la ná sz ha ő ls be k sa C  23 Cserefolyamatok A sejtek megfelelő működéséhez szükséges, hogy rendelkezésükre álljanak a szükséges tápanyagok és az anyagcseretermékek el legyenek távolítva, vagyis az állandó környezet. Ennek fenntartása csak úgy lehetséges, ha állandó anyagmozgás van a különböző folyadékterek közt és az egyes folyadéktereken belül is. Az anyagok mozgását két részre lehet osztani: áramlás a keringési készülék révén, anyagmozgás a hajszálerektől a sejtekig a szövetnedv közvetítésével. A fenti folyamatok révén az extracelluláris folyadékok folytonosan keverednek, ezáltal összetételük a szervezeten belül összességében állandó.. os til n úa or ig Anyagszállítás a sejthártyán át sz s té sz rje Különböző anyagok a sejthártyán keresztül alapvetően két mechanizmus révén te és juthatnak át: passzív vagy aktív transzporttal. ás A passzív transzport diffúzión alapul. A zsíroldékony anyagok (apoláros ol ás im molekulák) szabadon átdiffundálnak a lipid kettős rétegen. A vízoldékony ül lk anyagok (poláros molekulák, ionok) csak akkor jutnak át a sejthártyán, ha van né ly specifikus szállító fehérje a sejthártyában: ioncsatorna az ionok számára, vagy é ed ng carrier a molekulák számára, az utóbbi esetben facilitált diffúzióról beszélünk..E A carriereken keresztül lényegesen kevesebb anyag áramlik át, mint az tra la ná ioncsatornákon, mivel a molekulák átszállítása során a szállítófehérje a sz ha szállított anyagot gyenge kémiai kötésekkel megköti és konformáció‐változást ő ls szenved. be k Az aktív transzport energia‐felhasználással jár. Az energia származhat az sa C ATP bomlásából (primer aktív transzport), illetve a szállítófehérjék felhasználhatják a már létező ion‐koncentráció különbséget (jellemzően a nátriumét), ez a szekunder aktív transzport. Aktív transzportban vesznek részt az ionpumpák és egyes carrier (szimporter és antiporter) fehérjék. A nagyobb molekulák, illetve nagyobb mennyiségű anyag átszállítása a sejthártyán endo‐ illetve exocitózis révén történik. Endocitózis esetén a sejthártya fokozatosan körülvesz egy nagyobb molekulát vagy sejtet (baktérium, egysejtű parazita, elpusztult sejt – fagocitózis) vagy az interszticiális folyadék egy cseppjét (pinocitózis), majd magába zárja. Az endocitotikus hólyagok mindig lizoszómákkal egyesülnek, tartalmuk lebomlik, az így keletkezett anyagok újra felhasználódnak a sejtben. Exocitózis során a 24 sejt által termelt, szekretoros hólyagocskákba csomagolt anyagok ürülnek, a hólyagocska membránjának a sejthártyával való összeolvadása és megnyílása révén. Diffúzió Az anyag részecskéi folyamatos mozgásban vannak. A folyadék halmazállapotú anyagok molekulái és ionjai elmozdulnak, egymással ütköznek, ezáltal megváltozik sebességük és a mozgás iránya. Ezt a véletlenszerű (random) mozgást termikus mozgásnak nevezik, mivel intenzitása nő a hőmérséklettel, és csak abszolút 0 fokon (0 Kelvin) szűnik meg.. os til A diffúzió a molekulák véletlenszerű termikus mozgása révén n úa bekövetkező keveredés (9. ábra). A diffúzió nem igényel energiaközlést, or ig sz passzív folyamat. s té Két különböző oldat között diffúzió révén létrejövő kicserélődést a sz rje molekulavándorlási sebesség jellemzi (mértékegysége mol/s), ami több te és tényezőtől függ. A molekulavándorlási sebesség nagyobb: ás ol a két oldat közti határfelszín közelében, ahol a koncentráció változása ás im gyors, nagyobb távolságra lassú ül lk nagy koncentráció‐különbség esetén, né ly nagy cserefelszín estén. é ed ng Az összefüggést Fick törvénye írja le:.E tra Δc J = −D ⋅ A ⋅ la ná Δx , ahol sz ha ő J a diffúziós sebesség, ls be A a cserefelület, k sa C Δc a koncentráció‐különbség, Δx a távolság, Δc/Δx a koncentráció‐gradiens, D a diffúziós együttható, amely függ az oldószer és az oldott anyag természetétől, a ‐ előjel arra utal, hogy az anyag elvándorlása miatt csökken a koncentráció. Mivel a molekulák vándorlása következtében csökken a koncentráció‐ gradiens, a diffúziós sebesség az idővel csökken. Tehát a teljes kiegyenlítődés a két oldat közt elméletileg létrejöhet, de nagyon hosszú idő alatt.  25. os til n úa or ig sz s té sz rje te 9. ábra. Diffúzió. Az ábrán látható edény bal oldali rekeszét vízzel, és ás ol jobb oldali rekeszét 10%‐os glükóz oldattal töltjük meg (kék vonal). ás im A két rekesz közti válaszfalat t0 időpillanatban eltávolítjuk. Idővel az ül lk