Eläinfysiologia ja histologia Luento IX; Hengitys Hengitys - hengityselimet Ihmisen hengityselimet koostuvat ilmateistä ja keuhkoista. Ilmatiet: t nenä, nielu (pharynx), kurkunpää k (larynx), henkitorvi i (trakea), keuhkoputket (bronchus), bronkiolit, respiratoriset bronkiolit, alevolitiehyet. Nenän väliseinä i ä jk jakaa sen kahteen kht nenäonteloon. Nenän etuosaa kutsutaan eteiseksi ja sitä peittää kerrostunut levyepiteeli. Sierainaukot Nenän sivuseinämistä työntyy nenäonteloon kolme nenäkuorikkoa. Kahta alimmaista peittää hengitysepiteeli (valekerrostunut ripsiepiteeli). p Ylimmässä on hajuepiteeli. Nenän limakalvossa on runsas verisuonisto, joka lämmittää ja kostuttaa ilman. Karvat ja limaa erittävät solut Hengitys - hengityselimet Nenänielu - hengitysepiteeliä Pehmyt kitalaki Suunielu - kerrostunutta levyepiteeliä Alanielu Kova kitalaki Henkitorvi Nenäontelo, jossa nenäkuorikot -Ylimmässä hajuepiteeli -2 alimmaista hengitysepiteeliä Kieli Sieraimet Kurkunkansi (epiglottis) -yläpinta kerrostunutta levyepiteeliä -alapinta hengitysepiteeliä Äänijänteet Nielun etuosaa sanotaan nenänieluksi (nasopharynx), takaosaa suunieluksi (oropharynx). Epiteeli on nenänielun alueella hengitysepiteeliä. Suunielussa epiteeli on kerrostunutta levyepiteeliä. Putkimainen kurkunpää (larynx) yhdistää nielun henkitorveen. Kurkunpään lamina propriassa on rustoa (lasirustoa ja elastista rustoa), luustolihaksia ja äänijänteet. Kurkunkansi k i( (epiglottis) i sulkee kurkunpään k nielemisen i aikana. Yläpinnalta sitä peittää kerrostunut levyepiteeli. Alapinnalta hengitysepiteeli. Henkitorvi on n. 1 cm pitkäputki, joka johtaa kurkunpäästä primaarisiin keuhkoputkiin. Hengitysteitä reunustaa hengitysepiteeli.
Henkitorvi Sileää lihasta Keuhkot ovat parilliset: oikeassa keuhkossa on 3 lohkoa ja vasemmassa keuhkossa on 2 lohkoa. Lohkot jakautuvat pienemmiksi lobuloiksi. Kurkunpää Henkitorvi Keuhkopussin sisäkalvo Hevosenkenkärusto Keuhkopussin ulkokalvo Keuhkopussin ontelo Oikea prim. keuhkoputki Sekundäärinen keuhkoputki Vasen prim. keuhkoputki Sekundäärinen keuhkoputk Henkitorvi Hengitysepiteeli Ruokatorvi Tertiäärinen keuhkoputki Päätebronkioli Tertiäärinen keuhkoputki Päätebronkioli Pallea Hengitys - hengityselimet Keuhkolaskimon haara Elastista sidekudosta Keuhko- kapillaari i Keuhkopussi Alveoleja Keuhkovaltimon haara Imusuoni Respiratorinen bronkioli Alveolitiehyitä Keuhkolaskimon haara Respiratorinen bronkioli Alveolitiehyitä Alveoleja Alveolipussi Alveoli-lpussi Keuhkopussi Kaasujen vaihto veren ja ilman välillä tapahtuu alveoleissa (läpimitta n. 2 µm). Väliseinässä 2 levyepiteelikerrosta, kapillaareja ja elastista sidekudosta Tyypin I pneumosyytit peittävät 97% pinnasta (kaasujen vaihto). Tyypin II pneumosyytit peittävät 3% pinnasta (surfaktantin tuotto). Alveolaariset makrofagit g Veri-ilmaeste on.1-1.5 µm paksu: Surfaktantti Alveoliepiteelisolu Alveoliepiteelisolu Tyvikalvo Kapillaarin endoteeli
Tyypin-II pneumosyytti Tyypin-I pneumosyytti Verkkosäikeitä Monosyytti Tyypin-II pneumosyytti Elastisia säikeitä Surfaktantin tuotto tyypin-ii pneumosyytissä Surfaktanttikerros Alveolin ilmatila Hengitysepiteeli i Alveolineste li Tyypin-I pneumosyytti Alveolaarinen makrofagi Punasolu keuhkokapillaarissa Alveoli Punasolu Kapillaarin endoteeli Kapillaarin tyvikalvo Pneumosyytin tyvikalvo Tyypin I pneumosyytti Solunvälitila Alveolineste ja surfaktanttia Makrofagi Surfaktantti Alentaa pintajännitystä Estää alveolin romahtamisen kasaan uloshengityksen lopussa Lisää keuhkojen joustavuutta sisään hengitettäessä: helpottaa hengitystä. 9-95% lipidejä Fosfolipidejä (8-9%); dipalmitoyylifosfatidylkoliinia y Kolesterolia noin 5% 4 surfaktanttiproteiinia Keuhkokudosta SEM -kuvassa Hengitys - Keuhkotuuletus (ventilaatio) Alveoli Hengitysliikkeet: Kylkivälilihakset Pallea supistuvat Vatsalihakset Kylkivälilihakset Sisäänhengitys on aktiivista. Uloshengitys on passiivista. i Normaali hengitystaajuus on12-2/min. Sisäänhengityksessä pallea supistuu ja liikkuu alaspäin Kylkivälilihakset veltostuvat Uloshengityksessä pallea veltostuu ja liikkuu ylöspäin
Hengitys - Keuhkotuuletus (ventilaatio) Hengitys - Hengityksen säätely Hengitystilavuudet: a) Kertahengitysilma (tidal volume) (TV): ~.5 L (a) b) Sisäänhengityksen varailma (IRV): ~2.5 L (b) c) Uloshengityksen varailma (ERV): ~1 L (c) d) Jäännösilma (RV): ~1.2 L (d) a b c d Hengitys on: 1) Tiedostamatonta 2) Osin tahdonalaista Hengityskeskus on ydinjatkoksessa (medulla oblongata). Määrää perusrytmin H Keuhkokudoksen venytysherkät reseptorit estävät liian syvän hengityksen. Veren ja aivoselkäydinnesteen ph, C ja vaikuttavat rytmiin. Aistinreseptoreita päänvaltimoiden haaroissa (karotiskeräset) ja aortan kaaressa (aorttakeränen). ph:n lasku (= hiilidioksidipitoisuuden nousu) kiihdyttää hengitystä. Aivosillan (pons) keskukset tekevät rytmistä tasaisen. C + H 2 O H 2 CO 3 H + + HCO - 3 Pallea Kylkiluiden lihakset Aivosilta (pons) Ydinjatkos (medulla oblongata) Aivo-selkäydin- neste Hengityskeskukset Karotiskeräset Aorta Hengitys - Kaasujenvaihto Tapahtuu kaasujen osapaineerojen mukaisesti suuremmasta paineesta pienempään. Hemiryhmä Rauta-atomi keuhkoissa kudoksissa Polypeptidiketju Happi-Hb dissosiaatiokäyrä: Happi kulkee hemoglobiiniin (Hb) sitoutuneena (>98%). Keuhkoissa: Hb + Hb (oksihemoglobiini). Kudoksissa: Hb Hb + Hengitys - Hapen kuljetus Hemoglobiin nin -kyllä äisyys (%) 8 6 4 2 Kudosten hapen osapaine rasituksessa joka vapautuu kudoksissa lepotilassa 2 4 varasto, joka voidaan vapauttaa hemoglobiinista kudoksiin rasituksessa 6 Kudosten hapen osapaine levossa P (mm Hg) 8 Hapen osapaine keuhkoissa Hapen irtoaminen hemoglobiinista: 37 C and ph 7.4
Hengitys - Hapen kuljetus Happi-Hb dissosiaatiokäyrä: ph:n vaikutus (Bohrin efekti): Veren happamoituminen kudoksissa heikentää Hb:n hapensitomiskykyä, jolloin enemmän happea vapautuu solujen käyttöön. Lämpötilan kohoaminen aiheuttaa samanlaisen siirtymän oikealle kuin ph:n lasku. Hemo oglobiinin -kylläisyy ys (%) 8 6 4 2 2 ph 7.4 ph 7.2 4 6 P (mm Hg) Bohrin efekti: Lisä-, joka vapautuu hemoglobiinista matalassa ph:ssa (korkeassa C pitoisuudessa) 8 ph:n vaikutus hemoglobiinin hapen luovutukseen nin s (%) Hemoglobii 2 -kylläisyys 8 6 4 2 Sikiö Sikiön fetaalisen Hb:n happiaffiniteetti (kyky sitoa happea) on korkeampi kuin äidin Äiti (aikuisen) Hb:n. P 5 = 19 mmhg (fetaalinen Hb), 26.8 mmhg (aikuisen Hb) Syntymän jälkeen fetaalinen Hb korvautuu kokonaan k aikuisen i Hb:lla noin 6 kk:n iässä. 2 4 6 8 P O2 (mm Hg) C + H 2 O H 2 CO 3 H + + HCO 3 - Hengitys - Hiilidioksidin kuljetus Hengitys - sukeltajat 1) Plasmaan liuenneena n. 7%. 2) Hb:n sitoutuneena n. 23%. 3) Bikarbonaattina n. 7%. Karboanhydraasi C + H 2 O H 2 CO 3 Weddelin hylje Sukeltaa 2-5 metriin Sukelluksen kesto n. 2 min Hapen varastointi Suuri veritilavuus (perna) Lihasten myoglobiini Sydämen syketaajuus laskee Veri aivoihin, silmiin, lisämunuaisiin Lihasten verenkierto lakkaa (toimivat anaerobisesti) Myoglobiini pystyy ryöstämään Myoglobiini pystyy ryöstämään hemoglobiinilta hapen.
Haarasarviantilooppi (pronghorn antilope, Antilocapra americana) vastaan vuohi TULOKSET t (%) eelliset arvo Suhte 9 8 7 6 5 4 3 Vuohi Pronghorn Eläinfysiologia ja histologia Luento IX Elimistön puolustusmekanismit 2 1 V O2 max Keuhko -kapasiteetti Sydämen minuuttitil. Lihasmassa Mitokondriotilavuus Selkärangattomien puolustusreaktiot Kitiinikuori suojaa ulkoa ja sisältä. Lysotsyymi ja matala ph suojaavat suolistossa. Hemolymfan hemosyytit ovat fagosytoivia soluja. Vieraat solut pystytään tunnistamaan: Hiivojen ja bakteerien pinnan makromolekyylit aktivoivat hemosyyttien Toll-reseptoreita. Toll reseptorit auttavat tunnistamaan patogeenisiä mikrobeja. Hemosyytit erittävät mikrobeja tuhoavia peptidejä. Hajottavat hiivojen ja bakteerien solukalvoja Eri mikrobiryhmille on omat peptidinsä. Tulokset Drosophila Mutantti-kärpänen ei pysty 75 tuottamaan antimikrobiaalisia 5 peptidejä kuolee infektioon. 25 Mutanttia manipuloitiin tuottamaan yhtä spesifistä peptidiä kerrallaan. Drosomysiini tepsi Neurospora crassa hiivaan, mutta defensiini ei. Defensiini tepsi Micrococcus luteus bakteeriin, mutta 75 drosomysiini ei. 5 Eri mikrobiryhmille on omat 25 puolustuspeptidit. syys % eloonjääneis s loonjääneisyys % el Mutantti Villityyppi Mutantti + drosomysiini Mutantti + defensiini 24 48 72 96 12 Tunteja infektion jälkeen Banaanikärpäsen elossa pysyminen N. crassa sieni-infektiossa Mutantti + drosomysiini Villityyppi Mutantti + defensiini Mutantti 24 48 72 96 12 Tunteja infektion jälkeen Banaanikärpäsen elossa pysyminen M. luteus bakteeri-infektiossa
Elimistön puolustusmekanismit Kolme puolustuslinjaa: Elimistöön päässeet patogeenit (mikro-organismit ja virukset) Selkärankaiset Kaksi epäspesifistä ja yksi spesifinen Synnynnäinen immuniteetti -nopeat ja epäspesifiset vasteet -koko ajan läsnä Ulkoiset puolustusmekanismit Iho Limakalvot Eritteet Sisäiset puolustusmekanismit Syöjäsolut Antimikrobiaaliset proteiinit Tulehdusvaste Luonnolliset tappajasolut Hankittu immuniteetti -hitaat mutta spesifiset vasteet Humoraalinen vaste (vasta-aineet) Soluvälitteinen vaste (sytotoksiset lymfosyytit) 1. Puolustuslinja (ulkoiset puolustusmekanismit) it) Iho Suolen, hengitysteiden ja virtsa- ja sukupuolielinten limakalvot Tli Tali- ja hikirauhasten h happamat (ph 3-5) eritteet Syljen, kyynelnesteen ja liman huuhteleva vaikutus Lima ja värekarvat Lysotsyymi Mahan matala (1-2) ph Hengitysepiteelin värekarvoja 2. Puolustuslinja (sisäiset puolustusmekanismit) A) Syöjäsolut: Veren monosyytit Kudosten makrofagit Neutrofiiliset granulosyytit Eosinofiiliset granulosyytit 3μm makrofagi syö hiivasolun Selkärankaisten Tolllike reseptorit (TLR) TLR3 Tulehdus- vasteet Leukosyyttien solukalvossa tai solun sisäisessä rakkulassa. Tunnistavat bakteerin sen pinnan lipopolysakkareista (TLR4) tai siiman proteiinista (TLR5). Tunnistavat viruksen esim. sen 2-säikeisestä RNA:sta (TLR3). Indusoivat fagosytoosin Metyloimaton DNA 2-säikeinen RNA Leukosyytti Ekstrasellulaarineste Avustajaproteiini DNA:n metyloimattomat CG -jaksot jk Rakkula CpG DNA ds RNA Lipopolysakkaridi Flagelliini TLR4 TLR5 TLR9
Mikrobit 1 Valejalat ympäröivät mikrobin 2. Puolustuslinja (sisäiset puolustusmekanismit) MAGROFAGI Vakuoli 2 Mikrobit nielaistaan soluun. 3 Mikrobeja sisältävä vakuoli. Lysosomin entsyymit 4 Vakauoli liittyy lysosomiin. Fagosytoosi B) Antimikrobiaaliset proteiinit Osa synnynnäistä immuniteettia Estävät mikrobien lisääntymistä 1) Komplementti koostuu noin 3 veriplasman proteiinista, jotka pystyvät tuhoamaan mikrobeita ja avustamaan tulehdusvasteessa. 5 Myrkyt ja lysosomin entsyymit tuhoavat mikrobit Jäänteet 6 poistetaan solusta eksosytoosin avulla. 2) Interferonit (eräs sytokiiniryhmä) i ehkäisevät ä virusten lisääntymistä ja aktivoivat makrofageja. Komplementin toimintamekanismi Komplementti on joukko veriplasman proteiineja (n. 3 kpl), jotka täydentävät syöjäsolujärjestelmää. Muodostavat noin 5% veren globuliinifraktiosta. Syntetisoidaan maksassa. Tappavat patogeenisiä soluja solukalvon tuhoamiskompleksin avulla. 2. Puolustuslinja (sisäiset puolustusmekanismit) C) Luonnolliset tappajasolut Hyökkäävät virusten infektoimia soluja ja syöpäsoluja vastaan. Makrofagien sytokiinit (interferoni, interleukiini) aktivoivat tappajasoluja. Aiheuttavat ohjatun solukuoleman (apoptoosin) muuntuneissa soluissa sytotoksisten-t-solujen tavoin. Eroavat sytotoksista-t-soluista soluista siinä, että ne ovat epäspesifisempiä: Niillä ei ole reseptoria antigeenille. Sytokiinit ( solun liikuttajat ) Sitä miten ne erottavat Paikallisia (autokriinisia ja parakriinisia) viestimolekyylejä infektoituneen tai muuntuneen Proteiineja, peptidejä tai glykoproteiineja solun, ei tunneta tarkasti: Esim. interleukiinit ja interferoni Solun pinnalle tarttuneiden vasta-aineiden avulla. Jos soluista puuttuvat MHC-I proteiinit.
2. Puolustuslinja - Tulehdusvaste Pääasiallisesti synnynnäisen y immuniteetin aiheuttama; sisältää myös hankitun immuniteetin reaktioita. Oireet: punotus, lämpö (inflammation), turvotus Viestinvälitys: Histamiini (makrofagit, mastsolut) Prostaglandiinit (leukosyytit, vaurioituneet kudossolut) Kemokiinit (komplementin osasia) Verisuoni ilaajenee ja sen seinämän ä läpäisevyys äi kasvaa; houkuttelee paikalle syöjäsoluja Tulehdusvaste Taudinaiheuttaja Terä Verihyytymä Makrofagi Kemialliset viestit Syöjäsolut Hiussuoni Hyytymätekijöitä fagosytoosi Punasolut 1 Makrofagien ja mastsolujen 2 Nestettä, antimikrobiaalisia 3 päästämät kemialliset Solujen vapauttamat kemokiinit 4 Neutrofiiliset granulosyytit ja proteiineja ja neutrofiilisiä makrofagit syövät solujäämät viestimolekyylit (sytokiinit, houkuttelevat paikalle lisää granulosyyttejä siirtyy verestä ja kudos paranee. histamiini) saavat verisuonen neutrofiilisia granulosyyttejä. vauriokohtaan. Laajentumaan ja sen Läpäisevyyden kasvamaan. Chemotactic cytokines Pieniä proteiineja (8-1 kda) Esim. interleukiini-8 3. Puolustuslinja (hankittu ja spesifinen immuniteetti) i i) Hankitun immuniteetin ominaisuuksia: Spesifisyys Monimuotoisuus Muisti Oman ja vieraan erottaminen Perustuu lymfosyyttien toimintaan Imusolmukkeet Perna Kateenkorva Luuydin Nielurisat Ruuansulatuskanavan ja hengitysteiden imukudos Imukudos Nielurisat Kitarisat Imu solmukkeet Perna Peyer s patches (ohutsuoli) Umpilisäke Hiusverisuoni Kudossolut Imusuoni Lymfakapillaari Kudosneste imusuonet Imu- solmuke Imukeränen ja reunapoukama