Homeostaza - Homeostasis

W biologii , homeostaza jest stan stabilnego wewnętrznych fizycznych i chemicznych warunków utrzymywanych przez systemy żywych . Jest to warunek optymalnego funkcjonowania organizmu i obejmuje wiele zmiennych, takich jak temperatura ciała i równowaga płynów , utrzymywanych w pewnych ustalonych granicach (zakres homeostatyczny). Inne zmienne, obejmują pH w płynie pozakomórkowym , stężenie sodu , potasu i wapnia, jonów , a także, jak w przypadku poziomu cukru we krwi , a to musi być stabilizowany, pomimo zmian w środowisku, diety, lub na poziomie aktywności. Każda z tych zmiennych jest kontrolowana przez jeden lub więcej regulatorów lub mechanizmów homeostatycznych, które razem podtrzymują życie.

Homeostazę wywołuje naturalna odporność na zmiany już w optymalnych warunkach, a równowagę utrzymuje wiele mechanizmów regulacyjnych. Wszystkie mechanizmy kontroli homeostatycznej mają co najmniej trzy współzależne składniki regulowanej zmiennej: receptor, ośrodek kontroli i efektor. Receptor jest elementem wyczuwającym, który monitoruje i reaguje na zmiany w środowisku, zarówno zewnętrzne, jak i wewnętrzne. Receptory obejmują termoreceptory i mechanoreceptory . Ośrodki kontroli obejmują ośrodek oddechowy i układ renina-angiotensyna . Efektor jest celem, na którym działa się, aby przywrócić normalny stan. Na poziomie komórkowym receptory obejmują receptory jądrowe, które powodują zmiany w ekspresji genów poprzez regulację w górę lub w dół i działają w mechanizmach negatywnego sprzężenia zwrotnego . Przykładem tego jest kontrola kwasów żółciowych w wątrobie .

Niektóre ośrodki, takie jak układ renina-angiotensyna , kontrolują więcej niż jedną zmienną. Kiedy receptor wyczuwa bodziec, reaguje wysyłając potencjały czynnościowe do centrum kontroli. Centrum sterowania ustala zakres konserwacji — dopuszczalne górne i dolne granice — dla określonej zmiennej, takiej jak temperatura. Centrum sterowania odpowiada na sygnał, określając odpowiednią odpowiedź i wysyłając sygnały do efektora , którym może być jeden lub więcej mięśni, narząd lub gruczoł . Gdy sygnał jest odbierany i uruchamiany, do receptora dostarczane jest ujemne sprzężenie zwrotne, które zatrzymuje potrzebę dalszej sygnalizacji.

Typ receptora kanabinoidowego 1 (CB1), znajduje się na presynaptycznym neuronu , jest receptorem , który może zatrzymać stresujące neuroprzekaźnika uwolnienia do postsynaptycznych neuronów; jest aktywowany przez endokannabinoidy (EC), takie jak anandamid ( N -arachidonoiloetanoloamid ; AEA) i 2-arachidonoiloglicerol (2-AG) poprzez wsteczny proces sygnalizacji , w którym związki te są syntetyzowane i uwalniane z neuronów postsynaptycznych i wędrują z powrotem do terminal presynaptyczny do wiązania się z receptorem CB1 w celu modulacji uwalniania neuroprzekaźnika w celu uzyskania homeostazy.

Że wielonienasycone kwasy tłuszczowe (PUFA) są lipidowymi pochodnymi kwasów omega-3 (kwas dokozaheksaenowy, DHA i kwasu eikozapentaenowego, EPA ) lub z omega-6 (kwas arachidonowy, ARA ), są syntetyzowane z membran fosfolipidów, i stosuje się jako prekursor dla endokannabinoidów ( EC) pośredniczą w dostrojeniu homeostazy organizmu.

Etymologia

Słowo homeostazy ( / ˌ H m i y t s ɪ s / ) wykorzystuje łączenie formy z homeo- i -stasis , Nowy Łacińskiej z greckiego : ὅμοιος homoios "podobny" i στάσις zastój "stoi" dając ideę „pozostania takim samym”.

Historia

Koncepcję regulacji środowiska wewnętrznego opisał francuski fizjolog Claude Bernard w 1849 r., a słowo homeostaza ukuł w 1926 r. Walter Bradford Cannon . W 1932 r. brytyjski fizjolog Joseph Barcroft jako pierwszy stwierdził, że wyższa funkcja mózgu wymagało najbardziej stabilnego środowiska wewnętrznego. Tak więc, według Barcrofta homeostaza była nie tylko organizowana przez mózg – homeostaza służyła mózgowi. Homeostaza to termin niemal wyłącznie biologiczny, nawiązujący do koncepcji opisanych przez Bernarda i Cannona, dotyczących stałości środowiska wewnętrznego, w którym żyją i przeżywają komórki ciała. Termin cybernetyka jest stosowany do technologicznych systemów sterowania, takich jak termostaty , które działają jako mechanizmy homeostatyczne, ale często jest definiowany znacznie szerzej niż biologiczne pojęcie homeostazy.

Przegląd

Te procesy metaboliczne wszystkich organizmów może odbywać się tylko w bardzo specyficznych środowiskach fizycznych i chemicznych. Warunki różnią się w zależności od organizmu i tego, czy procesy chemiczne zachodzą wewnątrz komórki, czy w płynie śródmiąższowym, który otacza komórki. Najbardziej znanymi mechanizmami homeostatycznymi u ludzi i innych ssaków są regulatory, które utrzymują stały skład płynu pozakomórkowego (czyli „środowiska wewnętrznego”), szczególnie w odniesieniu do temperatury , pH , osmolalności oraz stężeń sodu , potasu , glukozy , dwutlenek węgla i tlen . Jednak wiele innych mechanizmów homeostatycznych, obejmujących wiele aspektów fizjologii człowieka , kontroluje inne byty w ciele. Gdzie poziomy zmiennych są wyższe lub niższe niż te potrzebne są często prefiksem hiper- i hipo , odpowiednio, takich jak hipertermia i hipotermii lub nadciśnienie i niedociśnienie .

Dobowe wahania temperatury ciała, wahające się od około 37,5°C od 10:00 do 18:00 i spadające do około 36,4°C od 2:00 do 6:00

Jeśli istota jest kontrolowana homeostatycznie, nie oznacza to, że jej wartość jest koniecznie absolutnie stabilna w zdrowiu. Podstawowej temperatury ciała , jest na przykład regulowana homeostatycznego mechanizmu z czujników temperatury w, między innymi, z podwzgórzem w mózgu . Jednak nastawa regulatora jest regularnie resetowana. Na przykład, temperatura głęboka ciała u ludzi zmienia się w ciągu dnia (tj. ma rytm dobowy ), przy czym najniższa temperatura występuje w nocy, a najwyższa po południu. Inne normalne wahania temperatury obejmują te związane z cyklem menstruacyjnym . Nastawa regulatora temperatury jest resetowana podczas infekcji, aby wywołać gorączkę. Organizmy są zdolne do pewnego przystosowania się do różnych warunków, takich jak zmiany temperatury lub poziom tlenu na wysokości, dzięki procesowi aklimatyzacji .

Homeostaza nie reguluje każdej aktywności w ciele. Na przykład sygnał (czy to za pośrednictwem neuronów, czy hormonów ) z czujnika do efektora jest z konieczności bardzo zmienny, aby przekazać informację o kierunku i wielkości błędu wykrytego przez czujnik. Podobnie reakcja efektora musi być bardzo regulowana, aby odwrócić błąd – w rzeczywistości powinna być prawie proporcjonalna (ale w przeciwnym kierunku) do błędu zagrażającego środowisku wewnętrznemu. Na przykład ciśnienie tętnicze krwi u ssaków jest kontrolowane homeostatycznie i mierzone za pomocą receptorów rozciągania w ścianach łuku aorty i zatokach szyjnych na początku tętnic szyjnych wewnętrznych . Czujniki wysyłają wiadomości za pośrednictwem nerwów czuciowych do rdzenia przedłużonego mózgu, wskazując, czy ciśnienie krwi spadło, czy wzrosło io ile. Rdzeń przedłużony następnie przekazuje informacje wzdłuż nerwów ruchowych lub odprowadzających należących do autonomicznego układu nerwowego do wielu różnych narządów efektorowych, których aktywność jest w konsekwencji zmieniana, aby odwrócić błąd ciśnienia krwi. Jednym z organów efektorowych jest serce, którego częstość jest stymulowana do wzrostu ( tachykardia ), gdy ciśnienie tętnicze spada, lub do spowolnienia ( bradykardia ), gdy ciśnienie wzrasta powyżej wartości zadanej. Tak więc częstość akcji serca (dla której nie ma czujnika w ciele) nie jest sterowana homeostatycznie, ale jest jedną z odpowiedzi efektorowych na błędy ciśnienia tętniczego krwi. Innym przykładem jest tempo pocenia się . Jest to jeden z efektorów homeostatycznej kontroli temperatury ciała, a zatem wysoce zmienny w przybliżonej proporcji do obciążenia cieplnego, które grozi destabilizacją temperatury głębokiej ciała, której czujnik znajduje się w podwzgórzu mózgu.

Kontrole zmiennych

Temperatura rdzenia

Ptaki tulą się dla ciepła

Ssaki regulują swoją temperaturę głęboką za pomocą termoreceptorów w podwzgórzu , mózgu, rdzeniu kręgowym , narządach wewnętrznych i żyłach. Oprócz wewnętrznej regulacji temperatury, w grę może wchodzić proces zwany allostazą, który dostosowuje zachowanie, aby dostosować się do wyzwań skrajnych bardzo wysokich lub niskich temperatur (i innych wyzwań). Te dostosowania mogą obejmować szukanie cienia i zmniejszanie aktywności lub szukanie cieplejszych warunków i zwiększanie aktywności lub przytulanie się. Termoregulacja behawioralna ma pierwszeństwo przed termoregulacją fizjologiczną, ponieważ na niezbędne zmiany można wpływać szybciej, a termoregulacja fizjologiczna ma ograniczoną zdolność reagowania na ekstremalne temperatury.

Gdy temperatura głęboka spada, dopływ krwi do skóry zostaje zmniejszony przez intensywne zwężenie naczyń krwionośnych . Przepływ krwi do kończyn (które mają dużą powierzchnię) jest podobnie zmniejszony i powraca do tułowia przez głębokie żyły, które leżą wzdłuż tętnic (tworząc venae comitantes ). Działa to jak system wymiany przeciwprądowej, który powoduje zwarcie ciepła z krwi tętniczej bezpośrednio do krwi żylnej powracającej do tułowia, powodując minimalną utratę ciepła z kończyn w chłodne dni. Żyły podskórne kończyn są mocno zwężone, co nie tylko zmniejsza utratę ciepła z tego źródła, ale także wtłacza krew żylną do układu przeciwprądowego w głąb kończyn.

Tempo przemiany materii jest zwiększane, początkowo poprzez termogenezę bez dreszczy , a następnie termogenezę z dreszczami, jeśli wcześniejsze reakcje są niewystarczające do skorygowania hipotermii .

Kiedy termoreceptory wykryją wzrost temperatury wewnętrznej , gruczoły potowe w skórze są pobudzane przez cholinergiczne nerwy współczulne do wydzielania potu na skórę, który po odparowaniu chłodzi skórę i przepływającą przez nią krew. Dyszenie jest u wielu kręgowców alternatywnym efektorem, który chłodzi organizm również przez odparowanie wody, tym razem jednak z błon śluzowych gardła i jamy ustnej.

Glukoza we krwi

Negatywne sprzężenie zwrotne w pracy w regulacji poziomu cukru we krwi. Linia płaska to nastawa poziomu glukozy, a fala sinusoidalna fluktuacje glukozy.

Poziom cukru we krwi jest regulowany w dość wąskich granicach. U ssaków pierwotne Czujniki tego są beta-komórek tych wysepek trzustkowych . Komórki beta reagują na wzrost poziomu cukru we krwi wydzielając insulinę do krwi, jednocześnie hamując sąsiednie komórki alfa przed wydzielaniem glukagonu do krwi. Ta kombinacja (wysoki poziom insuliny we krwi i niski poziom glukagonu) działa na tkanki efektorowe, z których głównymi są wątroba , komórki tłuszczowe i komórki mięśniowe . Wątroba jest powstrzymywana od wytwarzania glukozy , zamiast tego wychwytuje ją i przekształca w glikogen i trójglicerydy . Glikogen jest magazynowany w wątrobie, ale trójglicerydy są wydzielane do krwi w postaci cząsteczek lipoprotein o bardzo małej gęstości (VLDL), które są wychwytywane przez tkankę tłuszczową , gdzie są magazynowane jako tłuszcze. Komórki tłuszczowe pobierają glukozę poprzez specjalne transportery glukozy ( GLUT4 ), których liczba w ścianie komórkowej jest zwiększona w wyniku bezpośredniego działania insuliny działającej na te komórki. Glukoza, która dostaje się w ten sposób do komórek tłuszczowych, jest przekształcana w triglicerydy (poprzez te same szlaki metaboliczne, które są używane przez wątrobę), a następnie magazynowana w tych komórkach tłuszczowych wraz z triglicerydami pochodzącymi z VLDL, które zostały wytworzone w wątrobie. Komórki mięśniowe pobierają również glukozę przez wrażliwe na insulinę kanały glukozowe GLUT4 i przekształcają ją w glikogen mięśniowy.

Spadek poziomu glukozy we krwi powoduje zatrzymanie wydzielania insuliny i wydzielanie glukagonu z komórek alfa do krwi. Hamuje to wychwyt glukozy z krwi przez wątrobę, komórki tłuszczowe i mięśnie. Zamiast tego wątroba jest silnie stymulowana do wytwarzania glukozy z glikogenu (poprzez glikogenolizę ) oraz ze źródeł niewęglowodanowych (takich jak mleczan i aminokwasy deaminowane ) przy użyciu procesu znanego jako glukoneogeneza . Wytworzona w ten sposób glukoza jest odprowadzana do krwi, korygując wykryty błąd ( hipoglikemia ). Glikogen zmagazynowany w mięśniach pozostaje w mięśniach i jest rozkładany tylko podczas wysiłku na glukozo-6-fosforan, a następnie na pirogronian, który jest podawany w cyklu kwasu cytrynowego lub przekształcany w mleczan . Do krwi powracają tylko mleczany i produkty przemiany materii z cyklu kwasu cytrynowego. Wątroba może pobierać tylko mleczan i w procesie energochłonnej glukoneogenezy przekształca go z powrotem w glukozę.

Poziomy żelaza

Regulacja miedzi

Poziomy gazów we krwi

Ośrodek oddechowy

Zmiany poziomu tlenu, dwutlenku węgla i pH osocza są wysyłane do ośrodka oddechowego w pniu mózgu, gdzie są regulowane. Ciśnienie cząstkowe z tlenu i dwutlenku węgla w krwi tętniczej jest monitorowana przez chemoreceptorów obwodowego ( PNS ), w tętnicy szyjnej, i łuk aorty . Zmiana ciśnienia cząstkowego dwutlenku węgla, jest wykrywany jako zmienionym pH w płynie mózgowo-rdzeniowym przez chemoreceptorów centralnego ( CNS ) w rdzeniu przedłużonym z pnia mózgu . Informacje z tych zestawów czujników przesyłane są do ośrodka oddechowego, który aktywuje narządy efektorowe – przeponę i inne mięśnie oddechowe . Podwyższony poziom dwutlenku węgla we krwi lub obniżony poziom tlenu spowoduje głębszy wzorzec oddychania i zwiększoną częstość oddechów, aby przywrócić równowagę gazów we krwi.

Zbyt mało dwutlenku węgla i, w mniejszym stopniu, zbyt dużo tlenu we krwi może tymczasowo wstrzymać oddychanie, stan znany jako bezdech , który freediverzy wykorzystują do przedłużenia czasu przebywania pod wodą.

Cząstkowe ciśnienie dwutlenku węgla jest bardziej decydującym czynnikiem w kontroli pH. Jednak na dużych wysokościach (powyżej 2500 m) pierwszeństwo ma monitorowanie ciśnienia parcjalnego tlenu, a hiperwentylacja utrzymuje stały poziom tlenu. Przy niższym poziomie dwutlenku węgla, aby utrzymać pH na poziomie 7,4, nerki wydzielają jony wodorowe do krwi, a wodorowęglany wydalają z moczem. Jest to ważne przy aklimatyzacji na dużych wysokościach .

Zawartość tlenu we krwi

Nerki mierzą raczej zawartość tlenu niż ciśnienie parcjalne tlenu we krwi tętniczej. Gdy zawartość tlenu we krwi jest chronicznie niska, komórki wrażliwe na tlen wydzielają do krwi erytropoetynę (EPO). Tkanką efektorową jest czerwony szpik kostny, który wytwarza czerwone krwinki (RBC) (erytrocyty). Wzrost krwinek czerwonych prowadzi do wzrostu hematokrytu we krwi, a następnie do wzrostu hemoglobiny, która zwiększa zdolność przenoszenia tlenu. Jest to mechanizm, dzięki któremu mieszkańcy dużych wysokości mają wyższe hematokryty niż mieszkańcy na poziomie morza, a także dlaczego osoby z niewydolnością płuc lub przeciekami prawo-lewo w sercu (przez które krew żylna omija płuca i trafia bezpośrednio do układu krążenie) mają podobnie wysokie hematokryty.

Niezależnie od ciśnienia parcjalnego tlenu we krwi, ilość tlenu, która może zostać przeniesiona, zależy od zawartości hemoglobiny. Ciśnienie cząstkowe tlenu może być wystarczające na przykład w anemii , ale zawartość hemoglobiny będzie niewystarczająca, a następnie podobnie jak zawartość tlenu. Przy wystarczającej podaży żelaza, witaminy B12 i kwasu foliowego , EPO może stymulować produkcję krwinek czerwonych, a zawartość hemoglobiny i tlenu przywraca się do normy.

Tętnicze ciśnienie krwi

Mózg może regulować przepływ krwi w różnych wartościach ciśnienia krwi poprzez zwężenie i rozszerzenie naczyń krwionośnych.

Receptory wysokiego ciśnienia zwane baroreceptorami w ścianach łuku aorty i zatoki szyjnej (na początku tętnicy szyjnej wewnętrznej ) monitorują ciśnienie tętnicze krwi . Wzrost ciśnienia jest wykrywany, gdy ściany tętnic rozciągają się z powodu wzrostu objętości krwi . Powoduje to, że komórki mięśnia sercowego wydzielają do krwi hormon przedsionkowy peptyd natriuretyczny (ANP). Działa to na nerki, hamując wydzielanie reniny i aldosteronu, powodując uwalnianie sodu i towarzyszącej mu wody do moczu, zmniejszając w ten sposób objętość krwi. Informacja ta jest następnie przekazywana przez doprowadzające włókna nerwowe do pojedynczego jądra w rdzeniu przedłużonym . Stąd pobudzane są nerwy ruchowe należące do autonomicznego układu nerwowego, aby wpływać na czynność głównie serca i tętnic o najmniejszej średnicy, zwanych tętniczkami . Tętnice są głównymi naczyniami oporowymi w drzewie tętniczym , a niewielkie zmiany średnicy powodują duże zmiany oporu przepływu przez nie. Kiedy ciśnienie tętnicze krwi wzrasta, tętniczki są stymulowane do rozszerzania się, co ułatwia opuszczenie tętnic, a tym samym opróżnianie ich i obniżanie ciśnienia krwi do normy. Jednocześnie serce jest stymulowane przez cholinergiczne nerwy przywspółczulne do wolniejszego bicia (tzw. bradykardia ), co zapewnia zmniejszenie dopływu krwi do tętnic, przyczyniając się w ten sposób do zmniejszenia ciśnienia i korekcji pierwotnego błędu.

Niskie ciśnienie w tętnicach powoduje odwrotny odruch zwężenia tętniczek i przyspieszenie akcji serca (tzw. tachykardia ). Jeśli spadek ciśnienia krwi jest bardzo szybki lub nadmierny, rdzeń przedłużony stymuluje rdzeń nadnerczy poprzez „przedzwojowe” nerwy współczulne do wydzielania adrenaliny (adrenaliny) do krwi. Hormon ten wzmaga tachykardię i powoduje silne zwężenie tętniczek we wszystkich poza podstawowym narządem w ciele (szczególnie sercem, płucami i mózgiem). Reakcje te zazwyczaj bardzo skutecznie korygują niskie ciśnienie tętnicze ( niedociśnienie ).

Poziomy wapnia

Homeostaza wapnia

Stężenie zjonizowanego wapnia (Ca 2+ ) w osoczu jest bardzo ściśle kontrolowane przez parę mechanizmów homeostatycznych. Czujnik pierwszego z nich znajduje się w przytarczycach , gdzie główne komórki wyczuwają poziom Ca 2+ za pomocą wyspecjalizowanych receptorów wapniowych w swoich błonach. Czujnikami drugiego są komórki przypęcherzykowe w tarczycy . Komórki naczelne przytarczyc wydzielają hormon przytarczyc (PTH) w odpowiedzi na spadek poziomu zjonizowanego wapnia w osoczu; komórki parafolikularne tarczycy wydzielają kalcytoninę w odpowiedzi na wzrost poziomu zjonizowanego wapnia w osoczu.

W efektorowe narządów pierwszego mechanizmu homeostazy są kości , tym nerka , a za pomocą hormonu uwalniane do krwi przez nerki w odpowiedzi na wysokie stężenie PTH we krwi, w dwunastnicy i jelicie czczym . Hormon przytarczyc (w wysokich stężeniach we krwi) powoduje resorpcję kości , uwalniając wapń do osocza. Jest to bardzo szybkie działanie, które w ciągu kilku minut może skorygować groźną hipokalcemię . Wysokie stężenia PTH powodują wydalanie jonów fosforanowych z moczem. Ponieważ fosforany łączą się z jonami wapnia, tworząc nierozpuszczalne sole (patrz także minerały kostne ), obniżenie poziomu fosforanów we krwi uwalnia wolne jony wapnia do puli zjonizowanego wapnia w osoczu. PTH ma drugie działanie na nerki. Stymuluje wytwarzanie i uwalnianie przez nerki kalcytriolu do krwi. Ten hormon steroidowy działa na komórki nabłonka górnej części jelita cienkiego, zwiększając ich zdolność do wchłaniania wapnia z treści jelitowej do krwi.

Drugi mechanizm homeostatyczny, z czujnikami w tarczycy, uwalnia kalcytoninę do krwi, gdy wzrasta poziom zjonizowanego wapnia. Hormon ten działa przede wszystkim na kości, powodując szybkie usuwanie wapnia z krwi i odkładanie go w postaci nierozpuszczalnej w kościach.

Dwa mechanizmy homeostatyczne działające poprzez PTH z jednej strony i kalcytoninę z drugiej mogą bardzo szybko skorygować każdy nadchodzący błąd w poziomie zjonizowanego wapnia w osoczu poprzez usunięcie wapnia z krwi i odłożenie go w szkielecie lub usunięcie z niej wapnia . Szkielet działa jako bardzo dużym sklepie wapnia (około 1 kg) w porównaniu z magazynem stężenia wapnia w surowicy (około 180 mg). Długoterminowa regulacja zachodzi poprzez wchłanianie lub utratę wapnia z jelit.

Innym przykładem są najlepiej scharakteryzowane endokannabinoidy, takie jak anandamid ( N -arachidonoiloetanoloamid ; AEA) i 2-arachidonoiloglicerol (2-AG), których synteza zachodzi poprzez działanie szeregu wewnątrzkomórkowych enzymów aktywowanych w odpowiedzi na wzrost wewnątrzkomórkowego poziomu wapnia wprowadzenie homeostazy i zapobieganie rozwojowi nowotworu poprzez przypuszczalne mechanizmy ochronne, które zapobiegają wzrostowi i migracji komórek poprzez aktywację CB1 i/lub CB2 oraz przylegających receptorów .

Stężenie sodu

Mechanizm homeostatyczny, który kontroluje stężenie sodu w osoczu jest bardziej złożony niż większość innych mechanizmów homeostatycznych opisanych na tej stronie.

Czujnik znajduje się w aparacie przykłębuszkowym nerek, który w zaskakująco pośredni sposób wyczuwa stężenie sodu w osoczu. Zamiast mierzyć go bezpośrednio we krwi przepływającej przez komórki przykłębuszkowe, komórki te reagują na stężenie sodu w płynie kanalikowym nerkowym po tym, jak przeszedł on już pewną modyfikację w proksymalnym kanaliku krętym i pętli Henlego . Komórki te reagują również na szybkość przepływu krwi przez aparat przykłębuszkowy, która w normalnych warunkach jest wprost proporcjonalna do ciśnienia tętniczego krwi , co czyni tę tkankę pomocniczym czujnikiem ciśnienia tętniczego krwi.

W odpowiedzi na obniżenie stężenia sodu w osoczu lub spadek ciśnienia tętniczego krwi komórki przykłębuszkowe uwalniają do krwi reninę . Renina jest enzymem, który odszczepia dekapeptyd (krótki łańcuch białkowy o długości 10 aminokwasów) z α-2-globuliny osocza, zwanej angiotensynogenem . Ten dekapeptyd jest znany jako angiotensyna I . Nie ma znanej aktywności biologicznej. Jednakże, gdy krew krąży w płucach, enzym śródbłonka naczyń włosowatych płuc, zwany enzymem konwertującym angiotensynę (ACE), odcina kolejne dwa aminokwasy z angiotensyny I, tworząc oktapeptyd znany jako angiotensyna II . Angiotensyna II jest hormonem, który działa na korę nadnerczy , powodując uwalnianie do krwi hormonu steroidowegoaldosteronu . Angiotensyna II działa również na mięśnie gładkie ścian tętniczek, powodując zwężenie tych naczyń o małej średnicy, co ogranicza odpływ krwi z drzewa tętniczego, powodując wzrost ciśnienia tętniczego krwi. Wzmacnia to zatem działania opisane powyżej (pod nagłówkiem „Tętnicze ciśnienie krwi”), które chronią ciśnienie tętnicze przed zmianami, zwłaszcza niedociśnieniem .

Angiotensyny II stymuluje aldosteronu uwalniane z kłębuszkowej zona z nadnerczy ma wpływ na szczególnie nabłonkowych komórkach dystalnych kanalików i zbieranie przewodów nerek. Tutaj powoduje reabsorpcję jonów sodu z płynu kanalikowego nerki , w zamian za jony potasu, które są wydzielane z osocza krwi do płynu kanalikowego i wydostają się z organizmu wraz z moczem. Reabsorpcja jonów sodu z płynu kanalików nerkowych zatrzymuje dalszą utratę jonów sodu z organizmu, a tym samym zapobiega pogorszeniu hiponatremii . Hiponatremię można skorygować jedynie poprzez spożywanie soli w diecie. Nie jest jednak pewne, czy hiponatremia może wywołać „słony głód” ani jaki mechanizm może do tego doprowadzić.

Gdy stężenie jonów sodowych w osoczu jest wyższe niż normalne ( hipernatremia ), uwalnianie reniny z aparatu przykłębuszkowego zostaje zatrzymane, co powoduje zaprzestanie wytwarzania angiotensyny II, aw konsekwencji uwalnianie aldosteronu do krwi. Nerki reagują wydalaniem jonów sodu do moczu, tym samym normalizując stężenie jonów sodu w osoczu. Niski poziom angiotensyny II we krwi obniża ciśnienie tętnicze krwi jako nieuniknioną odpowiedź towarzyszącą.

Wchłanianie zwrotne jonów sodu z płynu kanalikowego w wyniku wysokiego poziomu aldosteronu we krwi samo w sobie nie powoduje powrotu wody z kanalików nerkowych do krwi z dystalnych kanalików krętych lub przewodów zbiorczych . Dzieje się tak, ponieważ sód jest ponownie wchłaniany w zamian za potas, a zatem powoduje jedynie niewielką zmianę w gradiencie osmotycznym między krwią a płynem kanalikowym. Ponadto nabłonek dystalnych kanalików krętych i przewodów zbiorczych jest nieprzepuszczalny dla wody przy braku hormonu antydiuretycznego (ADH) we krwi. ADH jest częścią kontroli równowagi płynów . Jego poziom we krwi zmienia się wraz z osmolalnością osocza, którą mierzy się w podwzgórzu mózgu. Działanie aldosteronu na kanaliki nerkowe zapobiega utracie sodu do płynu pozakomórkowego (ECF). Nie ma więc zmiany w osmolalności ECF, a zatem nie ma zmiany stężenia ADH w osoczu. Jednak niski poziom aldosteronu powoduje utratę jonów sodu z ECF, co może potencjalnie spowodować zmianę osmolalności zewnątrzkomórkowej, a tym samym poziomu ADH we krwi.

Stężenie potasu

Wysokie stężenie potasu w osoczu powoduje depolaryzację błon komórek strefy kłębuszkowej w zewnętrznej warstwie kory nadnerczy . Powoduje to uwolnienie aldosteronu do krwi.

Aldosteron działa przede wszystkim na dystalne kanaliki kręte i przewody zbiorcze nerek, stymulując wydalanie jonów potasu do moczu. Czyni to jednak poprzez aktywację podstawno - bocznych pomp Na + /K + komórek nabłonka kanalików. Te wymienniki sodowo-potasowe pompują trzy jony sodu z komórki do płynu śródmiąższowego i dwa jony potasu do komórki z płynu śródmiąższowego. Tworzy to gradient stężenia jonów, który powoduje reabsorpcję jonów sodu (Na + ) z płynu kanalikowego do krwi i wydzielanie jonów potasu (K + ) z krwi do moczu (światła przewodu zbiorczego).

Równowaga płynów

Całkowita ilość wody w potrzeb ciała być utrzymywane w równowadze. Równowaga płynów obejmuje utrzymywanie ustabilizowanej objętości płynu, a także utrzymywanie stabilnego poziomu elektrolitów w płynie pozakomórkowym. Równowaga płynów jest utrzymywana przez proces osmoregulacji i zachowanie. Ciśnienie osmotyczne jest wykrywane przez osmoreceptory w pośrodkowym jądrze przedwzrokowym w podwzgórzu . Pomiar osmolalności osocza w celu wskazania zawartości wody w organizmie opiera się na fakcie utraty wody z organizmu (poprzez nieuniknioną utratę wody przez skórę, która nie jest całkowicie wodoszczelna i dlatego zawsze lekko wilgotna, para wodna w wydychane powietrze , pocenie się , wymioty , normalny kał, a zwłaszcza biegunka ) są hipotoniczne , co oznacza, że ​​są mniej słone niż płyny ustrojowe (porównaj na przykład smak śliny ze smakiem łez. Ten ostatni ma prawie taką samą sól zawartość jako płyn pozakomórkowy, podczas gdy pierwszy jest hipotoniczny w stosunku do osocza, ślina nie ma smaku słonego, natomiast łzy są zdecydowanie słone). Prawie wszystkie normalne i nienormalne straty wody w organizmie powodują zatem, że płyn pozakomórkowy staje się hipertoniczny . Odwrotnie, nadmierne przyjmowanie płynów rozcieńcza płyn pozakomórkowy, powodując, że podwzgórze rejestruje stany hipotonicznej hiponatremii .

Gdy podwzgórze wykryje hipertoniczne środowisko zewnątrzkomórkowe, powoduje wydzielanie hormonu antydiuretycznego (ADH) zwanego wazopresyną, który działa na narząd efektorowy, którym w tym przypadku jest nerka . Działanie wazopresyny na kanaliki nerkowe polega na ponownym wchłanianiu wody z dystalnych kanalików krętych i przewodów zbiorczych , zapobiegając w ten sposób nasileniu utraty wody z moczem. Podwzgórze jednocześnie stymuluje pobliskie centrum pragnienia, powodując niemal nieodpartą (jeśli hipertoniczność jest wystarczająco silna) chęć picia wody. Zatrzymanie przepływu moczu zapobiega pogorszeniu hipowolemii i hipertoniczności ; picie wody koryguje wadę.

Hipoosmolalność powoduje bardzo niski poziom ADH w osoczu. Powoduje to zahamowanie wchłaniania zwrotnego wody z kanalików nerkowych, powodując wydalanie dużych ilości bardzo rozcieńczonego moczu, a tym samym pozbycie się nadmiaru wody z organizmu.

Utrata wody z moczem, gdy homeostat wody w organizmie jest nienaruszony, jest kompensacyjną utratą wody, korygującą nadmiar wody w organizmie. Ponieważ jednak nerki nie mogą wytwarzać wody, odruch pragnienia jest najważniejszym mechanizmem drugiego efektora homeostatu wody w organizmie, korygującym wszelkie niedobory wody w organizmie.

pH krwi

2714 Regulacja oddechowa krwi.jpg

PH osocza mogą być zmieniane poprzez zmiany oddechowych ciśnienia cząstkowego dwutlenku węgla; lub zmienione przez zmiany metaboliczne w stosunku kwasu węglowego do jonów wodorowęglanowych . System buforów wodorowęglanowych reguluje stosunek kwasu węglowego do wodorowęglanu tak, aby był równy 1:20, przy czym pH krwi wynosi 7,4 (jak wyjaśniono w równaniu Hendersona-Hasselbalcha ). Zmiana pH osocza powoduje zaburzenie równowagi kwasowo-zasadowej . W homeostazie kwasowo-zasadowej istnieją dwa mechanizmy, które mogą pomóc w regulacji pH. Kompensacja oddechowa mechanizm ośrodka oddechowego , dostosowuje ciśnienie parcjalne dwutlenku węgla poprzez zmianę szybkości i głębokości oddychania, aby przywrócić normalne pH. Ciśnienie cząstkowe dwutlenku węgla determinuje również stężenie kwasu węglowego, a system buforowy wodorowęglanu może również wchodzić w grę. Kompensacja nerek może pomóc systemowi buforowemu wodorowęglanu. Czujnik stężenia wodorowęglanu w osoczu nie jest znany na pewno. Jest bardzo prawdopodobne, że komórki kanalików nerkowych dystalnych kanalików krętych same są wrażliwe na pH osocza. Metabolizm tych komórek wytwarza dwutlenek węgla, który jest szybko przekształcany w wodór i wodorowęglan w wyniku działania anhydrazy węglanowej . Kiedy pH ECF spada (staje się bardziej kwaśne), komórki kanalików nerkowych wydalają jony wodorowe do płynu kanalikowego, aby opuścić organizm wraz z moczem. Jony wodorowęglanowe są jednocześnie wydzielane do krwi, co obniża poziom kwasu węglowego, a co za tym idzie podnosi pH osocza. Odwrotna sytuacja ma miejsce, gdy pH osocza wzrasta powyżej normy: jony wodorowęglanowe są wydalane z moczem, a jony wodorowe uwalniane do osocza.

Kiedy jony wodorowe są wydalane z moczem, a wodorowęglany do krwi, ten ostatni łączy się z nadmiarem jonów wodorowych w osoczu, które stymulowały nerki do wykonania tej operacji. W wyniku reakcji w plazmie powstaje kwas węglowy, który jest w równowadze z ciśnieniem cząstkowym dwutlenku węgla w plazmie. Jest to ściśle regulowane, aby zapewnić, że nie dochodzi do nadmiernego gromadzenia się kwasu węglowego lub wodorowęglanu. Całkowity efekt jest więc taki, że jony wodorowe są tracone z moczem, gdy pH osocza spada. Jednoczesny wzrost stężenia wodorowęglanów w osoczu powoduje wypieranie zwiększonych jonów wodorowych (spowodowanych spadkiem pH osocza), a powstały nadmiar kwasu węglowego jest usuwany w płucach jako dwutlenek węgla. Przywraca to normalny stosunek między wodorowęglanem a ciśnieniem cząstkowym dwutlenku węgla, a tym samym pH osocza. Odwrotna sytuacja ma miejsce, gdy wysokie pH osocza stymuluje nerki do wydzielania jonów wodorowych do krwi i wydalania wodorowęglanów z moczem. Jony wodorowe łączą się z nadmiarem jonów wodorowęglanowych w osoczu, ponownie tworząc nadmiar kwasu węglowego, który może być wydychany jako dwutlenek węgla w płucach, utrzymując stężenie jonów wodorowęglanowych w osoczu, ciśnienie cząstkowe dwutlenku węgla, a zatem , pH osocza, stałe.

Płyn mózgowo-rdzeniowy

Płyn mózgowo-rdzeniowy (PMR) pozwala na regulację dystrybucji substancji między komórkami mózgu, a czynnikami neuroendokrynnymi , których niewielkie zmiany mogą powodować problemy lub uszkodzenie układu nerwowego. Na przykład wysokie stężenie glicyny zaburza kontrolę temperatury i ciśnienia krwi , a wysokie pH płynu mózgowo-rdzeniowego powoduje zawroty głowy i omdlenia .

Neuroprzekaźnictwo

Neurony hamujące w ośrodkowym układzie nerwowym odgrywają homeostatyczną rolę w równowadze aktywności neuronalnej między pobudzeniem a hamowaniem. Neurony hamujące wykorzystujące GABA dokonują kompensacyjnych zmian w sieciach neuronalnych, zapobiegając niekontrolowanemu poziomowi wzbudzenia. Uważa się, że brak równowagi między pobudzeniem a hamowaniem ma związek z wieloma zaburzeniami neuropsychiatrycznymi .

Układ neuroendokrynny

Układ neuroendokrynny to mechanizm, dzięki któremu podwzgórze utrzymuje homeostazę, regulując metabolizm , reprodukcję, zachowania związane z jedzeniem i piciem, wykorzystanie energii, osmolarność i ciśnienie krwi.

Regulacja metabolizmu odbywa się poprzez połączenia podwzgórza z innymi gruczołami. Trzy gruczołów wydzielania wewnętrznego z osi podwzgórze-przysadka-gonady (HPG oś) często współpracują ze sobą i mają ważne funkcje regulacyjne. Dwie inne regulacyjne osie endokrynologiczne to oś podwzgórze–przysadka–nadnercza (oś HPA) i oś podwzgórze–przysadka–tarczyca (oś HPT).

Wątroba posiada również wiele funkcji regulacyjnych metabolizmu. Ważną funkcją jest produkcja i kontrola kwasów żółciowych . Zbyt dużo kwasu żółciowego może być toksyczny dla komórek, a jej synteza może być hamowane przez aktywacji FXR receptorów jądrowych .

Regulacja genów

Na poziomie komórkowym homeostaza jest realizowana przez kilka mechanizmów, w tym regulację transkrypcyjną, która może zmieniać aktywność genów w odpowiedzi na zmiany.

Balans energetyczny

Ilość energii pobieranej poprzez odżywianie musi odpowiadać ilości zużytej energii. Aby osiągnąć homeostazę energii, apetyt regulują dwa hormony, grehlina i leptyna . Grehlin stymuluje głód, a przyjmowanie pokarmu i leptyny działa sygnalizując sytość (sytość).

Przegląd interwencji związanych ze zmianą masy ciała z 2019 r., W tym diet , ćwiczeń i przejadania się, wykazał, że homeostaza masy ciała nie może precyzyjnie skorygować „błędów energetycznych”, utraty lub przyrostu kalorii w krótkim okresie.

Znaczenie kliniczne

Wiele chorób jest wynikiem niepowodzenia homeostazy. Prawie każdy składnik homeostatyczny może działać nieprawidłowo w wyniku dziedzicznej wady , wrodzonego błędu metabolizmu lub choroby nabytej. Niektóre mechanizmy homeostatyczne mają wbudowane redundancje, co zapewnia, że ​​życie nie jest bezpośrednio zagrożone w przypadku nieprawidłowego działania komponentu; ale czasami nieprawidłowe działanie homeostazy może skutkować poważną chorobą, która może być śmiertelna, jeśli nie jest leczona. Dobrze znanym przykładem niepowodzenia homeostazy jest cukrzyca typu 1 . Tutaj regulacji poziomu cukru we krwi nie jest w stanie funkcjonować, ponieważ komórki beta tych wysepek trzustkowych są niszczone i nie może wytwarzać konieczną insuliny . Poziom cukru we krwi wzrasta w stanie zwanym hiperglikemią .

Homeostat zjonizowanego wapnia w osoczu może zostać zakłócony przez stałą, niezmienną, nadprodukcję parathormonu przez gruczolaka przytarczyc, co prowadzi do typowych cech nadczynności przytarczyc , a mianowicie wysokiego poziomu zjonizowanego Ca2 + w osoczu i resorpcji kości, co może prowadzić do spontaniczne złamania. Nienormalnie wysokie stężenia zjonizowanego wapnia w osoczu powodują zmiany konformacyjne w wielu białkach powierzchniowych komórek (zwłaszcza w kanałach jonowych i receptorach hormonów lub neuroprzekaźników), powodując letarg, osłabienie mięśni, anoreksję, zaparcia i niestabilne emocje.

Homeostat wody w organizmie może być zagrożony przez niezdolność do wydzielania ADH w odpowiedzi nawet na normalne codzienne straty wody przez wydychane powietrze, kał i niezauważalne pocenie się . Po otrzymaniu zerowego sygnału ADH we krwi, nerki wytwarzają ogromne, niezmienne ilości bardzo rozcieńczonego moczu, powodując odwodnienie i śmierć, jeśli nie są leczone.

Wraz ze starzeniem się organizmów wydajność ich systemów kontroli ulega zmniejszeniu. Niewydolność stopniowo skutkuje niestabilnym środowiskiem wewnętrznym, które zwiększa ryzyko zachorowania i prowadzi do fizycznych zmian związanych ze starzeniem się.

Różne choroby przewlekłe są kontrolowane przez kompensację homeostatyczną, która maskuje problem, kompensując go (nadrabiając) w inny sposób. Jednak mechanizmy kompensujące w końcu zużywają się lub są zakłócane przez nowy czynnik komplikujący (taki jak pojawienie się współistniejącej ostrej infekcji wirusowej), który powoduje, że organizm chwieje się przez nową kaskadę zdarzeń. Taka dekompensacja demaskuje chorobę podstawową, pogarszając jej objawy. Typowe przykłady obejmują niewyrównaną niewydolność serca , niewydolność nerek i niewydolność wątroby .

Biosfera

W hipotezie Gai , James Lovelock stwierdził, że cała masa żywej materii na Ziemi (lub dowolnej planety z życiem) funkcjonuje jako ogromnej homeostazy superorganizm aktywnie modyfikuje swój planetarny środowisko do wytworzenia warunków środowiskowych niezbędnych dla własnego przetrwania. Z tego punktu widzenia, cała planeta utrzymuje kilka homeostazy (pierwsza to homeostaza temperaturowa). To, czy taki system jest obecny na Ziemi, jest przedmiotem dyskusji. Jednak ogólnie akceptowane są pewne stosunkowo proste mechanizmy homeostatyczne. Na przykład czasami twierdzi się, że gdy poziom dwutlenku węgla w atmosferze wzrośnie, niektóre rośliny mogą lepiej rosnąć, a tym samym działać w celu usunięcia większej ilości dwutlenku węgla z atmosfery. Jednak ocieplenie zaostrzyło susze, czyniąc wodę faktycznym czynnikiem ograniczającym na lądzie. Kiedy światło słoneczne jest obfite, a temperatura atmosfery rośnie, uważa się, że fitoplankton z wód powierzchniowych oceanu, działający jako globalne światło słoneczne, a zatem jako czujniki ciepła, może się rozwijać i wytwarzać więcej siarczku dimetylu (DMS). Cząsteczki DMS działają jak jądra kondensacji chmur , które wytwarzają więcej chmur, a tym samym zwiększają albedo atmosferyczne , a to z powrotem obniża temperaturę atmosfery. Jednak rosnąca temperatura mórz spowodowała rozwarstwienie oceanów, oddzielając ciepłe, nasłonecznione wody od chłodnych, bogatych w składniki odżywcze wód. W ten sposób składniki odżywcze stały się czynnikiem ograniczającym, a poziom planktonu faktycznie spadł w ciągu ostatnich 50 lat, a nie wzrósł. W miarę jak naukowcy odkrywają więcej o Ziemi, odkrywana jest ogromna liczba dodatnich i ujemnych pętli sprzężenia zwrotnego, które razem utrzymują metastabilny stan, czasami w bardzo szerokim zakresie warunków środowiskowych.

Proroczy

Homeostaza predykcyjna jest przewidywaną odpowiedzią na spodziewane wyzwanie w przyszłości, takie jak stymulacja wydzielania insuliny przez hormony jelitowe, które dostają się do krwi w odpowiedzi na posiłek. To wydzielanie insuliny następuje przed wzrostem poziomu cukru we krwi, obniżając poziom cukru we krwi w oczekiwaniu na duży napływ glukozy do krwi w wyniku trawienia węglowodanów w jelitach. Takie reakcje antycypacyjne są systemami z otwartą pętlą, które zasadniczo opierają się na „robocie zgadywania” i nie są samokorygujące. Reakcje wyprzedzające zawsze wymagają systemu sprzężenia zwrotnego z zamkniętą pętlą, aby skorygować „przeregulowania” i „niedoregulowania”, na które podatne są systemy antycypacyjne.

Inne pola

Termin zaczął być używany w innych dziedzinach, na przykład:

Ryzyko

Aktuariusz może odnosić się do homeostazy ryzyka , gdzie (na przykład) ludzi, którzy mają hamulce anti-lock nie mają lepsze wyniki w zakresie bezpieczeństwa niż te bez hamulców anti-lock, ponieważ były nieświadomie zrekompensowania bezpieczniejszego samochodu poprzez mniej bezpiecznych nawyków jazdy. Wcześniej, przed innowacją przeciwblokujących hamulców, niektóre manewry wiązały się z niewielkimi poślizgami, wywołującymi strach i unikanie: teraz system przeciwblokujący przesuwa granicę takich informacji zwrotnych, a wzorce zachowań rozszerzają się na obszar, w którym już nie ma kary. Zasugerowano również, że kryzysy ekologiczne są przykładem homeostazy ryzyka, w której określone zachowanie trwa, dopóki nie wystąpią udowodnione niebezpieczne lub dramatyczne konsekwencje.

Naprężenie

Socjologowie i psychologowie mogą odnosić się do homeostazy stresu , tendencji populacji lub jednostki do pozostawania na określonym poziomie stresu , często generując sztuczne stresy, jeśli „naturalny” poziom stresu jest niewystarczający.

Jean-François Lyotard , teoretyk postmodernistyczny, zastosował ten termin do społecznych „centrów władzy”, które opisuje w The Postmodern Condition jako „rządzone przez zasadę homeostazy”, na przykład hierarchię naukową, która czasami ignoruje radykalne nowe odkrycie od lat, ponieważ destabilizuje wcześniej przyjęte normy.

Technologia

Znane mechanizmy homeostazy technologicznej obejmują:

  • Termostat działa poprzez przełączanie grzejniki lub klimatyzacyjne i wyłączany w odpowiedzi na sygnał wyjściowy z czujnika temperatury.
  • Tempomat reguluje przepustnicę samochodu w odpowiedzi na zmiany prędkości.
  • Autopilot działa kierownice z samolotu lub statku w odpowiedzi na odchylenia od zadanego Kompas lub trasy.
  • Systemy sterowania procesami w zakładach chemicznych lub rafinerii ropy naftowej utrzymują poziomy płynów, ciśnienia, temperaturę, skład chemiczny itp. poprzez sterowanie grzejnikami, pompami i zaworami.
  • Regulator odśrodkowy obrotów z silnika parowego , według projektu James Watt 1788, zmniejsza się przepustnicę w odpowiedzi na wzrost w prędkości obrotowej, a otwiera zawór, gdy prędkość spada poniżej stopy wstępnie zadanej.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki