24.Homeostaza w organizmie. Mechanizm działania hormonów.
Homeostaza (gr. homoíos - podobny, równy; stásis - trwanie) jest to zespół mechanizmów odpowiadający za zdolność u do utrzymywania się w stanie równowagi układu dynamicznego w którym zachodzą procesy biologiczne, z tym jest to zawsze równowaga dynamiczna. Homeostaza jest to stałość parametrów środowiska w organizmie np. w płynach wewnątrz i zewnątrzkomórkowych. Pojęcie homeostazy wprowadził Walter Cannon w 1939 roku na podstawie założeń Claude Bernarda z 1857 r. dotyczących stabilności środowiska wewnętrznego. Z homeostazą wiąże sie ściśle zdrowie ponieważ wiele chorób jest skutkiem zaburzenie mechanizmów homeostazy . Mechanizmy homeostazy są ciagłe i nieprzerwane oraz działają na wielu poziomach śród komórkowym (w cytoplazmie danej komórki) tkankowym (w danej tkance np. tkance nerwowej) układów (w zakresie danego układu np. Krwionośnego ) .
Mechanizmy dostosowawcze to dostosowanie się organizmu do danej sytuacji spowodowanymi czynnikami zewnętrznymi, np. upał- pobudza jako bodziec receptory zawarte w skórze (mechareceptory) wysyła sygnał do mózgu, po czym efektor w tym momencie w formie potu ochładza nadmiernie nagrzaną powierzchnię skóry, chroniąc ją. W ten sposób zaistniała termoregulacja. Stanowi ona jeden ze sposobów kontroli stanu płynów zewnątrz- jak też wewnątrzkomórkowych, które odbywają się dzięki receptorom, głównie chemoreceptorom, informacje o stanie określonego parametru są przekazywane drogą impulsów nerwowych do interpretatora, gdzie dokonywane jest zestawienie danej informacji z wartością prawidłową- stałą (tzw. punkt nastawczy) lub, co zdarza się częściej, z jej przedziałami akceptowalnymi. Gdy aktualny stan jest zbyt niski, bądź zbyt wysoki wywołana jest odpowiedź poprzez efektor przystosowująca do zaistniałej okoliczności. Poza temperaturą ciała ma wpływ również na pH krwi, ciśnienie osmotyczne, objętość płynów ustrojowych, stężenie związków chemicznych w płynach ustrojowych, ciśnienie tętnicze krwi, ciśnienie parcjalne tlenu i dwutlenku węgla we krwi.
Utrzymanie homeostazy wymaga kontrolowania i regulowania wielu najważniejszych parametrów organizmu takich jak temperatura ciała (u organizmów stałocieplnych), pH krwi i płynów ustrojowych, pH krwi wynosi około 7,35- 7, 45 dla większości procesów przemiany materii, a wyrażamy to jako równowaga kwasowo- zasadowa- warunkuje prawidłowy przebieg procesów życiowych przez odpowiednie pH i swoisty stosunek kationów i anionów w płynach ustrojowych. Produkty, które powstają podczas przemiany materii to głównie kwasy, więc ustrój jest zakwaszony. Wydalanie kwasów i zasad odbywa się dzięki nerkom, kwasu węglowego (utlenianie węglowodanów, tłuszczów i białek) przez płuca przy procesie oddychania. Związki fosforu są metabolizowane do kwasu fosforowego, a jeśli przemiana węglowodanów nie przebiega do końca powstaje kwas mlekowy (głodzenia, nadmierny wysiłek fizyczny, niecałkowite spalanie lipidów, zbyt duża ilość tłuszczy przy jednoczesnym braku wodorowęglanów). Zasady tworzą związki jedno- lub dwuwartościowych metali. Jeśli nadmiar jonów nie zostanie zbuforowany na miejscu powstania, pH zostanie naruszone, co wywoła kolejną sytuacjępotrzebną przejęcia sytuacji przez centrum integrujące, a ono z kolei wymusza na efektorze odpowiedź.
Ciśnienie osmotyczne
„Osmoza to specyficzny typ dyfuzji cząsteczek wody (rozpuszczalnika) przez półprzepuszczalną błonę komórkową rozdzielającą roztwory o różnych stężeniach; kierunek przepływu (transportu) jest więc od roztworu o mniejszym stężeniu (albo od czystego rozpuszczalnika) do roztworu o stężeniu większym”- zdefiniowanie ułatwi wyjaśnienie pojęcia ciśnienia osmotycznego, zatem ciśnienie osmotyczne to różne wywieranie ciśnień na półprzepuszczalną membranę (błonę komórki), co też się wiąże z zawartością wody w organizmie.
Płyny ustrojowe występują w komórkach i pozakomórkowych przestrzeniach, w szczególności w układzie limfatycznym, który w przeciwieństwie do układu krwionośnego jest układem otwartym i chroni nasz organizm przed drobnoustrojami, poza tym uczestniczy w wymianie składników między komórkami, a krwią.
Ciśnienie tętnicze to ciśnienie wywierane przez krew na ścianki tętnicze, czyli ciśnienie krwi w największych tętnicach, np. ramieniu. To ciśnienie ulega zmianom: krótkookresowym (obręb cyklu pracy serca) , średniookresowym (zależne od różnych czynników, m. in. Zażywanie używek, pora dnia, emocje, aktywność), długookresowym (stan zdrowia i wiek). Zdrowy, dorosły człowiek powinien mieć ciśnienie od ok. 90 do 135 mmHg w chwili skurczu serca, czyli najwyższe, a w chwili rozkurczu (najniższe) od ok. 50 do 90 mmHg.
ciśnienie parcjalne tlenu i dwutlenku węgla we krwi.
Ciśnienie parcjalne- różnica gazu po obu stronach błony pęcherzykowo- włośniczkowej. Jedynie w pęcherzykach płucnych zachodzi wymiana gazów i właśnie tam przeprowadzana jest dyfuzja, organizm jest zaopatrywany w O2 i usuwany jest z niego CO2, proces ten przebiega według zgodności z różnicą ciśnień parcjalnych gazu (z gradientem ciśnień). Tlen z pęcherzyków (100 mm Hg) przechodzi do krwi o mniejszym ciśnieniu (40 mm Hg) w tętnicy płucnej. Ciśnienie parcjalne dwutlenku węgla (46 mm Hg) jest większe od powietrza pęcherzykowego (40 mm Hg), więc dwutlenek węgla dyfundują, to oznacza, że poruszają się w przeciwnym kierunku niż tlen- z osocza krwi i krwinek czerwonych do pęcherzyków.
Kontrola wymienionych parametrów odbywa się poprzez receptory (głównie chemoreceptory), które informacje o wartości określonego parametru przekazują do interpretatora (np. w przypadku temperatury ciała ssaków do podwzgórza), gdzie dokonuje się porównanie wartości wykrytej ze stałą wartością prawidłową (tzw. punktem nastawczym) lub, co zdarza się częściej, z jej przedziałami akceptowalnymi. Jeśli aktualny stan parametru jest zbyt wysoki lub zbyt niski, centrum integrujące wymusza na efektorach odpowiedź odpowiednią do sytuacji.
Do mechanizmów homeostatycznych należą:
• wegetatywny układ nerwowy
• układ hormonalny
• układy tkankowe
Mechanizmy wytwarzania odpowiedzi i tym samym regulacji wartości parametru można podzielić na dwie grupy:
fizjologiczne (np. zwiększenie częstotliwości skurczów mięśni w celu podwyższenia temperatury) oraz
behawioralne (np. wyjście z cienia, w tym samym celu).
Fizjologiczne mechanizmy opierają się na sprzężeniu zwrotnym (ang. feedback):
ujemnym
W wyniku tego sprzężenia zwrotnego następuje zmiana wartości parametru na zbliżoną do punktu stałego. Zasadniczo osiągnięcie wartości punktu nastawczego jest niemożliwie, toteż wartości zawsze wymagają regulacji (tzw. ang. hunting about the norm). Możliwe jest modyfikowanie wartości punktu stałego w wyniku adaptacji.
Ujemne sprzężenie zwrotne
Działanie na zasadzie ujemnego sprzężenia zwrotnego zostało przedstawione powyżej przez zamknięte i otwarte układy. Sprzężenie zwrotne ujemne jest fundamentalnym mechanizmem samoregulacyjnym. Jego zadaniem jest utrzymanie danej wartości jakiegoś parametru na odpowiednim poziomie (stałym lub w granicy przyjęcia za normalnym- tu: hormony, pH krwi, stężenie płynów ustrojowych itd.).
Wyrażone fizycznie:
„Mówiąc obrazowo: wartość parametru sprzężonego ujemnie zachowuje się jak niewielka kulka na dnie półkulistego zagłębienia: każde wytrącenie jej z równowagi powoduje powtórne staczanie się w kierunku najniższego punktu, pośrodku zagłębienia. W przypadku sprzężenia zwrotnego ujemnego wartość parametru oscyluje więc wokół wartości zadanej. Jest to więc model równowagi trwałej.” Tak, więc jeśli zajdzie zaburzenie odchylające od normy w stronę przeciwną (ujemną) zmierza do kompensacji tego stanu.
wyprzedzającym (wczesnym)
W wyniku tego sprzężenia zwrotnego występuje reakcja na zmiany parametru kontrolowanego, pomimo że w chwili odpowiedzi wartość parametru pozostaje jeszcze w zakresie wartości akceptowalnych (np. picie wody w czasie jedzenia przez szczury). Wymaga działania celowego - przewidywania.
dodatnim
W wyniku tego sprzężenia zwrotnego występuje reakcja na bodziec, poprzez pogłębienie wartości nieprawidłowej dla innego celu (np. odczuwanie bólu na poziomie neurotransmiterów). W tym sprzężeniu pewne parametry są regulowane, podczas gdy inne mogą przyjmować wartości różne od akceptowalnych i nie podlegają regulacji (ale pozostają pod kontrolą).
Mechanizm działania hormonów.
Ogólnie działanie hormonów polega na aktywacji lub dezaktywacji pewnych mechanizmów komórkowych w tkankach docelowych (narządach docelowych). Na przykład insulina tak wpływa na komórki, że aktywuje mechanizmy pobierania glukozy, co powoduje spadek stężenia glukozy we krwi. Aktywacja lub dezaktywacja odbywa się przez łączenie ze specyficznymi błonowymi lub wewnątrzkomórkowymi receptorami.
Wiele hormonów ma działanie wzajemnie antagonistyczne - np. insulina i glukagon. Insulina powoduje spadek stężenia glukozy we krwi, a glukagon wzrost jej stężenia.
Mechanizmy dziamania hormonów białkowych i sterydowych
hormon białkowy (peptydowy) receptor znajduje sie w błonie komórkowej. Powstaje kompleks hormon-receptor. Powstanie tego kompleksu powoduje zapoczątkowanie reakcji które spowodują aktywację enzymu. Czyli przekształcenie enzymu z formy nieaktywnej w aktywną (czynną) i nastąpi przemiana metabolizmu.
Hormon sterydowy- receptor znajduje sie wewnątrz komórki. Hormon musi przeniknąć przez błonę komórkową i dostrzec do receptora. Dopasowuje się i tworzy sie kompleks hormon-receptor .Powstanie tego kompleksu powoduje aktywację genu (zaangazowanie jądra) ,co powoduje powstanie nowego białka enzymatycznego. Dopiero enzym który został wy syntetyzowany pod wpływem dziamania genu wpływa na zmiane metabolizmu.
Wpływ hormonow na komórki docelowe polega na regulowaniu istniejących procesów fizjologicznych, nie zapoczatkowuja nowych reakcji biologicznych. Działają one jak swoiste biokatalizatory regulujące intensywnosc/natezenie procesow biochemicznych w komórkach. Zmieniając synteze enzymow na poziome jądra komórkowego lub rybosomów np. Aldosteron wzmaga synteze RNA dla enzymów uczestniczacych w transporcie błonowym sodu i potasu. Hormon wzrostu pobudza synteze enzymow w rybosomach. Działanie hormonów na błone komórkowa wiaze sie ze wzrostem przepuszczalnosci i wpływem na procesy transportu łonowego. Hormony anaboliczne takie jak np GH wzmaga transport aminokwasów, a insulina transpotrt glukozy i innych sybstratow. Hormony białkowe peptydowe i aminokwasowe wywieraja odpowiedzni wpływ na komorki za posrednictwem układu drugiego przekaznika do ktorego przyczepia sie cAMP, cyklaza GMP, jony wapnia lub prostaglandyny. Dla hormonow niesterydowych informacja humoralna odbierana jest przez enzym cyklaze adenylową ktora jest receptorem komorkowym dla tej grupy hormonów . Cyklaza adenylowa przekrztałca ATP w cykliczny AMP który aktywuje enzym kinaze białkowa , wzmagająca fosforylacje jednego lub kilku swoich białek lub enzymow w komorce docelowej ( w wyniku tych zmian następuje nasilenie wielu procesów metabolicznych. Niektóre hormony np. Cholecystokinina, kalcytonina, działaja na swoje komórki docelowe za pośrednictwem układu cyklaza guanylowa - cykliczny GMP. Wiekszosc reakcji humoralnych komórek zwiazana jest z jonami wapnia. Hormonalna aktywacja cyklazy adanylowej prowadzi do zmiany stęzenia nie tylko cAMP lecz także jonów wapnia. Wzrost koncentracji jonow wapnia w komórkach pod wpływem hormonów może prowadzić do zmian aktywności enzymów bioracych udział w metabolizmie komorkowym, moze rówiez hamowac cyklaze adenylową na drodze sprzężenia zwrotnego, ograniczając dalsze wytwarzanie cAMP. Wzrost poziomu wapnia może zmieniać przepuszczalność błony komórkowej dla jonów sodu i potasu.
Prostaglandyny głównie z seri E, uwalniające się w komórkach pod wpływem hormonów, moga hamować cyklze adenylowa i zmniejszać stezenie cAMP. Hormony sterydowe działaja na komórki docelowe w nieco odmienny sposób, przenikaja one do komórki i łączą się z białkiem receptorowym rozpuszczonym w cytoplazmie. Kompleks hormon-białko receptorowe transportowany jest do jądra, gdzie dziaóła na genomy rozpoczynając proces transkrypcji określonych genów. Efektem tych zmian jest synteza w cytoplazmie swoistych białek enzymatycznych
1