Otoczenie naturalne, charakteryzowane m.in. przez swą temperaturę, ciśnienie barometryczne i wilgotność, stanowi środowisko zewnętrzne żywych organizmów.

W 1859 r. Claude Bernard przeciwstawił warunkom zewnętrznym, środowisko wewnętrzne ustroju, stwierdzając, iż stałość środowiska wewnętrznego jest warunkiem samodzielnego życia. Tę stałość środowiska wewnętrznego Walter B. Cannon nazwał, w 1929 r. - homeostazą.

HOMEOSTAZA = RÓWNOWAGA

Utrzymanie wewnętrznej równowagi wymaga regulowania lub kontrolowania wartości najważniejszych parametrów wewnętrznego środowiska organizmu. Homeostaza jest niezbędnym warunkiem zdrowia (prawidłowego funkcjonowania) organizmu, a co za tym idzie, choroby u swego podłoża mają zaburzenia mechanizmów utrzymania homeostazy.

Homeostaza jest nieustannie naruszana przez wpływy zewnętrzne o charakterze fizycznym (np. uraz), chemicznym (np. zatrucie), biologicznym (np. infekcji), a także przez substancje odżywcze i produkty przemiany materii oraz zmiany metaboliczne wywołane aktywnością fizyczną.

Procesy homeostatyczne przywracają prawidłowe stosunki regulując temperaturę, objętość i ciśnienie.

W pojęciu homeostazy mieszczą się takie zjawiska jak:

 utrzymanie stałej temperatury ciała (izometria),

 utrzymanie prawidłowych objętości przestrzeni wodnych ustroju,

 utrzymanie prawidłowych ciśnień fizycznych oraz stężeń chemicznych i elektrochemicznych.

1. Utrzymanie stałej temperatury ciała

Mechanizmy termoregulacji umożliwiają dostosowanie ciepła wytworzonego w ustroju (w procesach metabolicznych) i ciepła wymienionego pomiędzy organizmem, a środowiskiem do potrzeb bilansu cieplnego organizmu, co pozwala na utrzymanie względnie stałej temperatury wewnętrznej.

Głównymi elementami układu termoregulacji są:

 termoreceptory obwodowe i termodetektory,

 dwuczęściowy ośrodek termoregulacji, dzięki którym usuwamy jest nadmiar ciepła z organizmu w warunkach obciążenia ciepłem egzogennym lub endogennym, bądź zwiększa się jego produkcja przy ekspozycji do zimna.

Wymiana ciepła między organizmem, a otoczeniem odbywa się na zasadzie praw fizycznych (konwekcja, przewodzenie, promieniowanie i parowanie). Regulowana jest tylko temperatura wewnętrzna, która podlega jednak zmianom dobowym, a u kobiet również zmianom związanym z cyklem menstruacyjnym.

Upośledzenie działania termoregulacji w skrajnych warunkach środowiska prowadzi do obniżenia (hipotermia) lub podwyższenia (hipertermia) temperatury wewnętrznej, które mogą mieć dramatyczne skutki dla zdrowia, a nawet życia człowieka.

2. Utrzymanie prawidłowych objętości przestrzeni wodnych ustroju.

W ciele dorosłego człowieka o masie 70kg znajdują się około 42 litry wody (28 litrów w przedziale wewnątrzkomórkowym - ICF i 14 litrów - wdziale pozakomórkowym - ECF). Prawidłowe nawodnienie ustroju określa się jako euhydratio, zmniejszenie zawartości wody w obu przedziałach - to odwodnienie (hedydratacja), które objawia się osmolnością moczu powyżej 850 OSM · kg^-1.

Płyn przestrzeni pozakomórkowej (ECV) stanowi środowisko wewnętrzne, które otacza komórki ustroju. Ściana naczyń dzieli go na dwie, ściśle ze sobą związane nieustanną wymianą objętości: wenątrznaczyniową objętość osocza (około 3 litry) i czynnościową objętość płynu pozakomórkowego pozanaczyniowego (około 11 litrów). Osocze wraz z około 2 litrami krwinek czerwonych, mieści się w przedziale naczyniowym, tworząc razem objętość krwi, która u dorosłego człowieka wynosi około 5 litrów - normowolnienia. Nie ma terminu, który określałby prawidłową czynnościową objętość płynu pozakomórkowego, chociaż jest to przy przesunięciach płynowych doraźnie najważniejsza objętość zapasowa wody ustrojowej. Zmiana objętości ECV wiąże się ze zmianą objętości osocza, a więc objętości krwi krążącej (BV). Właściwe wypełnienie łożyska naczyniowego jest jednym z podstawowych warunków prawidłowego przepływu krwi przez narządy.

3. Utrzymanie prawidłowych ciśnień fizycznych oraz stężeń chemicznych i elektrochemicznych.

3.1. Zachowanie podobieństwa ciśnień osmotycznych pomiędzy przedziałami płynowymi ustroju (izoosmia).

Przesunięcia płynu między ECV i ICV zależą od różnicy ciśnień osmotycznych osmotycznych. Głównymi cząstkami ECV, które wpływają na międzyprzedziałowe przesunięcia wody są jony NA⁺, Cl^- i HCO^-₀₃. W ICV, głównymi, osmotycznie czynnymi związkami są aniony wielowartościowych makrocząsteczek, jon K⁺ oraz cząstki związków organicznych. O wypijanych lub wlewanych płynach mówi się, że są izotoniczne, gdy ich osmolarność jest równa osmolarności osocza, czyli około 295mOSM·l^-1. należą do takich roztworów m.in. 5% roztwór glukozy lub 0,85% roztwór NaCl.

Toniczność jest więc określeniem fizjologicznym uzależnionym od przenikliwości danej cząstki przez błonę komórkową.

3.2. Utrzymanie stałości składu jonowego (izojonia).

Na pojęcie izojonii składa się utrzymanie równowagii chemicznej (tj. utrzymanie stężeń związków dysocjujących zgodnie z prawem i działania mas) oraz zachowanie elektroneutralności (tj. utrzymanie w danym przedziale płynowym sumy ładunków elektrycznych kationów i anionów bliskiej zeru).

Szczególnym fragmentem izojonii jest izohydria, czyli utrzymywanie w poszczególnych przedziałach płynowych ustroju stałości stężeń jonów wodorowych (H⁺), które wpływa na wiele procesów metabolicznych i regulacyjnych oraz czynność narządów i przesunięcia elektrolitowe.

Jon wodorowy wpływa na aktywność enzymów i białek strukturalnych, na tempo takich przemian biochemicznych jak glikoliza, glukoneogeneza, cykl krebsa, cykl pentozowy syntezę DNA, na przewodnictwo i pobudliwość tkanek, aktywność hormonów, na procesy recepcji w błonach komórkowych, a także na rozmieszczenie kationu potasowego pomiędzy przestrzenią zewnątrz- i wewnątrzkomórkową oraz na powinowactwo hemoglobiny do tlenu (efekt Bohra). Procesy metaboliczne toczą się głównie wewnątrzkomórkowo i dlatego stężenie wewnątrzkomórkowe H⁺ ([H⁺]) ma znaczenie dla ich tempa.

Równowagę kwasowo - zasadową ustroju można badać wewnątrzkomórkowo np. użyciu spektroskopii. Stan równowagi kwasowo - zasadowej pozakomórkowej, która zachowuje się do wewnątrzkomórkowej ocenia się znacznie łatwiej na podstawie parametrów tej równowagi we krwi tętniczej albo w „arterializowanej” krwi włośniczkowej (pobieranej z małżowiny usznej, opuszki palca, dłoni, przedramienia do kapilary).

Normalne wartości parametrów równowagi kwasowo - zasadowej krwi u zdrowego dorosłego osobnika w spoczynku przedstawiono poniżej:

PARAMETR	WARTOŚĆ	ZAKRES ZMIAN
Stężenie [H^+] w osoczu	40 nmoll · l^-1	37 - 43
pH osocza	7,4	7,35 - 7,45
Stężenie [HC^-O3] w osoczu	20 nmoll · l^-1	22 - 26
Prężność CO2 w krwi tętniczej	40 mm Hg	35 - 45
Stężenie zasad buforujących [BB]	40 mmoll · l^-1	45 - 50
Stężenie nadmiaru/niedoboru zasad (BE)	0 mmoll · l^-1	(-2,5) - (+2,5)

Określenie „równowaga kwasowo - zasadowa” dotyczy bilansowego charakteru jonem wodorowym ustroju.

Źródłem „przychodów” w tej gospodarce są zakwaszające i alkalizujące półprodukty lub produkty końcowe procesów metabolicznych, czyli przemiana podstawowa, metabolizmu spożytych pokarmów oraz spalania towarzyszące aktywności fizycznej.

W warunkach spoczynkowych „przychody” ustroju składają się z:

 około 15 moli CO₂ (około 330 litrów) dziennie, który jako lotny produkt przemian jest wydalany przez płuca i nie zakwasza ustroju,

 około 240 mmoli nie lotnych kwasów (HCl, H₂SO₄, H₃PO₄) powstających z przemiany białkowej (z aminokwasów katjonowych - lizyna, arginina, histydyna oraz z aminokwasów zawierających siarkę - cysteina, metionina) oraz z hydrolizy estrów fosforanowych, a także niewielkiej ilości kwasów organicznych nie metabolizujących się do CO₂ (kwas moczowy, glukuronowy),

 około 170 mmoli zasad, powstałych z aminokwasów anionowych (glutaminian, asparaginian) z uwaolnieniem około 110 mmoli wodorowęglanów (HCO^-₃) oraz z rozkładu metabolizujących się do CO₂ anionów organicznych (cytrynian, glukonian, mleczan, jabłczan, szczawian, hydroksymaślan) uwalniających około 60 mmoli wodorowęglanów.

Z powyższego wynika, że dieta bogato białkowa (mięsna) wywiera wpływ zakwaszający, natomiast diety: mleczna, jarska, wegeteriańska - alkalizujący.

„Rozchody” w gospodarce jonu H⁺ odbywają się w warunkach zdrowia głównie przez wentylację płuc (doraźnie) i filtrację nerkową (ostatecznie).

Uwalniane w procesach metabolicznych jony wodorowe są w około 50% przyłączane do obecnych w ICV i ECV wodorowęglanów (HCO^-₃) tworząc H₂CO₃, który następnie pod wpływem anhydrazy węglanowej rozkładany jest do CO₂ i H₂O.

H⁺ + HCO^-₃ H₂CO₃

H₂CO₃ H₂O + CO₂ wydalany przez płuca

Pozostałe 50% uwalnianych jonów H⁺ łączy się z innymi układami buforowymi ustroju (m.in. fosforanami^2-, hemoglobinami^-, białczanami^-), zapobiegając większym wahaniom H⁺.

Bilans jonu wodorowego nie zmienia się w czasie samego procesu buforowania, dopiero wydalanie kwaśnego moczu i regeneracja HCO^-₃ w nerkach przywracają stan równowagi i likwidują zaciągnięty dług wodorowęglanowy. Ilość regenerowanych milimoli HCO^-₃ w nerkach, odpowiada dokładnie ilości milimoli H⁺, którymi ustrój został obciążony.

4. Układy buforowe ustroju

W obu przedziałach płynowych ustroju obecne są układy buforowe definiowane jako roztwory słabego kwasu (HA) i związane z nim zasady (A^-). Minimalizują one odchylenia kwasowo - zasadowe łącząc się z jonami H⁺.

Do najważniejszych układów buforowych ustroju należą:

 układ wodorowęglanowy H₂CO₃/NaHCO_3- (stanowi około 53% pojemności buforowej pełnej krwi),

 układ fosforanowy NaH₂PO₄/Na₂HPO₄ (ponad 50% wewnątrzkomórkowej pojemności buforowej),

 układ hemoglobinowy HHb/KHb; HHbO₂/KHbO₂ (oba te układy - stanowią około 42% pojemności buforowej pełnej krwi).

Mechanizmy działania poszczególnych układów buforowych przedstawiono na załączonych schematach.

4.1 Parametry równowagi kwasowo - zasadowej krwi (rkz) i ich zaburzenia.

pH (pH = -kg [H⁺] - ujemny logarytm ze stężenia jonów wodorowych).

Jony wodorowe produkowane są w wielu reakcjach metabolicznych, a ich stężenie jest tak niskie, że mierzy się w nanomolach (nmol). Mimo niewielkiego stężenia [H⁺] szybkość przemian tego jonu jest znaczna i wyraża się w molach na dobę.

O stężeniu jonów H⁺ w danym przedziale płynowym decydują: ciśnienie parcjalne CO₂ (pCO₂), różnica stężeń tzw. mocnych elektrolitów (Na⁺, K⁺, Ca⁺², Mg²⁺, Cl^-), stężenie nielotnych słabych kwasów (fosforaany^-, proteiniany^-, hemoglobiniany^-).

Wartość pH krwi jest więc wypadkową składników oddechowego (p CO₂) i metabolicznego (HCO^-₃). Z tego powodu pomiar wyłącznie tego parametru nie daje pełnego obrazu zaburzeń parametrów rkz i dlatego należy mierzyć pozostałe parametry.

Prężność CO₂ w krwi tętniczej (pCO₂) zależy od czynności układ oddechowego oraz od wielkości wentylacji pęcherzykowej.

Stężenie HCO^-₃ w osoczu - wyraża stężenie tego jonu w osoczu krwi nasyconej CO₂mo prężności 40mmHg, przy pełnym wysyceniu hemoglobiny tlenem. Standardowe stężenie HCO^-₃ nie zależy od pCO₂, gdyż pomiaru dokonuje się po doprowadzeniu pCO₂ do stałego poziomu. HCO^-₃ standardowe zmienia się w wypadkach zaburzeń metabolicznych, gdy we krwi gromadzą się silne kwasy lub zasady, lub gdy dochodzi do utraty bądź akumulacji wodorowęglanów.

Stężenie zasad buforujących BB - jest sumą stężeń wszystkich anionów buforujących pełnej krwi (HCO^-₃, HPO^-2₄, HB^-_, białczany^-). Gdy we krwi gromadzą się silne kwasy (mlekowy, pirogronowy, β-hydroksymasłowy, acetooctowy) jony wodorowe tych kwasów reagują z poszczególnymi anionami buforującymi obniżając ich stężenie. Obniżenie tego stężenia jest równe ilości jonów H⁺ jaka nagromadziła się w każdym litrze pełnej krwi.

Stężenie nadmiaru/niedoboru zasad BE - jest różnicą pomiędzy aktualnym BB, anormalnym (standardowym) BB przyjętym za 40mmoll·l^-1. parametr ten ulega zmianie przy metabolicznych zaburzeniach równowagi kwasowo - zasadowej krwi i jest miarą ilości kwasów lub zasad jaka nagromadziła się w każdym litrze płynu pozakomórkowego. Interpretacja zaburzeń równowagi kwasowo - zasadowej opiera się na pomiarach i ocenie w/w parametrów, co jest możliwe dzięki różnego rodzaju analizatorom gazometrycznym.

Proste zaburzenia rkz mogą mieć pochodzenie oddechowe albo metaboliczne. W pierwszych kompensacja zachodzi drogą nerkową, w drugich - oddechową, a kierunki pierwotnych zmian pCO₂, BB i BE, jak i kompensacyjnych są takie same.

Wyróżnia się 6 typów prostych zaburzeń rkz:

 alkaloza oddechowa ostra i przewlekła,

 kwasica oddechowa ostra i przewlekła,

 alkaloza metaboliczna,

 kwasica metaboliczna,

Proste zaburzenia pierwotne		Kompensacja
rodzaj	nazwa	nerkowa	oddechowa
Oddechowe pCO2 pCO2	alkaloza kwasica	BE BE
Metaboliczne BE, BB, HCO^-3 BE, BB, HCO^-3	alkaloza kwasica		pCO2 pCO2

4.2 Równowaga kwasowo - zasadowa a wysiłek fizyczny

W większości przypadków, codzienne wysiłki zdrowych ludzi wykonywane są bez zaburzeń rkz. Z drugiej jednak strony właśnie wysiłek fizyczny jest najczęstszym bodźcem, który pomimo realizacji buforowych powoduje czasowe zakwaszenie mięśni i środowiska wewnętrznego ustroju. Stopień zakwaszenia oraz dynamika przywracania równowagi kwasowo - zasadowej po wysiłku zależą w głównej mierze od rodzaju wysiłku i stopnia wytrenowania organizmu.

Biorąc pod uwagę zmiany parametrów rkz oraz intensywność i czas trwania wysiłku fizycznego można wyróżnić:

 Wysiłki długotrwałe, oparte na energetyce tlenowej, które z reguły nie wywołują zakwaszenia organizmu. Ich tolerancja wiąże się z zasobami glikogenu mięśniowego i wątrobowego.

 Wysiłki średniodługie i krótkotrwałe przedłużone, oparte na energetyce tlenowej i beztlenowej, które doprowadzą do zmęczenia w okresie do 15 minut. Mają one różną dynamikę, ale przekraczając próg mleczanowy, prowadzą do kwasicy mleczanowej. Odpowiedzią organizmu jest zwiększona wentylacja płuc i zmniejszenie zapasu buforów ustrojowych.

 Wysiłki krótkotrwałe maksymalne, prowadzące do zmęczenia w ciągu 1 minuty, w których źródłem energii są procesy beztlenowe rozpad fosfokreatyny i glikoliza beztlenowa. Wyrównawczą reakcją organizmu jest hiperwentylacja, zagęszczenie osocza i wzrost osmolarności komórek mięśniowych, które uwalniają do przestrzeni pozakomórkowej kationy potasu i wodoru oraz aniony mleczanowe.

5. Przykładowa zależność funkcjonowania poszczególnych układów

Przykład 1.

- np.: zadaniem układu krwionośnego jest przekazanie do wątroby pobranych przez układ pokarmowy substancji za pośrednictwem układu wrotnego

- np.: za pośrednictwem naczyń krwionośnych transportowany jest tlen wykorzystywany do spalania związków organicznych jakie zostają pobrane przez układ pokarmowy

Przykład 2

- np.: zbędne produkty przemiany materii po przejściu przez układ pokarmowy, za pośrednictwem naczyń krwionośnych trafiają do nerek gdzie z przesączu krwi powstaje mocz

-np.: witamina D będąca steroidowym prohormonem, powstaje w skórze pod wpływem światła. Jest przekształca w nerkach (tez w wątrobie) w hormon zwany kalcytriolem, którego zadaniem jest pobudzanie transportu wapnia ze światła przewodu pokarmowego do krwi

Przykład 3

np.: hormony wydzielane przez gruczoły układu dokrewnego wpływają na:

1 - pobudzają rozwój zewnętrznych narządów

płciowych

2 - popęd płciowy

3 - regulacja cykli menstruacyjnych

4 - kontrola przebiegu ciąży

Przykład 4

np.: tzw. „gęsia skorka” pojawia się kiedy odczuwamy zimno, czegoś się przestraszymy - receptory znajdujące się w skórze za pośrednictwem układu nerwowego informują nas o tym

np.: w sytuacjach stresujących pocimy się co jest spowodowane pobudzeniem gruczołów potowych znajdujących się w skórze właściwej

13

anhydraza

węglanowa

---