Mechanizmy homeostazy

80
Mechanizmy homeostazy
W organizmie nieustannie zachodzi ogromna ilość procesów biologicznych, wymagających względnie stałych warunków. Oznacza to, że parametry określające stan środowiska wewnętrznego mogą wahać się tylko
w pewnych wąskich granicach, w tzw. zakresie tolerancji. Jednocześnie wartość parametrów fizykochemicznych środowiska otaczającego organizm waha się dość znacznie. Wpływ zmieniających się warunków
zewnętrznych dość szybko doprowadziłby do zaburzeń w funkcjonowaniu
organizmu, a w konsekwencji do śmierci, gdyby nie jego zdolność do
zachowania względnie stałego środowiska wewnętrznego. Taki stan dynamicznej równowagi wewnętrznej nazywa się homeostazą. Jej utrzymanie
polega na kontroli i regulacji (na zasadzie sprzężenia zwrotnego, głównie
ujemnego) wartości najważniejszych parametrów wewnętrznego środowiska organizmu: temperatury ciała, pH krwi i płynów ustrojowych, ciśnienia
osmotycznego i objętości płynów ustrojowych (czyli stanu nawodnienia organizmu), stężenia związków chemicznych w płynach ustrojowych
(np. glukozy w osoczu), ciśnienia tętniczego krwi oraz zawartości tlenu
i dwutlenku węgla we krwi. W kontroli biorą udział receptory (przede
wszystkim chemoreceptory), które przekazują informacje do interpretatora
(np. w przypadku temperatury ciała jest nim podwzgórze). Tam następuje
sprawdzenie, czy wartość parametru środowiska wewnętrznego mieści
się w zakresie tolerancji. Jeżeli aktualna wartość parametru wykracza
poza ten zakres (jest zbyt wysoka lub zbyt niska), następuje uruchomienie mechanizmów korygujących. Mechanizmy te dzieli się na dwie
grupy: fizjologiczne oraz behawioralne (zachowania). W utrzymaniu
homeostazy ważną rolę odgrywają mechanizmy termoregulacji oraz praca
wątroby.
Zakres mechanizmów homeostatycznych
Termoregulacja. Termoreceptory w skórze właściwej wykrywają zmiany
jej temperatury wykraczające poza zakres tolerancji i wysyłają impulsy
nerwowe do podwzgórza, które wywołuje reakcje przywracające optymalną
temperaturę ciała.
Regulacja ilości gazów oddechowych we krwi. Tlen musi zostać dostarczony do wszystkich komórek organizmu, a dwutlenek węgla (produkt
oddychania komórkowego) musi zostać z nich usunięty.
Obrona przed patogenami. Każdy człowiek jest nieustannie atakowany
przez patogeny. W obronie organizmu przed patogenami biorą udział
skóra, układ trawienny i układ odpornościowy.
Utrzymywanie równowagi wodno-elektrolitowej. Odpowiednie stężenia wody i jonów w organizmie są utrzymywane głównie przez nerki.
Ważną rolę w tym procesie odgrywa również skóra, mniejszą – układy oddechowy i pokarmowy. Osmoreceptory nadzorują stężenia płynów i jonów
we krwi, stymulując wydzielanie hormonów regulacyjnych. W nerkach odbywa się resorpcja (odzysk) wody i jonów sodu z krwi w odpowiedzi na
stężenia hormonu ADH (wazopresyny) i aldosteronu.
Zapewnianie dopływu składników pokarmowych. Aby utrzymywać
zapasy energii w organizmie, niezbędne jest przyjmowanie pożywienia
i napojów. Dzięki hormonalnej regulacji stężenia glukozy we krwi komórki dysponują stałą ilością energii. Insulina umożliwia komórkom ciała
wchłanianie glukozy po posiłku. W razie potrzeby glukagon powoduje
uwalnianie glukozy z wątroby.
Naprawa uszkodzeń. Uszkodzenie tkanek ciała wyzwala reakcję obronną
w postaci stanu zapalnego. Pojawia się ból, obrzęk, zaczerwienienie i gorączka. Krwinki białe, wśród nich również fagocyty, kierują się do miejsca
uszkodzenia. Stan zapalny zostaje wywołany i zakończony przez sygnały
chemiczne (np. histaminę i prostaglandyny).
Koordynowanie odpowiedzi na bodźce. Organizm stale odbiera bodźce
pochodzące z otoczenia. Mózgowie dzieli je na wymagające reakcji oraz
takie, które reakcji nie wymagają. Do koordynowania odpowiedzi służą
sygnały nerwowe oraz hormonalne. Proste reakcje nerwowe (odruchy)
następują szybko. Uzyskanie odpowiedzi hormonalnej wymaga dłuższego
czasu i sama odpowiedź również trwa dłużej.
Zasada ujemnego sprzężenia zwrotnego
uaktywnienie mechanizmu
2 korekcyjnego
Zmiana
warunków
zewnętrznych.
2
Zmiana warunków
środowiska
wewnętrznego.
1
Homeostaza
stres
powrót do stanu
3 optymalnego
Efektory, np. mięsień
lub gruczoł, reagują
na zmianę warunków.
stałe, optymalne
środowisko komórkowe
(poziom regulacji)
Receptor wykrywa
zmianę warunków.
ys
ygn
a
Działanie mechanizmów korekcyjnych zmierza do przywrócenia warunków z zakresu tolerancji.
ła n
3
gn
ał
Ośrodek w mózgowiu
lub rdzeniu kręgowym
koordynuje odpowiedź.
ys
Receptory wykrywają stres, w wyniku czego zostają uruchomione mechanizmy korekcyjne.
y
2
ys
Stres bądź zakłócenie równowagi powodują odchylenie warunków środowiska wewnętrznego od stanu optymalnego.
ła n
1
wys
BIOLOGIA Z TANGRAMEM
ł
2
w
1. Opisz rolę mechanizmów ujemnego sprzężenia zwrotnego w zachowaniu homeostazy organizmu.
...............................................................................................................................................................................
2. Podaj dwa mechanizmy mające na celu przywrócenie homeostazy po infekcji czynnikiem chorobotwórczym.
...............................................................................................................................................................................
20 kwietnia 2007 godz. 9:21
c Copyright by GWO 2007. Kopiowanie zabronione
81
Termoregulacja
Ośrodek regulacji temperatury organizmu znajduje się w podwzgórzu.
Utrzymuje on względnie stałą ciepłotę ciała, tj. około 37°C. Podwzgórze reaguje bezpośrednio na zmiany swojej temperatury, a także na impulsy nerwowe pochodzące z receptorów umieszczonych w skórze: termoreceptorów ciepła wykrywających wzrost temperatury skóry powyżej
37,5°C i termoreceptorów zimna wykrywających jej spadek poniżej
35,8°C. W odpowiedzi na zmiany temperatury podwzgórze koordynuje
reakcje nerwowe i hormonalne, których celem jest utrzymanie stałej temperatury ciała. Jednym z mechanizmów obronnych organizmu jest gorączka. Toksyny wytwarzane przez czynniki chorobotwórcze oraz substancje wydzielane przez niektóre krwinki białe powodują, że podnosi się
zakres utrzymywanej przez podwzgórze temperatury. Podwyższona temperatura ciała stymuluje odpowiedź układu odpornościowego, a zarazem
utrudnia namnażanie się niektórych patogenów.
Przeciwdziałanie spadkowi ciepłoty ciała
Przeciwdziałanie przegrzaniu organizmu
Ośrodek zachowania ciepła w podwzgórzu monitoruje spadek temperatury
skóry lub wnętrza ciała poniżej 35,8°C i stymuluje odpowiedź polegającą na
podniesieniu ciepłoty ciała przez intensywniejsze wydzielanie energii cieplnej
w organizmie. Informacja wyzwalająca tę odpowiedź jest przenoszona przede
wszystkim za pośrednictwem nerwów współczulnych autonomicznego układu
nerwowego.
Ośrodek eliminacji ciepła w podwzgórzu monitoruje wzrost temperatury
skóry bądź wnętrza ciała powyżej 37,5°C i stymuluje odpowiedź polegającą
na obniżeniu ciepłoty ciała przez intensywniejsze oddawanie energii cieplnej do otoczenia. Informacja wyzwalająca tę odpowiedź jest przenoszona
przede wszystkim za pośrednictwem nerwów przywspółczulnych autonomicznego układu nerwowego.
Metabolizm
Tyroksyna (wraz z adrenaliną) zwiększa szybkość przemiany
materii, przez co zwiększa się wydzielanie energii cieplnej w organizmie.
W bardzo niskich temperaturach
adrenalina i tyroksyna znacznie
przyspieszają spalanie węglowodanów w wątrobie i mięśniach szkieletowych oraz
rozkład tłuszczów w tkance
tłuszczowej. Zwiększa
to wydzielanie energii
cieplnej w organizmie.
Aktywność mięśniowa
Intensywniejsza praca mięśni
(w tym dreszcze) powoduje
wydzielanie większej ilości
energii cieplnej.
Reakcje naczynioruchowe
Poprzez zwężenie naczyń krwionośnych zostaje zmniejszony
dopływ krwi do skóry. Powoduje
to zmniejszenie wydzielania
energii cieplnej do otoczenia.
Kurczą się mięśnie unoszące
włosy na całym ciele.
Pocenie
Intensywniejsze pocenie się
powoduje chłodzenie skóry.
Czynniki powodujące
wychłodzenie organizmu
czynniki zewnętrzne, np. wiatr,
znaczna różnica temperatur między ciałem a otoczeniem, niewłaściwy ubiór
czynniki wewnętrzne, np. brak aktywności ruchowej, odwodnienie
lub wstrząs
Czynniki powodujące
wzrost ciepłoty ciała
pobieranie energii cieplnej bezpośrednio z otoczenia
intensywna aktywność fizyczna
infekcje
nadmierne zapasy tłuszczu utrudniające pozbywanie się energii
cieplnej
Metabolizm
Spowolnienie procesów metabolicznych powoduje ograniczenie wydzielania energii
cieplnej w organizmie.
Aktywność mięśniowa
Zmniejszenie napięcia
mięśniowego powoduje
ograniczenie wydzielania
energii cieplnej
w organizmie.
Reakcje naczynioruchowe
Poprzez rozszerzenie
naczyń krwionośnych
zostaje zwiększony dopływ
krwi do skóry. Powoduje
to intensywniejsze
wydzielanie energii
cieplnej do otoczenia.
Mięśnie unoszące
włosy rozluźniają się.
...............................................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................................
2. Opisz rolę następujących elementów w regulacji temperatury wewnętrznej ciała:
a) podwzgórze: ...........................................................................................................................................................
b) skóra: ...................................................................................................................................................................
c) hormony: ...............................................................................................................................................................
3. Wyjaśnij, dlaczego parowanie potu powoduje chłodzenie skóry.
...............................................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................................
4. Wyjaśnij, jaką rolę odgrywają tzw. pirogeny w powstawaniu gorączki.
...............................................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................................
c Copyright by GWO 2007. Kopiowanie zabronione
20 kwietnia 2007 godz. 9:21
Homeostaza
1. Podaj dwa mechanizmy, które mogą zostać wykorzystane przez organizm do obniżenia temperatury ciała po intensywnym wysiłku fizycznym.
82
Rola wątroby w utrzymywaniu homeostazy
Wątroba uczestniczy w wielu procesach, dzięki którym utrzymywana jest
homeostaza organizmu. Między innymi: wytwarza żółć, magazynuje i prze-
twarza składniki odżywcze oraz neutralizuje trucizny i zbędne produkty przemiany materii. Odgrywa też główną rolę w procesie regulacji składu krwi.
Funkcje homeostatyczne wątroby
1. Wydzielanie żółci, która ułatwia trawienie i wchłanianie tłuszczów.
2. Rozkład substancji pokarmowych na proste związki chemiczne oraz
regulacja ich przepływu do poszczególnych części ciała.
3. Synteza glukozy (po wyczerpaniu zapasów glikogenu) z surowców
niewęglowodanowych w procesie glukoneogenezy.
4. Wytwarzanie heparyny i białek osocza (np. albumin, globulin, fibrynogenu).
SUBSTANCJE OBECNE
W PRZEWODZIE
POKARMOWYM
cukry
5. Magazynowanie żelaza, miedzi i niektórych witamin (A, D, E, K, B12).
6. Przekształcanie nadmiaru aminokwasów w łatwo usuwany przez nerki
mocznik (w cyklu mocznikowym).
7. Neutralizowanie trucizn lub przekształcanie ich w związki mniej szkodliwe.
8. Fagocytowanie niektórych komórek krwi.
9. Syntetyzowanie cholesterolu z acetyloCo-A.
WĄTROBA
SUBSTANCJE
OBECNE
WE KRWI
Metabolizm węglowodanów i lipidów
glikogeneza (synteza glikogenu)
w obecności insuliny
lipidy
glikogenoliza (rozpad glikogenu)
w obecności glukagonu
glikogen
kwasy tłuszczowe
oraz glicerol
tłuszcze
adrenalina, glukokortykoidy
glukoza
glukoneogeneza (synteza glukozy)
glicerol
glukoza
Metabolizm białek
synteza aminokwasów
nadmiar aminokwasów
endogennych
deaminacja, czyli odłączanie od aminokwasu grupy amonowej,
w którego wyniku wydzielają się α-ketokwas i amoniak
nowe aminokwasy
wytwarzane
w miarę potrzeb
α-ketokwas + NH3
aminokwasy
oddychanie
komórkowe
(cykl Krebsa)
CO2
lub
Homeostaza
przekształcane
w glikogen
cykl
mocznikowy
Wytwarzany w procesie deaminacji
silnie toksyczny amoniak przekształcany
jest w rozpuszczalny związek – mocznik
– usuwany następnie z organizmu.
synteza białek osocza
białka osocza
albuminy
globuliny
fibrynogen
protrombina
Magazynowanie i detoksykacja
sole mineralne
witaminy
krew w żyle
wrotnej wątroby
mocznik
detoksykacja
i/lub rozkład
w komórkach
wątroby
magazynowanie żelaza,
miedzi oraz witamin
rozpuszczalnych
w tłuszczach
hormony
toksyny
rozkład hemoglobiny
żelazo
wydzielanie bilirubiny (barwnika żółciowego)
1. Wyjaśnij, do czego organizm wykorzystuje cholesterol syntetyzowany m.in. przez komórki wątroby.
...............................................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................................
20 kwietnia 2007 godz. 9:21
c Copyright by GWO 2007. Kopiowanie zabronione
83
Stres
Organizm jest narażony na działanie czynników środowiska zewnętrznego, które zakłócają jego czynności, a w sytuacji, gdy ich działanie się przedłuża, są zagrożeniem dla homeostazy organizmu. Czynniki
te nazywa się stresorami, a odpowiedź organizmu na ich działanie
– stresem. Pojęcia stresora i stresu są bardzo nieprecyzyjne. Oprócz
zewnętrznych czynników fizycznych, takich jak wzrost temperatury otoczenia, brak tlenu czy głód, oraz wewnętrznych, np. wzrost temperatury ciała lub stany zapalne, do stresorów zalicza się również czynniki
wywierające wpływ na psychikę, m.in. lęk bądź silne napięcie emocjonalne. W każdym stresie po zadziałaniu stresora w organizmie wyzwala się reakcja alarmowa, która z kolei wyzwala reakcję mobilizacji. Reakcję alarmową inicjuje układ nerwowy. Polega ona na tym, że
receptory rejestrują zmiany i wysyłają odpowiednie sygnały do ośrodkowego układu nerwowego, a konkretnie do podwzgórza. Tam informacje
są analizowane i jeśli zostaną zinterpretowane jako zagrożenie dla organizmu, to podwzgórze za pośrednictwem hormonu kortykoliberyny (CRH)
stymuluje przysadkę mózgową do wydzielania adrenokortykotropiny
(ACTH). Hormon ten pobudza rdzeń nadnerczy do wydzielania adrenaliny
i noradrenaliny, które oddziałując na różne narządy i tkanki, przygotowują organizm do przetrwania sytuacji stresowej. Wzrost poziomu adrenaliny zwrotnie oddziałuje na podwzgórze i tym samym wywołuje reakcję mobilizacji. Podwzgórze ponownie stymuluje przysadkę, która z kolei
pobudza korę nadnerczy do wydzielania kortyzolu, hormonu wzmacniającego działanie adrenaliny i noradrenaliny. Przede wszystkim powoduje
on mobilizację rezerw energetycznych i umożliwia zaspokojenie zwiększonego zapotrzebowania organizmu na energię. Podczas reakcji mobilizacji
występuje stan napięcia emocjonalnego, odczuwa się lekkie zdenerwowanie oraz ogólną chęć do działania. Organizm jest dobrze przygotowany
na przetrwanie krótkotrwałego stresu. Natomiast długotrwały stres, a co
za tym idzie permanentnie utrzymujący się podwyższony poziom we krwi
hormonów stresowych, czyli adrenaliny, noradrenaliny oraz kortyzolu, prowadzi do reakcji wyczerpania. Pojawiają się wtedy niekorzystne dla organizmu objawy, tj. mniejsza odporność, zaburzenia funkcjonowania, co
w konsekwencji może doprowadzić do śmierci organizmu. Stałe działanie kortyzolu zwiększa ryzyko wystąpienia nadciśnienia, wrzodów żołądka,
cukrzycy czy astmy.
Fizjologiczny mechanizm stresu
czynnik stresowy
podwzgórze
kortykoliberyna (CRH)
przysadka mózgowa
adrenokortykotropina (ACTH)
rdzeń nadnerczy
kora nadnerczy
adrenalina i noradrenalina
kortyzol
zwężenie naczyń krwionośnych skóry
i narządów wewnętrznych
zwiększenie ciśnienia krwi
rozszerzenie naczyń krwionośnych mięśni
przyspieszenie akcji serca
przyspieszenie metabolizmu białek i lipidów
nasilenie pocenia się
zwiększenie stężenia glukozy we krwi
oraz stymulacja syntezy glukozy
intensyfikacja rozpadu białek,
lipidów i glikogenu
przyspieszenie syntezy glukozy
intensyfikacja syntezy glikogenu
zwiększenie aktywności umysłowej
zwiększenie aktywności fizycznej
obniżenie aktywności układu odpornościowego
1. Wymień trzy sposoby radzenia sobie ze stresem.
...............................................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................................
c Copyright by GWO 2007. Kopiowanie zabronione
20 kwietnia 2007 godz. 9:21
Homeostaza
rozszerzenie oskrzeli
i intensyfikacja wentylacji płuc
84
Powtórzenie
1. a) Na schemacie skóry zaznacz wymienione struktury: gruczoł potowy, naczynie krwionośne, mięsień prostownik włosa, gruczoł łojowy,
utkanie podskórne.
b) Napisz, która z tych struktur nie pełni funkcji termoregulacyjnej.
...............................................................................................................................................................................
2. Zaznacz zdanie, które poprawnie uwzględnia udział układów nerwowego i dokrewnego w utrzymaniu homeostazy w organizmie.
A. Tylko układ dokrewny bierze udział w utrzymaniu homeostazy w organizmie.
B. Tylko układ nerwowy bierze udział w utrzymaniu homeostazy w organizmie.
C. Zarówno układ nerwowy, jak i dokrewny biorą udział utrzymaniu homeostazy w organizmie.
D. Ani układ nerwowy, ani dokrewny nie biorą udziału w utrzymaniu homeostazy w organizmie.
3. Naskórek to zewnętrzna warstwa skóry, zbudowana z kilkunastu rzędów komórek zwanych keratynocytami. Wytwarzają one białko – keratynę.
Wskaż zależność pomiędzy obecnością keratyny w skórze a funkcją skóry.
...............................................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................................
4. Gruczoły potowe występują licznie w skórze w okolicach czoła, grzbietu, pod pachami i w pachwinach. Wydzielany przez nie pot zawiera
około 98% wody.
a) Wymień dwa inne związki, które mogą wchodzić w skład potu.
Homeostaza
...............................................................................................................................................................................
b) Podaj dwie funkcje, oprócz termoregulacyjnej, jakie może pełnić pot w organizmie.
...............................................................................................................................................................................
5. Poniższe stwierdzenia opisują etapy mechanizmów podlegających zasadzie ujemnego sprzężenia zwrotnego. Podaj właściwą kolejność tych
etapów.
A. włączenie mechanizmów korekcyjnych
B. wykrycie przez receptory zmian w środowisku wewnętrznym organizmu
C. stres lub zakłócenie równowagi organizmu
D. przywrócenie warunków z zakresu tolerancji
E. odchylenie parametrów środowiska wewnętrznego od stanu optymalnego
...............................................................................................................................................................................
6. Wymień etapy stresu i wyjaśnij, co się podczas ich trwania dzieje w organizmie.
...............................................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................................
...............................................................................................................................................................................
20 kwietnia 2007 godz. 9:21
c Copyright by GWO 2007. Kopiowanie zabronione