Homeostas - Homeostasis

Inom biologin är homeostas tillståndet av stadiga interna, fysiska och kemiska förhållanden som upprätthålls av levande system . Detta är villkoret för optimal funktion för organismen och innehåller många variabler, såsom kroppstemperatur och vätskebalans , som hålls inom vissa förinställda gränser (homeostatiskt intervall). Andra variabler inkluderar pH av extracellulär vätska , koncentrationerna av natrium- , kalium- och kalciumjoner , såväl som den hos den blodsockernivån , och dessa behöver regleras trots förändringar i miljön, kost, eller aktivitetsnivå. Var och en av dessa variabler styrs av en eller flera regulatorer eller homeostatiska mekanismer, som tillsammans upprätthåller livet.

Homeostas åstadkoms av ett naturligt motstånd mot förändringar när det redan är under de optimala förhållandena och jämvikt upprätthålls av många regleringsmekanismer. Alla homeostatiska kontrollmekanismer har minst tre inbördes beroende komponenter för variabeln som regleras: en receptor, ett kontrollcenter och en effektor. Receptorn är den avkännande komponenten som övervakar och reagerar på förändringar i omgivningen, antingen externa eller interna. Receptorer inkluderar termoreceptorer och mekanoreceptorer . Kontrollcentra inkluderar andningscentralen och renin -angiotensinsystemet . En effektor är målet som ageras för att åstadkomma förändringen tillbaka till normaltillståndet. På cellnivå inkluderar receptorer nukleära receptorer som åstadkommer förändringar i genuttryck genom uppreglering eller nedreglering och verkar i negativa återkopplingsmekanismer . Ett exempel på detta är kontroll av gallsyror i levern .

Vissa centra, såsom renin -angiotensinsystemet , styr mer än en variabel. När receptorn känner av en stimulans reagerar den genom att skicka åtgärdspotentialer till en kontrollcentral. Kontrollcentralen anger underhållsintervallet - de acceptabla övre och nedre gränserna - för den specifika variabeln, till exempel temperatur. Kontrollcentralen svarar på signalen genom att bestämma ett lämpligt svar och skicka signaler till en effektor , som kan vara en eller flera muskler, ett organ eller en körtel . När signalen tas emot och påverkas, ges negativ feedback till receptorn som stoppar behovet av ytterligare signalering.

Den CB1-receptor (CB1), som ligger vid presynaptiska neuronen , är en receptor som kan stoppa stressande signalsubstans utsläpp till den postsynaptiska neuronen; den aktiveras av endokannabinoider (EC) såsom anandamid ( N -arachidonoylethanolamid; AEA) och 2-arachidonoylglycerol (2-AG) via en retrograd signalprocess där dessa föreningar syntetiseras av och frigörs från postsynaptiska neuroner och reser tillbaka till presynaptisk terminal för att binda till CB1 -receptorn för modulering av neurotransmittorfrisättning för att erhålla homeostas.

De fleromättade fettsyror (PUFA) är lipid- derivaten av omega-3 (dokosahexaensyra, DHA och eikosapentaensyra, EPA ) eller omega-6 (arakidonsyra, ARA ) syntetiseras från membran fosfolipider och användas som en prekursor för endokannabinoider ( EC) förmedlar betydande effekter vid finjustering av kroppshomeostas.

Etymologi

Ordet homeostas ( / ˌ h m jag s t s ɪ s / ) använder kombinera former av homeo- och -stasis , New latin från grekiska : ὅμοιος homoios , "liknande" och στάσις stasis , "står stilla", att ge tanken att "förbli densamma".

Historia

Begreppet regleringen av den inre miljön beskrevs av franska fysiologen Claude Bernard 1849, och ordet homeostas myntades av Walter Bradford Cannon 1926. År 1932, Joseph Barcroft en brittisk fysiolog, var den förste att säga att högre hjärnans funktion krävde den mest stabila interna miljön. Således var homeostas i Barcroft inte bara organiserad av hjärnan - homeostas tjänade hjärnan. Homeostas är en nästan uteslutande biologisk term, med hänvisning till de begrepp som beskrivs av Bernard och Cannon, angående beständigheten i den inre miljön där kroppens celler lever och överlever. Termen cybernetik tillämpas på tekniska styrsystem som termostater , som fungerar som homeostatiska mekanismer, men definieras ofta mycket bredare än den biologiska termen homeostas.

Översikt

De metaboliska processerna för alla organismer kan bara äga rum i mycket specifika fysiska och kemiska miljöer. Villkoren varierar med varje organism, och med om de kemiska processerna äger rum inuti cellen eller i den interstitiella vätskan som badar cellerna. De mest kända homeostatiska mekanismerna hos människor och andra däggdjur är regulatorer som håller sammansättningen av den extracellulära vätskan (eller den "inre miljön") konstant, särskilt med avseende på temperaturen , pH , osmolalitet och koncentrationerna av natrium , kalium , glukos , koldioxid och syre . Men många andra homeostatiska mekanismer, som omfattar många aspekter av mänsklig fysiologi , styr andra enheter i kroppen. När nivåerna av variabler är högre eller lägre än de som behövs, har de ofta prefix med hyper- respektive hypo- , såsom hypertermi och hypotermi eller hypertoni och hypotoni .

Dagens variation i kroppstemperatur, från cirka 37,5 ° C från 10 till 18, och sjunker till cirka 36,4 ° C från 2 till 6

Om en enhet är homeostatiskt kontrollerad betyder det inte att dess värde nödvändigtvis är absolut stabilt när det gäller hälsa. Kroppstemperaturen är, till exempel, regleras av en homeostatisk mekanism med temperatursensorer i, genom vilken bland annat hypotalamus av hjärnan . Men börvärdet är regulatorn regelbundet återställs. Kärnkroppstemperaturen hos människor varierar till exempel under dagen (dvs. har en dygnsrytm ), med de lägsta temperaturerna på natten och de högsta på eftermiddagarna. Andra normala temperaturvariationer inkluderar de som är relaterade till menstruationscykeln . Temperaturregulatorns börvärde återställs under infektioner för att producera feber. Organismer kan anpassa sig något till varierande förhållanden såsom temperaturförändringar eller syrenivåer på höjd, genom en acklimatiseringsprocess .

Homeostas styr inte varje aktivitet i kroppen. Till exempel är signalen (det vill säga via neuroner eller hormoner ) från sensorn till effektorn mycket nödvändig för att överföra information om riktningen och storleken på felet som detekteras av sensorn. På samma sätt måste effektorns svar vara mycket justerbart för att vända felet - det borde faktiskt vara nästan i proportion (men i motsatt riktning) till felet som hotar den inre miljön. Till exempel är det arteriella blodtrycket hos däggdjur homeostatiskt kontrollerat och mäts av stretchreceptorer i väggarna i aortabågen och halspulsåderna i början av de inre halspulsådern . Sensorerna skickar meddelanden via sensoriska nerver till hjärnans medulla oblongata som anger om blodtrycket har sjunkit eller stigit, och hur mycket. Medulla oblongata distribuerar sedan meddelanden längs motoriska eller efferenta nerver som tillhör det autonoma nervsystemet till en mängd olika effektororgan, vars aktivitet följaktligen ändras för att vända felet i blodtrycket. Ett av effektororganen är hjärtat vars takt stimuleras att stiga ( takykardi ) när det arteriella blodtrycket sjunker eller att bromsa ( bradykardi ) när trycket stiger över börvärdet. Således är hjärtfrekvensen (för vilken det inte finns någon sensor i kroppen) inte homeostatiskt kontrollerad, utan är en av effektorsvar på fel i det arteriella blodtrycket. Ett annat exempel är graden av svettning . Detta är en av effektorerna i den homeostatiska kontrollen av kroppstemperatur, och därför mycket varierande i grov proportion till värmebelastningen som hotar att destabilisera kroppens kärntemperatur, för vilken det finns en sensor i hjärnans hypothalamus .

Kontroller av variabler

Kärntemperatur

Fåglar myser för värme

Däggdjur reglerar sin kärntemperatur med hjälp av inmatning från termoreceptorer i hypothalamus , hjärna, ryggmärg , inre organ och stora vener. Bortsett från den inre temperaturregleringen kan en process som kallas allostas spela in som anpassar beteendet för att anpassa sig till utmaningen med mycket heta eller kalla extremer (och till andra utmaningar). Dessa justeringar kan innefatta att söka skugga och minska aktiviteten, eller söka varmare förhållanden och öka aktiviteten, eller krama. Beteendemässig termoregulering har företräde framför fysiologisk termoregulering eftersom nödvändiga förändringar kan påverkas snabbare och fysiologisk termoregulering är begränsad i dess förmåga att reagera på extrema temperaturer.

När kärntemperaturen sjunker reduceras blodtillförseln till huden genom intensiv vasokonstriktion . Blodflödet till lemmarna (som har en stor ytarea) reduceras på samma sätt och återförs till stammen via de djupa venerna som ligger bredvid artärerna (bildar venae comitantes ). Detta fungerar som ett motströmsutbytessystem som kortsluter värmen från det arteriella blodet direkt in i det venösa blodet som återvänder till stammen, vilket orsakar minimal värmeförlust från extremiteterna i kallt väder. De subkutana lemvenerna är tätt sammandragna, vilket inte bara minskar värmeförlust från denna källa, utan tvingar också venöst blod in i motströmssystemet i extremiteternas djup.

Metabolismhastigheten ökar, initialt genom icke-skakande termogenes , följt av skakande termogenes om de tidigare reaktionerna är otillräckliga för att korrigera hypotermin .

När temperaturhöjningar upptäcks av termoreceptorer , stimuleras svettkörtlarna i huden via kolinerga sympatiska nerver för att utsöndra svett på huden, vilket, när det avdunstar, kyler huden och blodet som flödar genom det. Panting är en alternativ effektor hos många ryggradsdjur, vilket kyler kroppen också genom avdunstning av vatten, men denna gång från slemhinnorna i halsen och munnen.

Blodsocker

Negativ feedback på jobbet vid reglering av blodsocker. Platt linje är börvärdet för glukosnivå och sinusvåg fluktuationerna av glukos.

Blodsockernivåerna regleras inom ganska snäva gränser. Hos däggdjur är de primära sensorerna för detta betacellerna i bukspottskörteln . Betacellerna svarar på en ökning av blodsockernivån genom att utsöndra insulin i blodet och samtidigt hämma sina närliggande alfaceller från att utsöndra glukagon i blodet. Denna kombination (höga blodinsulinnivåer och låga glukagonhalter) verkar på effektorvävnader, främst lever , fettceller och muskelceller . Levern hindras från att producera glukos , tar upp den istället och omvandlar den till glykogen och triglycerider . Glykogen lagras i levern, men triglyceriderna utsöndras i blodet som mycket lågdensitetslipoproteinpartiklar (VLDL) som tas upp av fettvävnad och lagras som fett. Fettcellerna tar upp glukos genom speciella glukostransportörer ( GLUT4 ), vars antal i cellväggen ökas som en direkt effekt av insulin som verkar på dessa celler. Glukosen som kommer in i fettcellerna på detta sätt omvandlas till triglycerider (via samma metaboliska vägar som används av levern) och lagras sedan i dessa fettceller tillsammans med de VLDL-härledda triglycerider som tillverkades i levern. Muskelceller tar också upp glukos genom insulinkänsliga GLUT4-glukoskanaler och omvandlar det till muskelglykogen.

En minskning av blodsockret, orsakar att insulinutsöndringen stoppas och glukagon utsöndras från alfacellerna i blodet. Detta hämmar upptaget av glukos från blodet i levern, fettcellerna och musklerna. Istället stimuleras levern starkt för att tillverka glukos från glykogen (genom glykogenolys ) och från icke-kolhydratkällor (såsom laktat och de-aminerade aminosyror ) med användning av en process som kallas glukoneogenes . Den sålunda producerade glukosen släpps ut i blodet och korrigerar det upptäckta felet ( hypoglykemi ). Glykogen som lagras i musklerna finns kvar i musklerna och bryts bara ner under träning till glukos-6-fosfat och därefter till pyruvat för att matas in i citronsyracykeln eller förvandlas till laktat . Det är bara laktatet och avfallsprodukterna från citronsyracykeln som återförs till blodet. Levern kan bara ta upp laktatet, och genom energiförbrukande glukoneogenes omvandla den till glukos.

Järnhalter

Kopparreglering

Nivåer av blodgaser

Andningscentret

Förändringar i nivåerna av syre, koldioxid och plasma -pH skickas till andningscentret , i hjärnstammen där de regleras. Det partiella trycket av syre och koldioxid i det arteriella blodet övervakas av de perifera kemoreceptorer ( PNS ) i halsartären och aortabågen . En förändring av partialtrycket av koldioxid detekteras som förändrat pH i cerebrospinalvätska genom centrala kemoreceptorer ( CNS ) i förlängda märgen i hjärnstammen . Information från dessa uppsättningar sensorer skickas till andningscentret som aktiverar effektororganen - membranet och andra andningsmuskler . En ökad nivå av koldioxid i blodet, eller en minskad syrehalt, kommer att resultera i ett djupare andningsmönster och ökad andningsfrekvens för att återföra blodgaserna till jämvikt.

För lite koldioxid och i mindre utsträckning för mycket syre i blodet kan tillfälligt stoppa andningen, ett tillstånd som kallas apné , som fridykare använder för att förlänga tiden de kan stanna under vattnet.

Det partiella trycket av koldioxid är mer av en avgörande faktor i övervakningen av pH. På hög höjd (över 2500 m) har dock övervakningen av syrgadialtrycket företräde och hyperventilation håller syrenivån konstant. Med den lägre koldioxiden, för att hålla pH -värdet på 7,4, utsöndrar njurarna vätejoner i blodet och utsöndrar bikarbonat i urinen. Detta är viktigt vid acklimatisering till hög höjd .

Syreinnehåll i blodet

Njurarna mäter syrehalten snarare än syrgadialtrycket i artärblodet. När syrehalten i blodet är kroniskt låg utsöndrar syrekänsliga celler erytropoietin (EPO) i blodet. Effektorvävnaden är den röda benmärgen som producerar röda blodkroppar (RBC) (erytrocyter). Ökningen av RBC leder till en ökad hematokrit i blodet och efterföljande ökning av hemoglobin som ökar syreförmågan. Detta är den mekanism som gör att höghållare har högre hematokriter än invånare på havsnivå, och också varför personer med lunginsufficiens eller höger-till-vänster shunt i hjärtat (genom vilket venöst blod passerar lungorna och går direkt in i systemsystemet cirkulation) har liknande höga hematokriter.

Oavsett det partiella syretrycket i blodet beror mängden syre som kan transporteras på hemoglobinhalten. Deltrycket av syre kan vara tillräckligt till exempel vid anemi , men hemoglobininnehållet kommer att vara otillräckligt och därefter liksom syrehalten. Med tillräcklig tillgång på järn, vitamin B12 och folsyra kan EPO stimulera RBC -produktion och hemoglobin- och syrehalt återställs till det normala.

Arteriellt blodtryck

Hjärnan kan reglera blodflödet över ett antal blodtrycksvärden genom vasokonstriktion och kärlvidgning av artärerna.

Högtrycksreceptorer som kallas baroreceptorer i väggarna i aortabågen och halspulsåldern (i början av den inre halspulsådern ) övervakar det arteriella blodtrycket . Stigande tryck detekteras när väggarna i artärerna sträcker sig på grund av en ökning av blodvolymen . Detta gör att hjärtmuskelceller utsöndrar hormonet förmaks natriuretisk peptid (ANP) i blodet. Detta verkar på njurarna för att hämma utsöndringen av renin och aldosteron som orsakar frisättning av natrium och medföljande vatten i urinen, vilket minskar blodvolymen. Denna information överförs sedan, via afferenta nervfibrer , till den ensamma kärnan i medulla oblongata . Härifrån stimuleras motoriska nerver som tillhör det autonoma nervsystemet att påverka aktiviteten i främst hjärtat och artärerna med minsta diameter, så kallade arterioler . Arteriolerna är de viktigaste motståndskärlen i artärträdet , och små förändringar i diameter orsakar stora förändringar i motståndet att flöda genom dem. När det arteriella blodtrycket stiger stimuleras arteriolerna att vidgas vilket gör det lättare för blod att lämna artärerna, vilket tömmer dem och tar ner blodtrycket till det normala. Samtidigt stimuleras hjärtat via kolinerga parasympatiska nerver att slå långsammare (kallad bradykardi ), vilket säkerställer att blodtillströmningen till artärerna minskar, vilket ökar trycket och korrigerar det ursprungliga felet.

Lågt tryck i artärerna, orsakar den motsatta reflexen för sammandragning av arteriolerna och en påskyndning av hjärtfrekvensen (kallad takykardi ). Om blodtrycksfallet är mycket snabbt eller överdrivet stimulerar medulla oblongata binjuremedulla via "preganglioniska" sympatiska nerver att utsöndra epinefrin (adrenalin) i blodet. Detta hormon förbättrar takykardin och orsakar allvarlig kärlförträngning av arteriolerna till alla utom det viktiga organet i kroppen (särskilt hjärtat, lungorna och hjärnan). Dessa reaktioner korrigerar vanligtvis det låga arteriella blodtrycket ( hypotoni ) mycket effektivt.

Kalciumnivåer

Kalciumhomeostas

Den plasmajoniserade kalciumkoncentrationen (Ca 2+ ) styrs mycket tätt av ett par homeostatiska mekanismer. Sensorn för den första är belägen i bisköldkörteln , där huvudcellerna känner av Ca 2+ -nivån med hjälp av specialiserade kalciumreceptorer i deras membran. Sensorerna för den andra är parafollikulära celler i sköldkörteln . Bisköldkörtelhuvudcellerna utsöndrar bisköldkörtelhormon (PTH) som svar på en minskning av den joniserade kalciumnivån i plasma; de parafollikulära cellerna i sköldkörteln utsöndrar kalcitonin som svar på en ökning av den plasmajoniserade kalciumnivån.

De effektorceller organ i första homeostatisk mekanism är de ben , den njure , och, via ett hormon släpps ut i blodet av njuren som svar på höga PTH-nivåer i blodet, den tolvfingertarmen och jejunum . Paratyroidhormon (i höga koncentrationer i blodet) orsakar benresorption och frigör kalcium i plasma. Detta är en mycket snabb åtgärd som kan korrigera en hotande hypokalcemi inom några minuter. Höga PTH -koncentrationer orsakar utsöndring av fosfatjoner via urinen. Eftersom fosfater kombineras med kalciumjoner för att bilda olösliga salter (se även benmineral ), frigör en minskning av fosfatnivån i blodet fria kalciumjoner till den plasmajoniserade kalciumpoolen. PTH har en andra åtgärd på njurarna. Det stimulerar tillverkning och frisättning av njurarna av kalcitriol i blodet. Detta steroidhormon verkar på epitelcellerna i den övre tunntarmen och ökar deras förmåga att absorbera kalcium från tarminnehållet i blodet.

Den andra homeostatiska mekanismen, med sina sensorer i sköldkörteln, släpper ut kalcitonin i blodet när det joniserade kalciumsteget stiger. Detta hormon verkar främst på ben, vilket orsakar snabb avlägsnande av kalcium från blodet och avsätter det i olöslig form i benen.

De två homeostatiska mekanismerna som arbetar genom PTH å ena sidan och kalcitonin å andra sidan kan mycket snabbt korrigera alla förestående fel i plasmajoniserad kalciumnivå genom att antingen ta bort kalcium från blodet och avsätta det i skelettet, eller genom att ta bort kalcium från det . Den skelettet fungerar som en extremt stor kalcium store (cirka 1 kg) jämfört med plasmakalcium store (cirka 180 mg). Längre siktreglering sker genom kalciumabsorption eller förlust från tarmen.

Ett annat exempel är de mest välkarakteriserade endokannabinoiderna som anandamid ( N -arachidonoylethanolamid; AEA) och 2-arachidonoylglycerol (2-AG), vars syntes sker genom verkan av en serie intracellulära enzymer aktiverade som svar på en ökning av intracellulära kalciumnivåer att införa homeostas och förebygga tumörutveckling genom förmodade skyddsmekanismer som förhindrar celltillväxt och migration genom aktivering av CB1 och/eller CB2 och angränsande receptorer .

Natriumkoncentration

Den homeostatiska mekanismen som styr plasmakoncentrationen av natrium är snarare mer komplex än de flesta av de andra homeostatiska mekanismerna som beskrivs på denna sida.

Sensorn är belägen i den juxtaglomerulära apparaten i njurarna, som känner av plasmakoncentrationen av natrium på ett överraskande indirekt sätt. I stället för att mäta det direkt i blodet som flyter förbi de juxtaglomerulära cellerna , svarar dessa celler på natriumkoncentrationen i njurrörvätskan efter att den redan har genomgått en viss modifiering i den proximala tvinnade tubulan och slingan hos Henle . Dessa celler reagerar också på blodflödeshastigheten genom juxtaglomerulära apparaten, som under normala omständigheter är direkt proportionell mot det arteriella blodtrycket , vilket gör denna vävnad till en hjälpartär blodtryckssensor.

Som svar på en sänkning av plasmakoncentrationen av natrium eller på ett fall i det arteriella blodtrycket, släpper juxtaglomerulära celler renin ut i blodet. Renin är ett enzym som klyver en decapeptid (en kort proteinkedja, 10 aminosyror lång) från ett plasma α-2-globulin som kallas angiotensinogen . Denna dekapeptid kallas angiotensin I . Det har ingen känd biologisk aktivitet. När blodet cirkulerar genom lungorna klyver emellertid ett pulmonärt kapillärt endotel- enzym som kallas angiotensin-konverterande enzym (ACE) ytterligare två aminosyror från angiotensin I för att bilda en oktapeptid som kallas angiotensin II . Angiotensin II är ett hormon som verkar på binjurebarken , vilket släpps ut i blodet av steroidhormonet , aldosteron . Angiotensin II verkar också på den glatta muskeln i väggarna i arteriolerna, vilket får dessa kärl med liten diameter att sammandragas, vilket begränsar utflödet av blod från artärträdet, vilket får det arteriella blodtrycket att stiga. Detta förstärker därför de åtgärder som beskrivs ovan (under rubriken "Arteriellt blodtryck"), som försvarar det arteriella blodtrycket mot förändringar, särskilt hypotoni .

Angiotensin Il-stimulerad aldosteron frigörs från zona glomerulosa av binjurarna har en effekt på i synnerhet de epiteliala cellerna i de distala veckade tubuli och samlingsrör i njurarna. Här orsakar det reabsorption av natriumjoner från den renala tubulära vätskan , i utbyte mot att kaliumjoner som utsöndras från blodplasma i rörvätskan kommer ut ur kroppen via urinen. Reabsorptionen av natriumjoner från den renala tubulära vätskan stoppar ytterligare natriumjonförluster från kroppen och förhindrar därför försämring av hyponatremi . Hyponatremi kan bara korrigeras genom att konsumera salt i kosten. Det är emellertid inte säkert om en "salthunger" kan initieras av hyponatremi, eller av vilken mekanism detta kan uppstå.

När plasmakoncentrationen av natriumjoner är högre än normalt ( hypernatremi ), stoppas frisättningen av renin från juxtaglomerulära apparaten, vilket upphör med produktionen av angiotensin II och dess följaktliga aldosteronfrisättning i blodet. Njurarna svarar genom att utsöndra natriumjoner i urinen och normaliserar därigenom natriumjonkoncentrationen i plasma. De låga angiotensin II -nivåerna i blodet sänker det arteriella blodtrycket som ett oundvikligt samtidigt svar.

Återabsorptionen av natriumjoner från rörvätskan till följd av höga aldosteronnivåer i blodet orsakar inte i sig att renalt rörvatten återförs till blodet från de distala tvinnade tubulerna eller uppsamlingskanalerna . Detta beror på att natrium reabsorberas i utbyte mot kalium och därför endast orsakar en blygsam förändring av den osmotiska gradienten mellan blodet och rörvätskan. Dessutom är epitelet i de distala tvinnade rören och uppsamlingskanaler ogenomträngliga för vatten i frånvaro av antidiuretiskt hormon (ADH) i blodet. ADH är en del av kontrollen av vätskebalansen . Dess nivåer i blodet varierar med plasmaets osmolalitet , som mäts i hypotalamus i hjärnan. Aldosterons verkan på njurtubuli förhindrar natriumförlust till extracellulär vätska (ECF). Så det finns ingen förändring i osmolaliteten hos ECF, och därför ingen förändring i ADH -koncentrationen av plasma. Emellertid orsakar låga aldosteronnivåer en förlust av natriumjoner från ECF, vilket potentiellt kan orsaka en förändring av extracellulär osmolalitet och därför av ADH -nivåer i blodet.

Kaliumkoncentration

Höga kaliumkoncentrationer i plasma orsakar depolarisering av zona glomerulosa -cellernas membran i det yttre skiktet av binjurebarken . Detta orsakar frisättning av aldosteron i blodet.

Aldosteron verkar främst på de distala invecklade tubuli och uppsamlingskanaler i njurarna, vilket stimulerar utsöndringen av kaliumjoner i urinen. Det gör det dock genom att aktivera de basolaterala Na + /K + -pumparna i de rörformiga epitelcellerna. Dessa natrium/kaliumbytare pumpar ut tre natriumjoner ur cellen, in i den interstitiella vätskan och två kaliumjoner in i cellen från den interstitiella vätskan. Detta skapar en jonisk koncentrationsgradient som resulterar i återabsorption av natrium (Na + ) joner från rörformig vätska i blodet och utsöndring av kalium (K + ) joner från blodet i urinen (lumen i uppsamlingskanalen).

Vätskebalans

Den totala mängden vatten i kroppen måste hållas i balans. Vätskebalans innebär att vätskevolymen hålls stabil , och även att hålla halterna av elektrolyter i den extracellulära vätskan stabil. Vätskebalansen upprätthålls av osmoreguleringsprocessen och av beteende. Osmotiskt tryck detekteras av osmoreceptorer i den mediana preoptiska kärnan i hypothalamus . Mätning av plasma -osmolalitet för att ge en indikation på kroppens vatteninnehåll beror på det faktum att vattenförluster från kroppen (genom oundviklig vattenförlust genom huden som inte är helt vattentät och därför alltid lätt fuktig, vattenånga i utandningsluften , svettningar , kräkningar , normal avföring och särskilt diarré ) är alla hypotoniska , vilket betyder att de är mindre salta än kroppsvätskorna (jämför t.ex. salivens smak med tårar. Den senare har nästan samma salt innehållet som den extracellulära vätskan, medan den förra är hypotonisk med avseende på plasma. Saliv smakar inte salt, medan tårar är avgjort salt). Nästan alla normala och onormala förluster av kroppsvatten gör därför att den extracellulära vätskan blir hypertonisk . Omvänt utspädar överdriven vätskeintag den extracellulära vätskan som får hypotalamus att registrera hypotoniska hyponatremi -tillstånd.

När hypothalamus detekterar en hypertonisk extracellulär miljö, orsakar det utsöndring av ett antidiuretiskt hormon (ADH) som kallas vasopressin som verkar på effektororganet, vilket i detta fall är njuren . Vasopressins effekt på njurtubuli är att återabsorbera vatten från de distala invecklade tubuli och uppsamlingskanaler , vilket förhindrar förvärring av vattenförlusten via urinen. Hypotalamus stimulerar samtidigt det närliggande törstcentret som orsakar en nästan oemotståndlig (om hypertoniteten är tillräckligt allvarlig) lust att dricka vatten. Avbrytandet av urinflödet förhindrar att hypovolemi och hypertonicitet förvärras; dricksvattnet korrigerar felet.

Hypo-osmolalitet resulterar i mycket låga ADH-nivåer i plasma. Detta resulterar i inhibering av vattenreabsorption från njurtubuli, vilket orsakar att stora mängder mycket utspätt urin utsöndras och på så sätt bli av med överflödigt vatten i kroppen.

Urinvattenförlust, när kroppsvattenhomeostaten är intakt, är en kompenserande vattenförlust som korrigerar eventuellt vattenöverskott i kroppen. Eftersom njurarna inte kan generera vatten är törstreflexen den viktigaste andra effektormekanismen för kroppsvattenhomeostaten, vilket korrigerar eventuellt vattenunderskott i kroppen.

Blod pH

2714 Andningsreglering av blod.jpg

Den plasma pH kan ändras genom respiratoriska förändringar i partialtrycket av koldioxid; eller förändras genom metaboliska förändringar i förhållandet kolsyra till bikarbonat . Den bikarbonat-buffertsystemet reglerar förhållandet av kolsyra till bikarbonat att vara lika med 01:20, vid vilket förhållande blod-pH är 7,4 (såsom förklaras i buffertformeln ). En förändring av plasmans pH ger en syra -bas obalans . I syrabas homeostas finns det två mekanismer som kan hjälpa till att reglera pH. Andningskompensation en mekanism i andningscentralen , justerar partialtrycket av koldioxid genom att ändra andningshastighet och djup för att återställa pH -värdet till det normala. Deltrycket av koldioxid bestämmer också koncentrationen av kolsyra, och bikarbonatbuffertsystemet kan också spela in. Njurkompensation kan hjälpa bikarbonatbuffertsystemet. Sensorn för plasmabikarbonatkoncentrationen är inte känd med säkerhet. Det är mycket troligt att de renala tubulära cellerna i de distala tvinnade tubulerna själva är känsliga för plasmaets pH. Metabolismen av dessa celler producerar koldioxid, som snabbt omvandlas till väte och bikarbonat genom verkan av kolsyraanhydras . När ECF -pH sjunker (blir surare) utsöndrar de renala tubulära cellerna vätejoner i rörvätskan för att lämna kroppen via urinen. Bikarbonatjoner utsöndras samtidigt i blodet som minskar kolsyran och följaktligen höjer plasmans pH. Det omvända händer när plasmans pH stiger över det normala: bikarbonatjoner utsöndras i urinen och vätejoner släpps ut i plasma.

När vätejoner utsöndras i urinen och bikarbonat i blodet kombineras det senare med överskott av vätejoner i plasma som stimulerade njurarna att utföra denna operation. Den resulterande reaktionen i plasman är bildandet av kolsyra som är i jämvikt med koldioxidens partiella tryck i plasma. Detta är tätt reglerat för att säkerställa att det inte sker någon överdriven ansamling av kolsyra eller bikarbonat. Den totala effekten är därför att vätejoner tappas i urinen när pH -värdet i plasma sjunker. Den samtidiga ökningen av plasmabikarbonatet dämpar de ökade vätejonerna (orsakad av fallet i plasmaph) och den resulterande överskottet av kolsyra slängs i lungorna som koldioxid. Detta återställer det normala förhållandet mellan bikarbonat och partialtrycket av koldioxid och därför plasma -pH. Det omvända händer när ett högt plasma -pH stimulerar njurarna att utsöndra vätejoner i blodet och att utsöndra bikarbonat i urinen. Vätejonerna kombineras med överskottet av bikarbonatjoner i plasma och bildar återigen ett överskott av kolsyra som kan andas ut, som koldioxid, i lungorna, vilket håller plasmabikarbonatjonkoncentrationen, partialtrycket av koldioxid och därför , plasma -pH, konstant.

Cerebrospinalvätska

Cerebrospinalvätska (CSF) möjliggör reglering av fördelningen av ämnen mellan celler i hjärnan och neuroendokrina faktorer, till vilka små förändringar kan orsaka problem eller skada på nervsystemet. Till exempel, höga glycin koncentrations stör temperatur och blodtryckskontroll, och hög CSF pH orsakar yrsel och svimning .

Neurotransmission

Hämmande neuroner i centrala nervsystemet spelar en homeostatisk roll i balansen mellan neuronal aktivitet mellan excitation och hämning. Hämmande neuroner som använder GABA , gör kompenserande förändringar i de neuronala nätverken som förhindrar spridningsnivåer av excitation. En obalans mellan excitation och hämning ses vara inblandad i ett antal neuropsykiatriska störningar .

Neuroendokrint system

Det neuroendokrina systemet är den mekanism genom vilken hypotalamus upprätthåller homeostas, reglerar ämnesomsättning , reproduktion, ät- och drickbeteende, energianvändning, osmolaritet och blodtryck.

Regleringen av ämnesomsättningen utförs genom hypotalamiska sammankopplingar till andra körtlar. Tre endokrina körtlar i hypothalamus -hypofys -gonadalaxeln (HPG -axeln) fungerar ofta tillsammans och har viktiga regleringsfunktioner. Två andra regulatoriska endokrina axlar är hypothalamus -hypofysen -binjuraxeln (HPA -axeln) och den hypothalamiska -hypofys -sköldkörtelaxeln (HPT -axeln).

I levern har också många reglerande funktioner i ämnesomsättningen. En viktig funktion är produktion och kontroll av gallsyror . För mycket gallsyra kan vara giftigt för celler och dess syntes kan hämmas genom aktivering av FXR en kärnreceptor .

Genreglering

På cellnivå utförs homeostas av flera mekanismer, inklusive transkriptionell reglering som kan förändra aktiviteten hos gener som svar på förändringar.

Energi balans

Mängden energi som tas in genom näring måste matcha mängden energi som används. För att uppnå energi regleras homeostas aptiten av två hormoner, grehlin och leptin . Grehlin stimulerar hunger och intag av mat och leptin verkar för att signalera mättnad (fullhet).

En genomgång av viktförändringsinsatser från 2019, inklusive bantning , träning och överätning, visade att kroppsvikt homeostas inte exakt kunde korrigera för "energifel", förlust eller ökning av kalorier på kort sikt.

Klinisk signifikans

Många sjukdomar är resultatet av ett homeostatiskt misslyckande. Nästan alla homeostatiska komponenter kan fungera fel antingen på grund av en ärftlig defekt , ett medfött ämnesomsättningsfel eller en förvärvad sjukdom. Vissa homeostatiska mekanismer har inbyggda uppsägningar, vilket säkerställer att livet inte omedelbart hotas om en komponent fungerar fel; men ibland kan ett homeostatiskt fel resultera i allvarlig sjukdom, som kan vara dödlig om den inte behandlas. Ett välkänt exempel på ett homeostatiskt misslyckande visas vid typ 1-diabetes mellitus . Här kan blodsockerregleringen inte fungera eftersom betacellerna i bukspottskörteln är förstörda och inte kan producera nödvändigt insulin . Blodsockret stiger i ett tillstånd som kallas hyperglykemi .

Plasmat joniserat kalcium homeostat kan störas av den konstanta, oföränderlig, överproduktion av parathormon från en bisköldkörtel adenom vilket resulterar i typfallet funktioner av hyperparatyreos , joniseras nämligen hög plasma Ca 2 + nivåer och resorptionen av ben, vilket kan leda till spontana frakturer. De onormalt höga plasmajoniserade kalciumkoncentrationerna orsakar konformationsförändringar i många cell-ytproteiner (särskilt jonkanaler och hormon- eller neurotransmittorreceptorer) som ger upphov till slöhet, muskelsvaghet, anorexi, förstoppning och labila känslor.

Kroppsvattenhomeostaten kan äventyras av oförmågan att utsöndra ADH som svar på även de normala dagliga vattenförlusterna via utandningsluften, avföringen och okänslig svettning . När njurarna får en ADH -signal med noll blod producerar njurarna enorma oförändrade mängder mycket utspädd urin, vilket orsakar uttorkning och död om de inte behandlas.

När organismer åldras minskar effektiviteten i deras kontrollsystem. Ineffektiviteten resulterar gradvis i en instabil inre miljö som ökar risken för sjukdom och leder till de fysiska förändringar som är förknippade med åldrande.

Olika kroniska sjukdomar hålls under kontroll genom homeostatisk kompensation, vilket döljer ett problem genom att kompensera för det (kompensera för det) på ett annat sätt. Men kompensationsmekanismerna slits ut eller störs av en ny komplicerande faktor (till exempel tillkomsten av en samtidig akut virusinfektion), som skickar kroppen att rulle genom en ny kaskad av händelser. Sådan dekompensation maskerar den underliggande sjukdomen och förvärrar dess symtom. Vanliga exempel inkluderar dekompenserat hjärtsvikt , njursvikt och leversvikt .

Biosfär

I Gaia hypotes , James Lovelock uppgav att hela massan av levande materia på jorden (eller någon planet med livet) fungerar som en stor homeostatisk superorganism som aktivt ändrar sin planet miljö för att producera de nödvändiga för sin egen överlevnad miljöförhållanden. I denna uppfattning upprätthåller hela planeten flera homeostaser (den primära är temperaturhomeostas). Om denna typ av system finns på jorden är öppen för debatt. Vissa relativt enkla homeostatiska mekanismer accepteras dock allmänt. Till exempel hävdas det ibland att när atmosfäriska koldioxidhalter stiger, kan vissa växter kunna växa bättre och därmed agera för att avlägsna mer koldioxid från atmosfären. Uppvärmningen har dock förvärrat torka, vilket gör vatten till den egentliga begränsande faktorn på land. När solljuset är gott och atmosfärstemperaturen stiger har det hävdats att fytoplankton i havets ytvatten, som fungerar som globalt solsken, och därför värmesensorer, kan frodas och producera mer dimetylsulfid (DMS). DMS -molekylerna fungerar som molnkondensationskärnor , som producerar fler moln och därmed ökar atmosfärens albedo , och detta matar tillbaka för att sänka atmosfärens temperatur. Den stigande havstemperaturen har dock stratifierat haven och separerat varma, solbelysta vatten från svala, näringsrika vatten. Således har näringsämnen blivit den begränsande faktorn, och planktonnivåerna har faktiskt sjunkit under de senaste 50 åren, inte stigit. När forskare upptäcker mer om jorden upptäcks ett stort antal positiva och negativa återkopplingsslingor, som tillsammans upprätthåller ett metastabilt tillstånd, ibland inom ett mycket brett spektrum av miljöförhållanden.

Prediktiv

Prediktiv homeostas är ett förväntat svar på en förväntad utmaning i framtiden, såsom stimulering av insulinsekretion av tarmhormoner som kommer in i blodet som svar på en måltid. Denna insulinsekretion inträffar innan blodsockernivån stiger, vilket sänker blodsockernivån i väntan på en stor tillströmning av blodsocker till följd av matsmältningen av kolhydrater i tarmen. Sådana föregående reaktioner är öppna loop-system som i huvudsak baseras på "gissningsarbete" och som inte är självkorrigerande. Förväntade svar kräver alltid ett negativt återkopplingssystem för slutna kretsar för att korrigera 'överskott' och 'underskott' som de förväntande systemen är benägna till.

Andra fält

Termen har kommit att användas inom andra områden, till exempel:

Risk

En aktuarie kan hänvisa till riskhomeostas , där (till exempel) personer som har låsningsfria bromsar inte har något bättre säkerhetsrekord än de utan låsningsfria bromsar, eftersom de tidigare omedvetet kompenserar för det säkrare fordonet genom mindre säkra körvanor. Före innovationen av låsningsfria bromsar involverade vissa manövrar mindre skridskor, vilket framkallar rädsla och undvikande: Nu flyttar låsningsfria systemet gränsen för sådan feedback, och beteendemönster expanderar till det inte längre straffområdet. Det har också föreslagits att ekologiska kriser är ett exempel på riskhomeostas där ett visst beteende fortsätter tills bevisade farliga eller dramatiska konsekvenser faktiskt inträffar.

Påfrestning

Sociologer och psykologer kan hänvisa till stresshomeostas , tendensen hos en befolkning eller en individ att stanna på en viss stressnivå , vilket ofta genererar konstgjorda påfrestningar om den "naturliga" stressnivån inte räcker.

Jean-François Lyotard , en postmodern teoretiker, har tillämpat denna term på samhälleliga ”maktcentra” som han beskriver i The Postmodern Condition , som ”styrd av en homeostasprincip”, till exempel den vetenskapliga hierarkin, som ibland ignorerar en radikal ny upptäckt i åratal eftersom det destabiliserar tidigare accepterade normer.

Teknologi

Kända tekniska homeostatiska mekanismer inkluderar:

  • En termostat fungerar genom att slå på och stänga av värmare eller luftkonditionering som svar på utsignalen från en temperaturgivare.
  • Farthållaren justerar bilens gasreglage som svar på hastighetsförändringar.
  • En autopilot styr styrning av ett flygplan eller fartyg som svar på avvikelse från ett förinställt kompasslager eller rutt.
  • Processstyrsystem i en kemisk fabrik eller oljeraffinaderi upprätthåller vätskenivåer, tryck, temperatur, kemisk sammansättning etc. genom att styra värmare, pumpar och ventiler.
  • Den centrifugalregulator av en ångmaskin , som designats av James Watt i 1788, reducerar strypventilen som svar på ökningar i motorhastigheten, eller öppnar ventilen om hastigheten faller under den förinställda hastigheten.

Se även

Referenser

Vidare läsning

externa länkar