Marie Nováková REGULACE HOMEOSTÁZA „homeo“ + „stasis“ Claude Bernard „complex organisms are able to maintain their internal environment [extracellular fluid (ECF)] fairly constant in the face of challenges from the external world“ „a free and independent existence is possible only because of the stability of the internal milieu” Walter Cannon „maintaining a steady state within an organism regardless of whether the mechanisms involved were passive (e.g., water movement between capillaries and the interstitium reflecting a balance between hydrostatic and osmotic forces) or active (e.g., storage and release of intracellular glucose)“ Arthur Guyton Koncept homeostázy jako aktivního regulačního mechanismu s cílem minimalizovat disturbance vnitřního prostředí Homeostatické mechanismy – homeostatické regulace - Udržení regulované proměnné ve vnitřním prostředí v rozmezí kompatibilním se životem - Redukce šumu během přenosu informací ve fyziologických systémech Dosažení set pointu Regulovaná veličina („sensed“) - Přítomnost senzoru pro danou veličinu - Udržována v rozmezí fyziologickými mechanismy - Krevní tlak (baroreceptory) - Tělesná teplota (termoreceptory) Neregulovaná veličina („controlled“) - Veličiny, které mohou být měněny nebo modulovány - Senzor není přítomen uvnitř systému - Udržování konstantní proměnné (veličiny) - Srdeční frekvence – autonomní nervový systém – přítomnost senzoru? HOMEOSTATICKÝ REGULAČNÍ SYSTÉM 1. Senzor 2. Mechanismus vedoucí k udržování „normálního“ rozmezí regulované veličiny (set point a jeho význam) 3. Detektor chyby – porovnání signálu se set pointem 4. Chybové hlášení a jeho interpretace 5. Ovladač – regulace výstupu efektoru 6. Vlastní efektor – determinace regulované veličiny (proměnné) HOMEOSTATICKY REGULOVANÉ VELIČINY REGULACE Řízení živých systémů. Živé systémy – otevřené systémy, jejichž existence je vázána na tok energie, substrátů a signálních látek mezi organismem a prostředím v obou směrech. Probíhá na všech úrovních systému (buňka – celý organismus). Regulace nervové vs. Regulace humorální. ZÁKLADNÍ TYPY VAZEB SÉRIOVÁ PARALELNÍ ZPĚTNÁ PŘÍMÁ ZPĚTNÁ NEPŘÍMÁ VAZBA ZÁPORNÁ KLADNÁ Odchylka osciluje nebo se plynule zvětšuje. KLADNÁ ZPĚTNÁ VAZBA FYZIOLOGICKÁ Zajištění systémů, aktivace PATOLOGICKÁ Nestabilita - smrt ZÁPORNÁ ZPĚTNÁ VAZBA •Uplatňuje se v regulacích •Kompenzuje odchylku regulované veličiny •Minimalizuje rozdíl mezi skutečnými hodnotami regulované veličiny a tzv. žádanou hodnotou Regulovaná soustava Regulátor Výstupní veličina regulátoru Regulační odchylka Regulovaná veličina Žádaná hodnota KLADNÁ ZPĚTNÁ VAZBA •Nemá regulační účinek •Odchylku nekompenzuje, ale zesiluje •VYŽADUJE SIGNÁL K UKONČENÍ •Patofyziologie – zánět, horečka, ireverzibilní fáze cirkulačního šoku POZITIVNÍ ZPĚTNÁ VAZBA - PŘÍKLADY Pozdní folikulární fáze (cca 2 dny před ovulací) - Vysoké hladiny estradiolu z preovulačních folikul = změna negativní zpětné vazby do vazby pozitivní - Uvolnění GnRH - Senzitizace adenohypofýzy k GnRH - Zvýšená sekrece LH - Stimulace další sekrece estradiolu a následně stimulace sekrece LH - Permisivní působení progesteronu POZITIVNÍ ZPĚTNÁ VAZBA - PŘÍKLADY Estradiol - R pro oxytocin - R pro prostaglandiny - Gap junctions Oxytocin - Prostaglandiny E2 a F2a - přímá aktivace PLC a vápníkových kanálů = uvolnění vápníku z intracelulárních zásob - Krvácení po expulzi placenty - Dráždění bradavek a ejekce mateřského mléka POZITIVNÍ ZPĚTNÁ VAZBA - PŘÍKLADY Trombin • Velmi malé množství trombinu nedostatečné pro aktivaci fibrinogenu • Čtyři významné zpětnovazebné mechanismy 1 2 3 4 POZITIVNÍ ZPĚTNÁ VAZBA - PŘÍKLADY Agregace trombocytů POZITIVNÍ ZPĚTNÁ VAZBA - PŘÍKLADY FYZIOLOGIE ADAPTACÍ EKOLOGICKÁ FYZIOLOGIE Zkoumá vliv okolního prostředí na živé organismy a jejich schopnost přizpůsobit se změněným podmínkám (Adaptational nebo Environmental Physiology) REAKCE (sekundy, minuty) ADAPTACE (minuty, hodiny, dny) REAKCE (REGULACE): přímá, bezprostřední odezva organismu na změny prostředí ADAPTACE = soubor biochemických, funkčních a strukturálních změn organismu vyvolaných dlouhodobými a opakovanými změnami prostředí ADAPTACE INDIVIDUÁLNÍ GENETICKY FIXOVANÁ ADAPTAČNÍ MECHANISMY = pochody, kterými se navozují nové, funkčně více uspokojivé parametry Smyslem je navodit výhodnější vlastnosti pro přežití jedince či druhu. TRVÁNÍ ADAPTAČNÍHO PROCESU: Minuty - roky DĚLENÍ ADAPTACÍ a) Podle cílové složky • Na chlad • Na teplo • Na dietetický režim • Na změnu nadmořské výšky • Na složení atmosférického vzduchu • Na tělesnou zátěž………. b) Podle výstupu •Adaptace prvosignální: změny na úrovni pěti základních smyslů •Adaptace druhosignální: změny celkového chování ADAPTACE KONFORMAČNÍ Organismy jsou nuceny k vytvoření jiné celkové úrovně sledovaných veličin ADAPTACE REGULAČNÍ Mění se operační rozsah funkce MECHANISMY ADAPTACÍ 1. Projev plasticity nervové soustavy • změny na molekulární úrovni v CNS • změny genové exprese • regulace počtu trnů neuronů • změny v zapojení neuronových sítí (kortikálních polí) 2) Změny velikosti orgánů (adaptace na fyzickou zátěž) 3) Změny vegetativního tonu (sportovci) 4) Krátkodobé změny barvy kůže (opalování) ADAPTAČNÍ MECHANISMY – OBECNÝ POHLED FENOTYPOVÉ A GENOTYPOVÉ – morfologický (ANATOMICKÝ) a funkční (FYZIOLOGICKÝ) status - Velikost potních žláz - Podkožní tuk - Metabolismus/energetický obrat - Pocení - Pohybová aktivita Příklad: termoregulace AKLIMACE Reakce celého organismu na změnu jednoho faktoru zevního prostředí AKLIMATIZACE Reakce celého organismu na změnu více faktorů zevního prostředí CIVILIZAČNÍ NEMOCI = nemoci z maladaptace •vředová choroba žaludku •hypertenze •ICHS •psychozy •neurozy ZKOUMÁNÍ ADAPTACÍ na zvířatech na dobrovolnících ADAPTACE NA CHLAD A TEPLO ADAPTACE NA CHLAD A TEPLO ADAPTACE NA CHLAD 1. OCHRANA PŘED ZTRÁTAMI TEPLA (peří, vasokonstrikce, zvýšení tukových zásob v podkoží) 2. ZVÝŠENÍ PRODUKCE TEPLA (zvýšení metabolismu) 3. POSUN SET-POINTU SMĚREM DOLŮ (opak horečky, chování jako u hibernujících zvířat) ADAPTACE IZOLAČNÍ METABOLICKÁ HYPOTERMNÍ 18.století: přežívání námořníků ve studené vodě 1887: V. Priesnitz, S. Kneipp Lidé v zimě snáší lépe nižší teploty než v létě. Aklimace. Člověk: jako tropická zvířata Tuleň, liška, racek: arktická zvířata (termoneutrální zóna mezi 20 – 40°C, pod 20°C termoregulují) U člověka se uplatní vždy všechny tři adaptační mechanismy. U adaptovaných – klesá spotřeba O2, nemění se TF, stoupá TK (o 20 – 40 Torrů), snižuje se pocit dyskomfortu (nastupuje při nižší teplotě), klesá set-point (o 0,75°C). PRŮBĚH ADAPTACE - Především přenastavení set-pointu - Změna jídelníčku (vyšší příjem energie, ale bez nárůstu hmotnosti, pomalu narůstá procento tělesného tuku) - Chladová diuréza (vylučování Na+ a K+) – až 60x, zprostředkováno ANF, hemokoncentrace, zvýšení počtu leukocytů i erytrocytů - Změny glykémie: u neadaptovaných klesá (stres), u adaptovaných vzrůstá (není stres) - Snížení prahu pro bolest na kůži (celková habituace – snížení citlivosti receptorů); stresová analgézie v průběhu adaptace - Klesá práh pro svalový třes ADAPTACE NA TEPLO 1) SEKRECE POTU se až zdvojnásobuje 2) PRÁH PRO POCENÍ se posouvá k nižším teplotám (jádra i povrchu) 3) SNÍŽENÍ OBSAHU ELEKTROLYTŮ V POTU 4) POCIT ŽÍZNĚ se zvyšuje 5) HIDROMEIOSIS (pokles sekrece potu ve vlhkém horkém klimatu, po období profúzního pocení; snižuje nepotřebné odkapávání potu) 6) ADAPTACE TOLERANCE NA HORKO u obyvatel tropů, práh pocení je posunut k vyšším tělesným teplotám. POZOR na tělesnou práci!!! ADAPTACE NA VYSOKOHORSKÉ PROSTŘEDÍ VÝŠKOVÁ AKLIMATIZACE (dlouhotrvající pobyt) Probíhá minimálně několik týdnů, plně rozvinutá po měsících až létech. REAKCE KARDIOVASKULÁRNÍ: normalizace SF a MO, zúžení plicních arteriol – plicní hypertenze REAKCE RESPIRAČNÍ: minutová ventilace se stabilizuje (přímo úměrně výškové hypoxii), centrální chemoreceptory se adaptují ZVÝŠENÁ SEKRECE ERYTROPOETINU: polyglobulie, zvýšení transportní kapacity krve pro O2, zvýšení viskozity krve, zvýšení hustoty mitochondrií, zvýšení obsahu myoglobinu ADAPTACE NA VYSOKOHORSKÉ PROSTŘEDÍ DOPORUČENÍ K AKLIMATIZACI NA VYSOKOHORSKÉ PROSTŘEDÍ: Po 3 dnech: ustálí se A-B rovnováha, začne se zvyšoval Hb Po několika týdnech: je možné podat i atletický výkon GENETICKÁ VÝBAVA U HORSKÝCH NÁRODŮ: • Větší hrudník • Větší kapilární řečiště v plicích • Větší objem srdce (EDV) • Větší minutový srdeční výdej • Vyšší koncentrace Hb • Zvýšené množství kostní dřeně PATOLOGICKÉ REAKCE NA VYSOKOHORSKÉ PROSTŘEDÍ: • Horská nemoc (nad 3 tis. m.n.m.) • Vysokohorská dezorientace (porucha - nad 5 tis. m.n.m.) • Vysokohorský edém Adaptace od dětství??? ADAPTACE NA TĚLESNOU ZÁTĚŽ 1. Svalová hypertrofie 2. Atletické srdce Atletické srdce: •Hypertrofie dilatace •Zvýšená objemová rezerva (1,5x) •Zvýšená chronotropní rezerva „Fyziologická“ hypertrofie •Prodloužení svalových vláken a zvětšení jejich tloušťky (NIKOLIV počtu!!!) •Remodelace doprovázena normální nebo zvýšenou kontraktilitou (rychlost hydrolýzy ATP myosinem a maximální rychlost svalového zkrácení jsou buď normální nebo zvýšené) •Ve svalech: zvětšení počtu mitochondrií, zvýšení aktivity enzymů oxidativního metabolismu, zmnožení kapilár ADAPTACE NA TĚLESNOU ZÁTĚŽ ADAPTACE NA TĚLESNOU ZÁTĚŽ Transversální řezy srdcem: hypertonické srdce s koncentrickou hypertrofií (vlevo) normální srdce (uprostřed) hypertonické srdce s excentrickou hypertrofií = hypertrofie + dilatace (vpravo) CVIČENÍ A SRDCE – DOBRÉ, ŠPATNÉ, ŠKODLIVÉ ???