Homeostaza - co to jest? Zaburzenia homeostazy

Homeostaza (z języka greckiego - homois - czyli podobny, stasis – trwanie lub stanie) unikalna zdolność ustroju do zachowania stałości środowiska wewnętrznego bez względu na działanie czynników zewnętrznych. Na czym polega homeostaza? Czym spowodowane są zaburzenia homeostazy?

Spis treści

1. Budowa komórki a utrzymanie homeostazy
2. Mózg a homeostaza
3. Homeostaza jako efekt sprawnej komunikacji
4. Sprzężenie zwrotne w utrzymaniu homeostazy
5. Jakie są skutki zaburzenia homeostazy?
6. Co może wpływać na zaburzenia homeostazy?

Homeostaza to nic innego jak zdolność organizmu do utrzymania względnej równowagi wewnętrznej. Utrzymanie wewnętrznej stabilności funkcji życiowych wymaga nieustannego monitrowania wartości najważniejszych parametrów ustrojowych. Organizm człowieka posiada około tysiąca różnorodnych systemów kontroli i regulacji – a od ich prawidłowego funkcjonowania zależy często życie i zdrowie.

Do najważniejszych czynników poddawanych zmianom i precyzyjnej kontroli należą m.in.:

• stężenie związków chemicznych w płynach ustrojowych (krwi czy osoczu)
• ciśnienie osmotyczne,
• pH płynów ustrojowych,
• ciśnienie tętnicze krwi,
• objętość płynów ustrojowych,
• temperatura ciała (u organizmów stałocieplnych).

Budowa komórki a utrzymanie homeostazy

W utrzymaniu prawidłowej homeostazy biorą udział wszystkie układy człowieka. Już jednak na podstawowym poziomie budowy komórki doskonale widoczne są istotne cechy warunkujące utrzymanie homeostazy na poziomie globalnym.

Jedną z najważniejszych organelli niezbędnych do utrzymania właściwych parametrów płynów i ciśnienia jest błona komórkowa, która odgranicza komórkę od otoczenia zewnętrznego. Ma budowę tzw. „płynnej mozaiki”, gdzie w podwójnej warstwie cząsteczek fosfolipidów pływają białka.

Dzięki złożonej i polarnej strukturze, błony komórkowe umożliwiają selektywny transport różnorodnych substancji, który odbywa się zarówno na zasadzie dyfuzji - czyli przepływając zgodnie z gradientem stężeń roztworów, ale również aktywnie - za pośrednictwem białek.

Z kolei dzięki specjalnym białkom receptorowym, występującym na powierzchni błon, możliwe jest odbieranie informacji płynących z zewnątrz. Odbiór sygnału uruchamia szereg reakcji, krótko i długotrwałych, których celem jest:

• aktywacja lub dezaktywacja enzymów,
• stymulacja lub osłabienie metabolizmu komórkowego,
• ekspresja genów w jądrze komórkowym (zawierających informację genetyczną niezbędną do syntezy nowych białek modyfikujących metabolizm komórkowy).

Aby komórki i całe układy pozostawały niezależne pod względem energetycznym, niezbędna jest nieustanna praca mitochondriów.

Te niewielkie organelle działają jak małe fabryki energetyczne komórki. Dzięki specjalnej, grzebieniastej budowie wewnętrznej mitochondriów możliwe jest przeprowadzenie szeregu procesów składających się na tzw. oddychanie wewnątrzkomórkowe.

W procesie tym, ze składników odżywczych (m.in. glukozy) możliwe jest wyprodukowanie energii. Jest ona magazynowana w ATP, który jest uniwersalnym przenośnikiem energii w komórce, wykorzystywanym w setkach innych reakcji. Proces ten podlega modyfikacjom w zależności od obecności tlenu.

Podczas intensywnego wysiłku fizycznego, w naszych mięśniach zaczyna brakować niezbędnego tlenu – dlatego mitochondria „przełączają się” na oddychanie beztlenowe, gdzie jako produkt uboczny powstaje kwas mlekowy.

To właśnie ten mechanizm odpowiada za powstanie bolesnych zakwasów. Mimo chwilowo niekorzystnych warunków, organizm nadal może jednak wykonywać pracę i odpowiadać na bodźce.

Mózg a homeostaza

Nadrzędnym ośrodkiem kontrolującym wszelkie procesy w organizmie jest oczywiście mózg – a dokładniej ośrodki nerwowe ośrodkowego układu nerwowego (OUN), które odbierają informacje od receptorów całego ciała.

Odebrane informacje są przetwarzane głównie w części mózgowia nazywanej podwzgórzem. Odpowiedź na konkretny bodziec przekazywana jest dalej za pośrednictwem autonomicznego układu nerwowego (czyli układu przewodzącego impulsy nerwowe do narządów wewnętrznych) oraz przez gruczoły dokrewne.

Ważną rolę w komunikacji i regulacji równowagi wewnętrznej odgrywają również przekaźniki chemiczne, uwalniane z zakończeń neuronów (działające jak transmitery).

Jednym z ważniejszych osiągnięć ewolucyjnych organizmów stałocieplnych było uniezależnienie się od niebezpiecznych zmian temperatury w zamieszkiwanym środowisku. Stało się to możliwe właśnie dzięki rozwojowi mózgu i wykształceniu ośrodka termoregulacji położonego w podwzgórzu.

Ośrodek ten działa jak czuły termostat, który w razie potrzeb decyduje albo o zwiększonym wytwarzaniu ciepła lub ograniczaniu jego utraty. To właśnie dzięki temu mechanizmowi odczuwamy dreszcze (czyli skurcze komórek mięśniowych, które stymulują wytwarzanie ciepła w mięśniach szkieletowych), czy zwężenie naczyń podskórnych.

Innymi, niewidocznymi dla oka zmianami regulującymi temperaturę ciała, sterowanymi również przez ośrodek termoregulacji są np.:

• pobudzenie układu współczulnego i wydzielanie noradrenaliny (przyspieszającej m.in. metabolizm komórek tkanki tłuszczowej),
• pobudzenie wydzielania gruczołów dokrewnych (np. uwalnianie adrenaliny przyspieszającej metabolizm glukozy),
• pobudzenie wydzielania hormonów tarczycy.

Jak widać na przykładzie ośrodka termoregulacji, kontrola zaledwie jednego zmieniającego się parametru w naszym organizmie (temperatury) stanowi bardzo złożoną sieć oddziaływań zarówno układu nerwowego jak i układu hormonalnego.

Homeostaza jako efekt sprawnej komunikacji

W ustroju człowieka prawidłowy przebieg niemal wszystkich funkcji zależy od sprawnej komunikacji pomiędzy komórkami i układami – nie tylko leżącymi w niedalekim sąsiedztwie, ale również położonymi dalej.

Taka odległa komunikacja możliwa jest m.in. dzięki wydzielaniu aktywnych substancji chemicznych do płynów ustrojowych (np. krwi czy płynu mózgowo-rdzeniowego). Jest to tzw. regulacja humoralna.

Do przekaźników chemicznych należą hormony, które są mogą być produkowane przez gruczoły dokrewne (takie jak tarczycę, przysadkę mózgową czy nadnercza), ale również działać miejscowo (jak działająca w reakcjach alergicznych histamina czy prostaglandyny) lub w obrębie danej tkanki (np. sekretyna czy gastryna).

To, jak kluczową rolę odgrywają hormony w utrzymaniu homeostazy ludzkiego organizmu można przedstawić na przykładzie adrenaliny – nazywanej też hormonem strachu, walki lub ucieczki.

Adrenalina wytwarzana jest przez rdzeń nadnerczy w błyskawicznej odpowiedzi organizmu wszystkich kręgowców na zagrożenie. Do jej najważniejszych efektów należy:

• przyspieszenie rytmu serca,
• wzrost ciśnienia krwi,
• rozszerzenie oskrzeli,
• rozszerzenie źrenic,
• pobudzenie ośrodkowego układu nerwowego,
• wzrost stężenia glukozy we krwi (poprzez nasilenie rozkładu glikogenu w wątrobie).

Wszystkie te reakcje mają na celu postawienie organizmu w stan „gotowości”, co w toku ewolucji zabezpieczało jednostkę przed zjedzeniem lub motywowało do sprawnej ucieczki.

Sprzężenie zwrotne w utrzymaniu homeostazy

W organizmach wyższych funkcjonowanie jednych układów podlega stałej kontroli przez inne. Taki system złożonego sterowania jest podstawą utrzymania homeostazy.

Większość procesów fizjologicznych człowieka, podlega regulacji dzięki tzw. sprzężeniom zwrotnym. W odróżnieniu od kontroli jednokierunkowej (zarówno nerwowej, jak i humoralnej) – gdzie informacja przekazywana jest tylko w jednym kierunku pomiędzy dwoma narządami, w układzie zwrotnym zachodzi dwukierunkowy przesył informacji.

W pętli sprzężenia zwrotnego działanie jednego narządu wpływa na pobudzenie innego, a ten z kolei wysyła informacje hamujące czynność pierwszego (sprzężenie ujemne).

Sprzężenie zwrotne ujemne jest najczęściej występującym typem regulacji parametrów w organizmie człowieka. Przykładem takiej pętli może być np. wydzielanie hormonów tarczycy.

Hormony tarczycy (T3 i T4) – ogólnie rzecz biorąc - nasilają metabolizm i kontrolują czynność większości tkanek. Ich działanie jest niezbędne do prawidłowego funkcjonowania wielu układów i funkcji naszego organizmu.

Praca tarczycy jest z kolei regulowana przez przysadkę mózgową i inny hormon - tyreotropinę (TSH), która pobudza tarczycę do produkcji hormonów. Przy podwyższonym stężeniu T3 i T4 stężenie TSH maleje, natomiast przy niedoborze tych dwóch hormonów - stężenie TSH wzrasta. Tego typu regulacja zabezpiecza organizm przed nadmierną produkcją substancji, działając jak naturalny hamulec.

Dodatnie sprzężenia zwrotne występują dużo rzadziej, i polegają na przyspieszaniu wytwarzania określonego produktu. Dobrym przykładem takiego mechanizmu u ssaków jest np. laktacja.

Ssanie matczynej piersi przez dziecko stymuluje wytwarzanie prolaktyny, co skutkuje nasiloną produkcją mleka.

Im więcej mleka się pojawia, tym niemowlę chętniej pobiera pokarm, co wzmaga jeszcze wytwarzanie mleka. Po zaprzestaniu karmienia piersią poziom prolaktyny będzie spadał i wydzielanie mleka zaniknie.

Jakie są skutki zaburzenia homeostazy?

Opisane przykłady regulacji fizjologicznych zapewniają nie tylko prawidłową pracę narządów i układów wewnętrznych. Utrzymanie homeostazy umożliwia przystosowanie organizmu do zmian warunków otaczającego nas środowiska.

Prawdopodobnie była to jedna z kluczowych zdolności gatunku ludzkiego, która zapewniła mu niebywały sukces ewolucyjny na przestrzeni stuleci.Zachwianie i uszkodzenie mechanizmów regulacyjnych stanowi najczęstszy powód powstawania wielu chorób człowieka.

Zaburzenia parametrów, których wartości będą przekraczać pewne ustalone progi krytyczne mogą doprowadzić do śmierci organizmu. Chociaż każdy z nas posiada indywidualne predyspozycje tolerancji niektórych czynników (co wynika m. in z uwarunkowań genetycznych), to jednak tego typu różnice międzyosobnicze są niewielkie.

Co może wpływać na zaburzenia homeostazy?

Przykładami takich czynników mogą być:

• wady genetyczne,
• wrodzone wady budowy narządów,
• zanieczyszczenia środowiska,
• brak wysiłku fizycznego,
• nieodpowiednia dieta,
• przewlekły stres.

Choć na uwarunkowania genetyczne lub czynniki środowiskowe nie mamy wpływu, warto jednak dbać o prawidłową masę ciała, sprawność fizyczną i odpowiednią dawkę relaksu.

Nie zapominajmy, że nasz organizm stanowi niejako „system naczyń połączonych”, gdzie na równowagę całości składa się prawidłowe funkcjonowanie wszystkich poszczególnych układów.