2ο μάθημα βιολογίας Ομοιόσταση: το μοναδικό χαρακτηριστικό των ζωντανών οργανισμών Γεώργιος Κ. Παπαδόπουλος

Ορισμός της ομοιόστασης Η ικανότητα των ζωντανών οργανισμών να προσαρμόζονται σε κάθε μεταβολή του εξωτερικού περιβάλλοντος, διατηρώντας το εσωτερικό των περιβάλλον σταθερό Claude Bernard, 1860. Τα θεμέλια της πειραματικής ιατρικής.

Claude Bernard

Εξωτερικό και εσωτερικό περιβάλλον των ζωντανών οργανισμών Εξωτερικό περιβάλλον: συνήθως μεταβλητό, ανκαι η μεταβλητότητα μπορεί να περιοριστεί (π.χ. θερμοκήπια, σπίτια, στάβλοι κλπ) Εσωτερικό περιβάλλον: απαραίτητο να διατηρείται σταθερό διότι οι ζωντανοί οργανισμοί λειτουργούν μόνον όταν πολλά χαρακτηριστικά γνωρίσματα του εσωτερικού περιβάλλοντος παραμένουν περιορισμένα σε πολύ αυστηρά πλαίσια

Εξωτερικό περιβάλλον Θερμοκρασία Ατμοσφαιρική Πίεση Υγρασία Ηλιοφάνεια Ένταση ανέμων Καιρικά φαινόμενα (βροχή, χιόνι, χαλάζι)

Επίπεδα οργάνωσης ζωντανών οργανισμών Οργανισμός Συστήματα λειτουργίας (π.χ. νευρικό, κυκλοφορικό, αιμοποιητικό, πεπτικό, αναπνευστικό, ανοσιακό) Όργανα (π.χ. εγκέφαλος, καρδιά, αιμοφόρα αγγεία (φλέβες, αρτηρίες, τριχοειδή), στόμα-οισοφάγος-στομάχι-έντερο-πάγκρεας-ήπαρ, κλπ) Ιστοί (π.χ. στο πάγκρεας, εξωκρινής ιστός (διαθέτει σωλήνα απέκκρισης), ενδοκρινής ιστός, αιμοφόρα αγγεία, συνδετικός ιστός) Ενδοκρινής ιστός παγκρέατος (νησίδια Langerhans): κύτταρα α, β, δ, ΠΠ, μακροφάγα, ενδοθηλιακά (αιμοφόρων αγγείων), λείων μυικών ινών.

Εσωτερικό περιβάλλον 1. Ξεκινά από την ιδιαίτερη αρχιτεκτονική (σουλούπι) του κάθε οργανισμού, και την επί μέρους διάταξη των οργάνων και των ιστών του Συνεχίζει με την επί μέρους διάταξη των ιστών και κυττάρων σε κάθε όργανο, και την διάταξη και λειτουργία των κυττάρων σε κάθε ιστό.

Εσωτερικό περιβάλλον 2. Θερμοκρασία σώματος (ποικιλόθερμοι / ομοιόθερμοι οργανισμοί) pH (αίματος/εξωκυτταρικού υγρού) = 7,4, ενώ αυτό του κυτταροπλάσματος, του εσωτερικού διαφόρων οργανιδίων, έχει διαφορετικές τιμές για τον κάθε χώρο (από 4,5 έως 8,4, διαφορές στη [Η+] κατά 10.000 φορές!!), pH = - log [Η+] Συγκέντρωση σακχάρου αίματος / εξωκυτταρικού υγρού (όχι υπο- ή υπερ-γλυκαιμίες) ~ 5 mM (σε πρωινή νηστεία)

Εσωτερικό περιβάλλον 3. Σταθερές ενδοκυτταρικές και εξωκυτταρικές συγκεντρώσεις ιόντων και διάφορων μεταβολιτών/ενζύμων/άλλων πρωτεϊνών Ενδοκυτταρική, mM Εξωκυτταρική, mM Na+ 10 145 K+ 140 5 Ca2+ 0,0001 – 0,01 2,5 Cl- 110 110 Για την επίτευξη αυτών των διαφορών βαθμίδωσης δαπανάται περ. το 25 % της παραγόμενης κυτταρικής ενέργειας. Πηγή: Cooper GM. The Cell, a molecular approach, 2nd edition,2000.

Εσωτερικό περιβάλλον 4. Στα ζώα, οι διάφοροι πληθυσμοί κυττάρων αίματος (ερυθρά, λευκά-ουδετερόφιλα, ηωσινόφιλα, βασεόφιλα, λεμφοκύτταρα Τ και Β, μονοκύτταρα, αιμοπετάλια) είναι μέσα σε συγκεκριμένα αριθμητικά πλαίσια Εξωκυττάριες και ενδοκυττάριες συγκεντρώσεις (επίπεδα) διάφορων πρωτεϊνών (~ 10k -17k για όλο τον οργανισμό) καθώς και άλλων παραγόντων παραμένουν σταθερές, ή ρυθμιζόμενες σε αυστηρά πλαίσια συγκεντρώσεων

Ιδιαιτερότητες ομοιόστασης, ανάλογα με το κύτταρο, το όργανο κλπ (1) Σε όλα τα ζώα, περ. το 75 – 80 % του καταναλισκόμενου αερίου οξυγόνου απορροφάται από τον εγκέφαλο! Πολύ ενεργοβόρος ο εγκέφαλος. Τα ερυθροκύτταρα των ζώων μεταφέρουν αλλά δεν καταναλώνουν οξυγόνο για παραγωγή ενέργειας (δεν έχουν μιτοχόνδρια). Πραγματώνουν την παραγωγή ενέργειας μέσα από μια άλλη σειρά αντιδράσεων. Ταυτόχρονα καταναλώνουν αρκετή από τη παραγόμενη ενέργεια ώστε να μην οξειδωθεί ο σίδηρος της αιμοσφαιρίνης, από Fe2+ σε Fe3+, γιατί αλλιώς δεν θα δεσμεύει αέριο οξυγόνο!

Ιδιαιτερότητες ομοιόστασης, ανάλογα με το κύτταρο, το όργανο κλπ (2) Σε περίπτωση έντονης άσκησης οι γραμμωτοί μύες καταναλώνουν πολλά καύσιμα μόρια (πρώτα σάκχαρα και μετά λίπη) και το «απόβλητο» γαλακτικό οξύ ανακυκλώνεται σε γλυκόζη στο ήπαρ, για να χρησιμοποιηθεί και πάλι από τους μυς. Αντίθετα, το ήπαρ και σε λιγότερο βαθμό οι νεφροί, είναι αλτρουιστικά όργανα, παράγοντας γλυκόζη για χρήση από τους μυς και τον εγκέφαλο, τα όργανα της πρώτης γραμμής.