Регуляция гомеостаза: Гомеостаз и регуляция функций в организме — Студопедия

Гомеостаз и регуляция функций в организме — Студопедия

Все процессы жизнедеятельности организма могут осуществляться только при условии сохранения относительного постоянства внутренней среды организма. К внутренней среде организма относят кровь, лимфу и тканевую жидкость, с которой клетки непосредственно соприкасаются. Способность сохранять постоянство химического состава и физико-химических свойств внутренней среды называют гомеостазом. Это постоянство поддерживается непрерывной работой систем органов кровообращения, дыхания, пищеварения, выделения и др., выделением в кровь биологически активных химических веществ, обеспечивающих взаимодействие клеток и органов. К постоянным показателям гомеостаза относятся температура внутренних отделов тела, сохраняемая в пределах 36—37 °С, кислотно-основное равновесие крови, характеризуемое величиной рН — 7,35—7,4, концентрация гемоглобина в крови —
120—140 г/л и др.

Гомеостаз представляет собой не статическое, а динамическое равновесие. Степень сдвига показателей гомеостаза при существенных колебаниях условий внешней среды или при тяжелой работе у большинства людей очень невелика. Например, длительное изменение рН крови всего на 0,1—0,2 может привести к смертельному исходу. Однако в общей популяции имеются некоторые индивиды, обладающие способностью переносить гораздо большие сдвиги показателей внутренней среды. Эта способность определяется врожденными особенностями человека — так называемой его генетической нормой реакции, которая даже для достаточно постоянных функциональных показателей организма имеет широкие индивидуальные различия.

В организме непрерывно происходят процессы саморегуляциифизиологических функций, создающие необходимые для существования организма условия. Саморегуляция— свойство биологических систем устанавливать и поддерживать на определенном, относительно постоянном уровне те или иные физиологические или другие биологические показатели.

С помощью механизма саморегуляции у человека поддерживается относительно постоянный уровень кровяного давления, температуры тела, физико-химических свойств крови и др. Одним из условий саморегуляции является обратная связь между регулируемым процессом и регулирующей системой, поступление информации о конечном эффекте в центральные регулирующие аппараты.

Регуляция различных функций осуществляется двумя путями: гуморальным и нервным.

Гуморальная (лат. humor — жидкость) регуляция — один из механизмов координации процессов жизнедеятельности в организме, осуществляемой через жидкие среды организма (кровь, лимфу, тканевую жидкость) с помощью биологически активных веществ, выделяемых клетками, тканями и органами. Этот тип регуляции является наиболее древним. В процессе эволюции по мере развития и усложнения организма в осуществлении взаимосвязи между отдельными его частями и в обеспечении всей его деятельности первостепенную роль начинает играть нервная регуляция, которая осуществляется нервной системой.

Нервная система объединяет и связывает все клетки и органы в единое целое, изменяет и регулирует их деятельность, осуществляет связь организма с окружающей средой. Центральная нервная система и ее ведущий отдел — кора больших полушарий головного мозга — весьма тонко и точно воспринимая изменения окружающей среды, а также внутреннего состояния организма, своей деятельностью обеспечивают развитие и приспособление организма к постоянно меняющимся условиям существования. Нервный механизм регуляции более совершенен.

Нервный и гуморальный механизмы регуляции взаимосвязаны. Активные химические вещества, образующиеся в организме, способны оказывать свое воздействие и на нервные клетки, изменяя их функциональное состояние. Образование и поступление в кровь многих активных химических веществ находится, в свою очередь, под регулирующим влиянием нервной системы. В этой связи правильнее говорить
о единой нервно-гуморальной системе регуляции функций организма, создающей условия для взаимодействия отдельных частей организма, связывающей их в единое целое и обеспечивающей взаимодействие организма и среды.

Гомеостаз (гомеостазис) — Что такое гомеостаз? Понятие, свойства и виды гомеостаза — Биофизические механизмы гомеостаза

ГОМЕОСТАЗ, гомеостазис (homeostasis; греч. homoios подобный, тот же самый + stasis состояние, неподвижность),— относительное динамическое постоянство внутренней среды (крови, лимфы, тканевой жидкости) и устойчивость основных физиологических функций (кровообращения, дыхания, терморегуляции, обмена веществ и т. д.) организма человека и животных. Регуляторные механизмы, поддерживающие физиологическое состояние или свойства клеток, органов и систем целостного организма на оптимальном уровне, называются гомеостатическими.

Как известно, живая клетка представляет подвижную, саморегулирующуюся систему. Ее внутренняя организация поддерживается активными процессами, направленными на ограничение, предупреждение или устранение сдвигов, вызываемых различными воздействиями из окружающей и внутренней среды. Способность возвращаться к исходному состоянию после отклонения от некоторого среднего уровня, вызванного тем или иным «возмущающим» фактором, является основным свойством клетки. Многоклеточный организм представляет собой целостную организацию, клеточные элементы которой специализированы для выполнения различных функций. Взаимодействие внутри организма осуществляется сложными регулирующими, координирующими и коррелирующими механизмами с участием нервных, гуморальных, обменных и других факторов. Множество отдельных механизмов, регулирующих внутри- и межклеточные взаимоотношения, оказывает в ряде случаев взаимопротивоположные (антагонистические) воздействия, уравновешивающие друг друга. Это приводит к установлению в организме подвижного физиологического фона (физиологического баланса) и позволяет живой системе поддерживать относительное динамическое постоянство, несмотря на изменения в окружающей среде и сдвиги, возникающие в процессе жизнедеятельности организма.

Термин «гомеостаз» предложен в 1929 г. американским физиологом У. Кенноном, который считал, что физиологические процессы, поддерживающие стабильность в организме, настолько сложны и многообразны, что их целесообразно объединить под общим названием гомеостаз. Однако еще в 1878 г. К. Бернар писал, что все жизненные процессы имеют только одну цель — поддержание постоянства условий жизни в нашей внутренней среде. Аналогичные высказывания встречаются в трудах многих исследователей 19 и первой половины 20 в. [Э. Пфлюгер, Ш. Рише, Фредерик (L.A. Fredericq), И.М. Сеченов, И.П. Павлов, К.М. Быков и др.]. Большое значение для изучения проблемы гомеостаза сыграли работы Л. С. Штерн, посвященные роли барьерных функций, регулирующих состав и свойства микросреды органов и тканей.

Само представление о гомеостазе не соответствует концепции устойчивого (неколеблющегося) равновесия в организме — принцип равновесия не приложим к сложным физиологическим и биохимическим процессам, протекающим в живых системах. Неправильно также противопоставление гомеостаза ритмическим колебаниям во внутренней среде (биологические ритмы). Гомеостаз в широком понимании охватывает вопросы циклического и фазового течения реакций, компенсации (компенсаторные процессы), регулирования и саморегулирования физиологических функций (Саморегуляция физиологических функций), динамику взаимозависимости нервных, гуморальных и других компонентов регуляторного процесса. Границы гомеостаза могут быть жесткими и пластичными, меняться в зависимости от индивидуальных возрастных, половых, социальных, профессиональных и иных условий.

Особое значение для жизнедеятельности организма имеет постоянство состава крови — жидкой основы организма (fluid matrix), по выражению У. Кеннона. Хорошо известна устойчивость ее активной реакции (pH), осмотического давления, соотношения электролитов (натрия, кальция, хлора, магния, фосфора), содержания глюкозы, числа форменных элементов и т. д. Так, например, pH крови, как правило, не выходит за пределы 7,35—7,47. Даже резкие расстройства кислотно-щелочного обмена с патологическим накоплением кислот в тканевой жидкости, напр, при диабетическом ацидозе, очень мало влияют на активную реакцию крови (кислотно-щелочное равновесие). Несмотря на то, что осмотическое давление крови и тканевой жидкости подвергается непрерывным колебаниям вследствие постоянного поступления осмотически активных продуктов межуточного обмена, оно сохраняется на определенном уровне и изменяется только при некоторых выраженных патологических состояниях (осмотическое давление). Сохранение постоянства осмотического давления имеет первостепенное значение для водного обмена и поддержания ионного равновесия в организме (водно-солевой обмен). Наибольшим постоянством отличается концентрация ионов натрия во внутренней среде. Содержание других электролитов колеблется также в узких границах. Наличие большого количества осморецепторов в тканях и органах, в том числе в центральных нервных образованиях (гипоталамусе, гиппокампе), и координированной системы регуляторов водного обмена и ионного состава позволяет организму быстро устранять сдвиги в осмотическом давлении крови, происходящие, например, при введении воды в организм.

Несмотря на то, что кровь представляет общую внутреннюю среду организма, клетки органов и тканей непосредственно не соприкасаются с ней. В многоклеточных организмах каждый орган имеет свою собственную внутреннюю среду (микросреду), отвечающую его структурным и функциональным особенностям, и нормальное состояние органов зависит от химического состава, физико-химических, биологических, и других свойств этой микросреды. Ее гомеостаз обусловлен функциональным состоянием гистогематических барьеров (барьерные функции) и их проницаемостью в направлениях кровь -> тканевая жидкость, тканевая жидкость -> кровь.

Особо важное значение имеет постоянство внутренней среды для деятельности центральной нервной системы: даже незначительные химические и физико-химических сдвиги, возникающие в цереброспинальной жидкости, глии и околоклеточных пространствах, могут вызвать резкое нарушение течения жизненных процессов в отдельных нейронах или в их ансамблях (гематоэнцефалический барьер). Сложной гомеостатической системой, включающей различные нейрогуморальные, биохимические, гемодинамические и другие механизмы регуляции, является система обеспечения оптимального уровня артериального давления. При этом верхний предел уровня АД определяется функциональными возможностями барорецепторов сосудистой системы тела (ангиоцепторы), а нижний предел — потребностями организма в кровоснабжении.

К наиболее совершенным гомеостатическим механизмам в организме высших животных и человека относятся процессы терморегуляции; у гомойотермных животных колебания температуры во внутренних отделах тела при самых резких изменениях температуры в окружающей среде не превышают десятых долей градуса.

Различные исследователи по-разному объясняют механизмы общебиологического характера, лежащие в основе гомеостаза. Так, У. Кеннон особое значение придавал в. н. с., Л. А. Орбели одним из ведущих факторов гомеостаза считал адаптационно-трофическую функцию симпатической нервной системы. Организующая роль нервного аппарата (принцип нервизма) лежит в основе широко известных представлений о сущности принципов гомеостаза (И. М. Сеченов, И. П. Павлов, А. Д. Сперанский и др.). Однако ни принцип доминанты (А. А. Ухтомский), ни теория барьерных функций (Л. С. Штерн), ни общий адаптационный синдром (Г. Селье), ни теория функциональных систем (П. К. Анохин), ни гипоталамическое регулирование гомеостаза (Н. И. Гращенков) и многие другие теории не позволяют полностью решить проблему гомеостаза.

В некоторых случаях представление о гомеостазе не совсем правомерно используется для объяснения изолированных физиологических состояний, процессов и даже социальных явлений. Так возникли встречающиеся в литературе термины «иммунологический», «электролитный», «системный», «молекулярный», «физико-химический», «генетический гомеостаз» и т. п. Предпринимались попытки свести проблему гомеостаза к принципу саморегулирования (биологическая система, авторегуляция в биологических системах). Примером решения проблемы гомеостаза с позиций кибернетики является попытка Эшби (W. R. Ashby, 1948) сконструировать саморегулирующееся устройство, моделирующее способность живых организмов поддерживать уровень некоторых величин в физиологических допустимых границах (гомеостат). Отдельные авторы рассматривают внутреннюю среду организма в виде сложно-цепной системы со многими «активными входами» (внутренние органы) и отдельных физиологических показателей (кровоток, АД, газообмен и др.), значение каждого из которых обусловлено активностью «входов».

Перед исследователями и клиницистами на практике встают вопросы оценки приспособительных (адаптационных) или компенсаторных возможностей организма, их регулирования, усиления и мобилизации, прогнозирования ответных реакций организма на возмущающие воздействия. Некоторые состояния вегетативной неустойчивости, обусловленные недостаточностью, избытком или неадекватностью регуляторных механизмов, рассматриваются как «болезни гомеостаза». С известной условностью к ним могут быть отнесены функциональные нарушения нормальной деятельности организма, связанные с его старением, вынужденная перестройка биологических ритмов, некоторые явления вегетативной дистонии, гипер- и гипокомпенсаторная реактивность при стрессовых и экстремальных воздействиях (стресс) и т.д.

Для оценки состояния гомеостатических механизмов в физиологическом эксперименте и в клин, практике применяются разнообразные дозированные функциональные пробы (холодовая, тепловая, адреналиновая, инсулиновая, мезатоновая и др.) с определением в крови и моче соотношения биологически активных веществ (гормонов, медиаторов, метаболитов) и т.д.

Биофизические механизмы гомеостаза

С точки зрения химической биофизики гомеостаз — это состояние, при которомром все процессы, ответственные за энергетические превращения в организме, находятся в динамическом равновесии. Это состояние обладает наибольшей устойчивостью и соответствует физиологическому оптимуму. В соответствии с представлениями термодинамики организм и клетка могут существовать и приспосабливаться к таким условиям среды, при которых в биол, системе возможно установление стационарного течения физико-химических процессов, т. е. гомеостаза. Основная роль в установлении гомеостаза принадлежит в первую очередь клеточным мембранным системам, которые ответственны за биоэнергетические процессы и регулируют скорость поступления и выделения веществ клетками (мембраны биологические).

С этих позиций основными причинами нарушения являются необычные для нормальной жизнедеятельности неферментативные реакции, протекающие в мембранах; в большинстве случаев это цепные реакции окисления с участием свободных радикалов, возникающие в фосфолипидах клеток. Эти реакции ведут к повреждению структурных элементов клеток и нарушению функции регулирования (радикалы, цепные реакции). К факторам, являющимся причиной нарушения гомеостаза, относятся также агенты, вызывающие радикалообразование,— ионизирующие излучения, инфекционные токсины, некоторые продукты питания, никотин, а также недостаток витаминов и т. д.

Одним из основных факторов, стабилизирующих гомеостатическое состояние и функции мембран, являются биоантиокислители, которые сдерживают развитие окислительных радикальных реакций (антиокислители).

Возрастные особенности гомеостаза у детей

Постоянство внутренней среды организма и относительная устойчивость физико-химических показателей в детском возрасте обеспечиваются при выраженном преобладании анаболических процессов обмена над катаболическими. Это является непременным условием роста и отличает детский организм от организма взрослых, у которых интенсивность метаболических процессов находится в состоянии динамического равновесия. В связи с этим нейроэндокринная регуляция гомеостаза детского организма оказывается более напряженной, чем у взрослых. Каждый возрастной период характеризуется специфическими особенностями механизмов гомеостаза и их регуляции. Поэтому у детей значительно чаще, чем у взрослых встречаются тяжелые нарушения гомеостаза, нередко угрожающие жизни. Эти нарушения чаще всего связаны с незрелостью гомеостатических функций почек, с расстройствами функций желудочно-кишечного тракта или дыхательной функции легких (дыхание).

Рост ребенка, выражающийся в увеличении массы его клеток, сопровождается отчетливыми изменениями распределения жидкости в организме (водно-солевой обмен). Абсолютное увеличение объема внеклеточной жидкости отстает от темпов общего нарастания веса, поэтому относительный объем внутренней среды, выраженный в процентах от веса тела, с возрастом уменьшается. Эта зависимость особенно ярко выражена на первом году после рождения. У детей более старших возрастов темпы изменений относительного объема внеклеточной жидкости уменьшаются. Система регуляции постоянства объема жидкости (волюморегуляция) обеспечивает компенсацию отклонений в водном балансе в достаточно узких пределах. Высокая степень гидратации тканей у новорожденных и детей раннего возраста определяет значительно более высокую, чем у взрослых, потребность ребенка в воде (в расчете на единицу массы тела). Потери воды или ее ограничение быстро ведут к развитию дегидратации за счет внеклеточного сектора, т. е. внутренней среды. При этом почки — главные исполнительные органы в системе волюморегуляции — не обеспечивают экономии воды. Лимитирующим фактором регуляции является незрелость канальцевой системы почек. Важнейшая особенность нейроэндокринного контроля гомеостаза у новорожденных и детей раннего возраста заключается в относительно высокой секреции и почечной экскреции альдостерона, что оказывает прямое влияние на состояние гидратации тканей и функцию почечных канальцев.

Регуляция осмотического давления плазмы крови и внеклеточной жидкости у детей также ограничена. Осмомолярность внутренней среды колеблется в более широком диапазоне (+ 50 мосм/л), чем у взрослых (+ 6 мосм/л). Это связано с большей величиной поверхности тела на 1 кг веса и, следовательно, с более существенными потерями воды при дыхании, а также с незрелостью почечных механизмов концентрации мочи у детей. Нарушения гомеостаза, проявляющиеся гиперосмосом, особенно часто встречаются у детей периода новорожденности и первых месяцев жизни; в более старших возрастах начинает преобладать гипоосмос, связанный главным образом с желудочно-кишечным заболеванием или болезнями почек. Менее изучена ионная регуляция гомеостаза, тесно связанная с деятельностью почек и характером питания.

Ранее считалось, что основным фактором, определ

Механизмы регуляции гомеостаза на молекулярно-генетическом, клеточном, организменном, популяционно-видовом и биосферном уровнях.

Гомеостаз

Гомеостаз (греч. homoios подобный + stasis неподвижность) – относительное динамическое постоянство внутренней среды (крови, лимфы, тканевой жидкости) и устойчивость основных физиологических функций (кровообращения, дыхания, терморегуляции, обмена веществ) организма человека. Регуляторные механизмы, поддерживающие физиологическое состояние или свойства клеток, органов и систем целостного организма на оптимальном уровне, называются гомеостатическими. При этом следует отметить, что гомеостаз специфичен и обусловлен генотипом.

Сам термин «гомеостаз» предложен в 1929 г. физиологом У. Кенноном, который считал, что физиологические процессы, поддерживающие стабильность в организме, настолько сложны и многообразны, что их целесообразно объединить под общим названием гомеостаз. Однако еще в 1878 г. К. Бернар писал, что все жизненные процессы имеют только одну цель — поддержание постоянства условий жизни в нашей внутренней среде. Аналогичные высказывания встречаются в трудах многих исследователей 19 и первой половины 20 в. (Э. Пфлюгер, Ш. Рише, Фредерик (L.A. Fredericq), И.М. Сеченов, И.П. Павлов, К.М. Быков и другие). Большое значение для изучения проблемы гомеостаза сыграли работы Л.С. Штерн (с сотрудниками), посвященные роли барьерных функций, регулирующих состав и свойства микросреды органов и тканей.

Гомеостаз в широком понимании охватывает вопросы циклического и фазового течения реакций, компенсации, регулирования и саморегулирования физиологических функций, динамику взаимозависимости нервных, гуморальных и других компонентов регуляторного процесса. Границы гомеостаза могут быть жесткими и пластичными, меняться в зависимости от индивидуальных возрастных, половых, социальных, профессиональных и иных условий.

Явление гомеостаза представляет собой эволюционно выработанное, наследственно-закрепленное адаптационное свойство организма к обычным условиям окружающей среды. Однако эти условия могут кратковременно или длительно выходить за пределы нормы. В таких случаях явления адаптации характеризуются не только восстановлением обычных свойств внутренней среды, но и кратковременными изменениями функции (например, учащение ритма сердечной деятельности и увеличение частоты дыхательных движений при усиленной мышечной работе). Реакции гомеостаза могут быть направлены на:

1) поддержание известных уровней стационарного состояния;

2) устранение или ограничение действия вредностных факторов;

3) выработку или сохранение оптимальных форм взаимодействия организма и среды в изменившихся условиях его существования.

Все эти процессы и определяют адаптацию.

Поэтому понятие гомеостаза означает не только известное постоянство различных физиологических констант организма, но и включает процессы адаптации и координации физиологических процессов, обеспечивающих единство организма не только в норме, но и при изменяющихся условиях его существования.

Основные компоненты гомеостаза были определены К. Бернаром, и их можно разделить на три группы:

Вещества, обеспечивающие клеточные потребности:

1. Вещества, необходимые для образования энергии, для роста и восстановления – глюкоза, белки, жиры.

2. Вода.

3. NaCl, Ca и другие неорганические вещества.

4. Кислород.

5. Внутренняя секреция.

Окружающие факторы, влияющие на клеточную активность:

1. Осмотическое давление.

2. Температура.

3. Концентрация водородных ионов (рН).

Механизмы, обеспечивающие структурное и функциональное единство:

1. Наследственность.

2. Регенерация.

3. Иммунобиологическая реактивность.

Принцип биологического регулирования обеспечивает внутреннее состояние организма (его содержание), а также взаимосвязь этапов онтогенеза и филогенеза. Этот принцип оказался широко распространенным. При его изучении возникла кибернетика – наука о целенаправленном и оптимальном управлении сложными процессами в живой природе, в человеческом обществе, промышленности.

Живой организм представляет сложную управляемую систему, где происходит взаимодействие многих переменных внешней и внутренней среды. Общим для всех систем является наличие входных (причина, стимул, раздражитель, пища, вода) переменных, которые в зависимости от свойств и законов поведения системы преобразуются в выходные (следствие, эффект, ответ, реакция, продукты метаболизма) переменные.

Выходные переменные зависят от входных и законов поведения системы.

Влияние выходного сигнала на управляющую часть системы называется обратной связью, которая имеет большое значение в саморегуляции (гомеостатической реакции). Различают отрицательную и положительную обратную связь.

Отрицательная обратная связь способствует восстановлению гомеостаза системы.

Положительная обратная связь наоборот усиливает возникшее отклонение от исходного состояния, что приводит к нарушению гомеостаза.

Однако все виды саморегуляции действуют по одному принципу: самоотклонение от исходного состояния, что служит стимулом для включения механизмов коррекции. Так, в норме рН крови составляет 7,32 – 7,45. Сдвиг рН на 0,1 приводит к нарушению сердечной деятельности. Этот принцип был описан Анохиным П.К. в 1935 году и назван принципом обратной связи, который служит для осуществления приспособительных реакций.

Общий принцип гомеостатической реакции (Анохин: «Теория функциональных систем»):

отклонение от исходного уровня → сигнал → включение регуляторных механизмов по принципу обратной связи → коррекция изменения (нормализация).

Так, при физической работе концентрация СО2 в крови увеличивается → рН сдвигается в кислую сторону → сигнал поступает в дыхательный центр продолговатого мозга → центробежные нервы проводят импульс к межреберным мышцам и дыхание углубляется → снижение СО2 в крови, рН восстанавливается.

Таким образом,

Механизмы регуляции гомеостаза на молекулярно-генетическом, клеточном, организменном, популяционно-видовом и биосферном уровнях.

Генные механизмы гомеостаза.Все явления гомеостаза организма генетически детерминированы (заранее обусловлены и предопределены). Уже в наследственной программе индивидуального развития организма предусмотрено формирование видоспецифических характеристик не в постоянных, а в меняющихся условиях среды, в пределах наследственно обусловленной нормы реакции. Двуспиральность ДНК имеет существенное значение в процессах ее репликации и репарации. И то и другое имеет непосредственное отношение к обеспечению стабильности функционирования генетического материала.

С генетической точки зрения можно различать элементарные и системные проявления гомеостаза. Примерами элементарных проявлений гомеостаза могут служить: генный контроль тринадцати факторов свертывания крови, генный контроль гистосовместимости тканей и органов, позволяющий осуществить трансплантацию.

Клеточные механизмы гомеостаза направлены на восстановление клеток тканей, органов в случае нарушения их целостности. Совокупность процессов, направленных на восстановление разрушаемых биологических структур называется регенерацией. Такой процесс характерен для всех уровней: обновление белков, составных частей органелл клетки, целых органелл и самих клеток. Восстановление функций органов после травмы или разрыва нерва, заживление ран имеет значение для медицины с точки зрения овладения этими процессами.

Ткани, по их регенерационной способности, делят на 3 группы:

1. Ткани и органы, для которых характерны клеточная регенерация (кости, рыхлая соединительная ткань, кроветворная система, эндотелий, мезотелий, слизистые оболочки кишечного тракта, дыхательных путей и мочеполовой системы.

2. Ткани и органы, для которых характерна клеточная и внутриклеточная регенерация (печень, почки, легкие, гладкие и скелетные мышцы, вегетативная нервная система, эндокринная, поджелудочная железа).

3. Ткани, для которых характерна преимущественно внутриклеточная регенерация (миокард) или исключительно внутриклеточная регенерация (клетки ганглиев центральной нервной системы). Она охватывает процессы восстановления макромолекул и клеточных органелл путем сборки элементарных структур или путем их деления (митохондрии).

В процессе эволюции сформировалось 2 типа регенерации физиологическая и репаративная.

Физиологическая регенерация – это естественный процесс восстановления элементов организма в течении жизни. Например, восстановление эритроцитов и лейкоцитов, смена эпителия кожи, волос, замена молочных зубов на постоянные. На эти процессы влияют внешние и внутренние факторы.

Репаративная регенерация – это восстановление органов и тканей, утраченных при повреждении или ранении. Процесс происходит после механических травм, ожогов, химических или лучевых поражений, а также в результате болезней и хирургических операций.

Репаративная регенерация подразделяется на типичную (гомоморфоз) и атипичную (гетероморфоз). В первом случае регенерирует орган, который был удален или разрушен, во втором – на месте удаленного органа развивается другой.

Атипичная регенерация чаще встречается у беспозвоночных.

Регенерацию стимулируют гормоны гипофиза и щитовидной железы. Различают несколько способов регенерации:

1. Эпиморфоз или полная регенерация – восстановление раневой поверхности, достраивание части до целого (например, отрастание хвоста у ящерицы, конечности у тритона).

2. Морфоллаксис – перестройка оставшейся части органа до целого, только меньших размеров. Для этого способа характерна перестройка нового из остатков старого (например, восстановление конечности у таракана).

3. Эндоморфоз – восстановление за счет внутриклеточной перестройки ткани и органа. Благодаря увеличению числа клеток и их размеров масса органа приближается к исходному.

У позвоночных репаративная регенерация осуществляется в следующей форме:

1. Полная регенерация – восстановление исходной ткани после ее повреждения.

2. Регенерационная гипертрофия, характерная для внутренних органов. При этом раневая поверхность заживает рубцом, удаленный участок не отрастает и форма органа не восстанавливается. Масса оставшейся части органа увеличивается за счет увеличения числа клеток и их размеров и приближается до исходной величины. Так у млекопитающих регенерирует печень, легкие, почки, надпочечники, поджелудочная, слюнные, щитовидная железа.

3. Внутриклеточная компенсаторная гиперплазия ультраструктур клетки. При этом на месте повреждения образуется рубец, а восстановление исходной массы происходит за счет увеличения объема клеток, а не их числа на основе разрастания (гиперплазии) внутриклеточных структур (нервная ткань).

Системные механизмы обеспечиваются взаимодействием регуляторных систем: нервной, эндокринной и иммунной.

Нервная регуляция осуществляется и координируется центральной нервной системой. Нервные импульсы, поступая в клетки и ткани, вызывают не только возбуждение, но и регулируют химические процессы, обмен биологически активных веществ. В настоящее время известно более 50 нейрогормонов. Так, в гипоталамусе вырабатывается вазопрессин, окситоцин, либерины и статины, регулирующие функцию гипофиза. Примерами системных проявлений гомеостаза являются сохранение постоянства температуры, артериального давления.

С позиций гомеостаза и адаптации, нервная система является главным организатором всех процессов организма. В основе приспособления, уравновешивания организмов с окружающими условиями, по Н.П. Павлову, лежат рефлекторные процессы. Между разными уровнями гомеостатического регулирования существует частная иерархическая соподчиненность в системе регуляции внутренних процессов организма (Рис. 12).

Рис. 12. — Иерархическая соподчиненность в системе регуляции внутренних процессов организма.

Самый первичный уровень составляют гомеостатические системы клеточного и тканевого уровня. Над ними представлены периферические нервные регуляторные процессы типа местных рефлексов. Далее в этой иерархии располагаются системы саморегуляции определенных физиологических функций с разнообразными каналами «обратной связи». Вершину этой пирамиды занимает кора больших полушарий и головной мозг.

В сложном многоклеточном организме как прямые, так и обратные связи осуществляются не только нервными, но и гормональными (эндокринными) механизмами. Каждая из желез, входящая в эндокринную систему, оказывает влияние на прочие органы этой системы и, в свою очередь, испытывает влияние со стороны последних.

Эндокринные механизмы гомеостаза по Б.М. Завадскому, это – механизм плюс-минус взаимодействия, т.е. уравновешивание функциональной активности железы с концентрацией гормона. При высокой концентрации гормона (выше нормы) деятельность железы ослабляется и наоборот. Такое влияние осуществляется путем действия гормона на продуцирующую его железу. У ряда желез регуляция устанавливается через гипоталамус и переднюю долю гипофиза, особенно при стресс-реакции. Состояние стресса, которое развивается при неблагоприятных жизненных условиях и возникает угроза нарушения гомеостаза – пример общей ответной реакции нервных и гуморальных механизмов. При стрессе наблюдается изменение состояния большинства систем: мышечной, дыхательной, сердечно-сосудистой, пищеварительной, органов чувств, кровяного давления, состава крови. Все эти изменения являются проявлением отдельных гомеостатических реакций, направленных на повышение сопротивляемости организма к неблагоприятным факторам. Быстрая мобилизация сил организма выступает как защитная реакция на состояние стресса.

Постоянные нарушения среды организма способствуют сохранению его гомеостаза в течение длительной жизни. Если создать такие условия жизни, при которых ничто не вызывает существенных сдвигов внутренней среды, то организм окажется полностью безоружен при встрече с окружающей средой и вскоре погибает.

Объединение в гипоталамусе нервных и эндокринных механизмов регуляции позволяет осуществлять сложные гомеостатические реакции, связанные с регуляцией висцеральной функции организма. Нервная и эндокринная системы являются объединяющим механизмом гомеостаза.

Читайте также:

Рекомендуемые страницы:

Поиск по сайту

Гомеостаз — Википедия

Гомеоста́з (др.-греч. ὁμοιοστάσις от ὅμοιος «одинаковый, подобный» + στάσις «стояние; неподвижность») — саморегуляция, способность открытой системы сохранять постоянство своего внутреннего состояния посредством скоординированных реакций, направленных на поддержание динамического равновесия. Стремление системы воспроизводить себя, восстанавливать утраченное равновесие, преодолевать сопротивление внешней среды.
Гомеостаз популяции — способность популяции поддерживать определённую численность своих особей длительное время.

Американский физиолог Уолтер Кеннон (Walter B. Cannon) в 1932 году в своей книге «The Wisdom of the Body» («Мудрость тела») предложил этот термин как название для «координированных физиологических процессов, которые поддерживают большинство устойчивых состояний организма». В дальнейшем этот термин распространился на способность динамически сохранять постоянство своего внутреннего состояния любой открытой системы. Однако представление о постоянстве внутренней среды было сформулировано ещё в 1878 году французским учёным Клодом Бернаром.

Общие сведения

Термин «гомеостаз» чаще всего применяется в биологии. Многоклеточным организмам для существования необходимо сохранять постоянство внутренней среды. Многие экологи убеждены, что этот принцип применим также и к внешней среде. Если система неспособна восстановить свой баланс, она может в итоге перестать функционировать.

Комплексные системы — например, организм человека — должны обладать гомеостазом, чтобы сохранять стабильность и существовать. Эти системы не только должны стремиться выжить, им также приходится адаптироваться к изменениям среды и развиваться.

Свойства гомеостаза

Гомеостатические системы обладают следующими свойствами:

• Нестабильность системы: тестирует, каким образом ей лучше приспособиться.
• Стремление к равновесию: вся внутренняя, структурная и функциональная организация систем способствует сохранению баланса.
• Непредсказуемость: результирующий эффект от определённого действия зачастую может отличаться от того, который ожидался.

Примеры гомеостаза у млекопитающих:

Важно отметить, что, хотя организм находится в равновесии, его физиологическое состояние может быть динамическим. Во многих организмах наблюдаются эндогенные изменения в форме циркадного, ультрадианного и инфрадианного ритмов. Так, даже находясь в гомеостазе, температура тела, кровяное давление, частота сердечных сокращений и большинство метаболических индикаторов не всегда находятся на постоянном уровне, но изменяются в течение времени.

Механизмы гомеостаза: обратная связь

Когда происходит изменение в переменных, наблюдаются два основных типа обратной связи, на которые реагирует система:

1. Отрицательная обратная связь, выражающаяся в реакции, при которой система отвечает так, чтобы изменить направление изменения на противоположное. Так как обратная связь служит сохранению постоянства системы, это позволяет соблюдать гомеостаз.
   • Например, когда концентрация углекислого газа в организме человека увеличивается, лёгким приходит сигнал к увеличению их активности и выдыханию большего количество углекислого газа.
   • Терморегуляция — другой пример отрицательной обратной связи. Когда температура тела повышается (или понижается) терморецепторы в коже и гипоталамусе регистрируют изменение, вызывая сигнал из мозга. Данный сигнал, в свою очередь, вызывает ответ — понижение температуры (или повышение).
2. Положительная обратная связь, которая выражается в усилении изменения переменной. Она оказывает дестабилизирующий эффект, поэтому не приводит к гомеостазу. Положительная обратная связь реже встречается в естественных системах, но также имеет своё применение.

Устойчивым системам необходимы комбинации из обоих типов обратной связи. Тогда как отрицательная обратная связь позволяет вернуться к гомеостатическому состоянию, положительная обратная связь используется для перехода к совершенно новому (и, вполне может быть, менее желанному) состоянию гомеостаза, — такая ситуация называется «метастабильность». Такие катастрофические изменения могут происходить, например, с увеличением питательных веществ в реках с прозрачной водой, что приводит к гомеостатическому состоянию высокой эвтрофикации (зарастание русла водорослями) и замутнению.

Экологический гомеостаз

Экологический гомеостаз наблюдается в климаксовых сообществах с максимально возможным биоразнообразием при благоприятных условиях среды.

В нарушенных экосистемах, или субклимаксовых биологических сообществах — как, например, остров Кракатау, после сильного извержения вулкана в 1883 — состояние гомеостаза предыдущей лесной климаксовой экосистемы было уничтожено, как и вся жизнь на этом острове. Кракатау за годы после извержения прошёл цепь экологических изменений, в которых новые виды растений и животных сменяли друг друга, что привело к биологической вариативности и в результате климаксовому сообществу. Экологическая сукцессия на Кракатау осуществилась за несколько этапов. Полная цепь сукцессий, приведшая к климаксу, называется присерией. В примере с Кракатау на этом острове образовалось климаксовое сообщество с восемью тысячами различных видов, зарегистрированных в 1983, спустя сто лет с того времени, как извержение уничтожило на нём жизнь. Данные подтверждают, что положение сохраняется в гомеостазе в течение некоторого времени, при этом появление новых видов очень быстро приводит к быстрому исчезновению старых.

Случай с Кракатау и другими нарушенными или нетронутыми экосистемами показывает, что первоначальная колонизация пионерными видами осуществляется через стратегии воспроизведения, основанные на положительной обратной связи, при которых виды расселяются, производя на свет как можно больше потомства, но при этом практически не вкладываясь в успех каждого отдельного. В таких видах наблюдается стремительное развитие и столь же стремительный крах (например, через эпидемию). Когда экосистема приближается к климаксу, такие виды заменяются более сложными климаксовыми видами, которые через отрицательную обратную связь адаптируются к специфическим условиям окружающей их среды. Эти виды тщательно контролируются потенциальной ёмкостью экосистемы и следуют иной стратегии — произведению на свет меньшего потомства, в репродуктивный успех которого в условиях микросреды его специфической экологической ниши вкладывается больше энергии.

Развитие начинается с пионер-сообщества и заканчивается на климаксовом сообществе. Это климаксовое сообщество образуется, когда флора и фауна пришла в баланс с местной средой.

Подобные экосистемы формируют гетерархии, в которых гомеостаз на одном уровне способствует гомеостатическим процессам на другом комплексном уровне. К примеру, потеря листьев у зрелого тропического дерева даёт место для новой поросли и обогащает почву. В равной степени тропическое дерево уменьшает доступ света на низшие уровни и помогает предотвратить инвазию других видов. Но и деревья падают на землю и развитие леса зависит от постоянной смены деревьев, круговорота питательных веществ, осуществляемого бактериями, насекомыми, грибами. Схожим образом такие леса способствуют экологическим процессам — таким, как регуляция микроклиматов или гидрологических циклов экосистемы, а несколько разных экосистем могут взаимодействовать для поддержания гомеостаза речного дренажа в рамках биологического региона. Вариативность биорегионов так же играет роль в гомеостатической стабильности биологического региона, или биома.

Биологический гомеостаз

Гомеостаз выступает в роли фундаментальной характеристики живых организмов и понимается как поддержание внутренней среды в допустимых пределах.

Внутренняя среда организма включает в себя организменные жидкости — плазму крови, лимфу, межклеточное вещество и цереброспинальную жидкость. Сохранение стабильности этих жидкостей жизненно важно для организмов, тогда как её отсутствие приводит к повреждению генетического материала.

В отношении любого параметра организмы делятся на конформационные и регуляторные. Регуляторные организмы сохраняют параметр на постоянном уровне, независимо от того, что происходит в среде. Конформационные организмы позволяют окружающей среде определять параметр. Например, теплокровные животные сохраняют постоянную температуру тела, тогда как холоднокровные демонстрируют широкий диапазон температур.

Речь не идёт о том, что конформационные организмы не обладают поведенческими приспособлениями, позволяющими им в некоторой степени регулировать взятый параметр. Рептилии, к примеру, часто сидят на нагретых камнях утром, чтобы повысить температуру тела.

Преимущество гомеостатической регуляции состоит в том, что она позволяет организму функционировать более эффективно. Например, холоднокровные животные, как правило, становятся вялыми при низких температурах, тогда как теплокровные почти так же активны, как и всегда. С другой стороны, регуляция требует энергии. Причина, почему некоторые змеи могут есть только раз в неделю, состоит в том, что они тратят намного меньше энергии для поддержания гомеостаза, чем млекопитающие.

Клеточный гомеостаз

Регуляция химической деятельности клетки достигается с помощью ряда процессов, среди которых особое значение имеет изменение структуры самой цитоплазмы, а также структуры и активности ферментов. Авторегуляция зависит от температуры, степени кислотности, концентрации субстрата, присутствия некоторых макро- и микроэлементов. Клеточные механизмы гомеостаза направлены на восстановление естественно погибших клеток тканей или органов в случае нарушения их целостности.

Регенерация — процесс обновления структурных элементов организма и восстановление их количества после повреждения, направленный на обеспечение необходимой функциональной активности.

В зависимости от регенерационной реакции ткани и органы млекопитающих можно разделить на 3 группы:

1) ткани и органы, для которых характерна клеточная регенерация (кости, рыхлая соединительная ткань, кроветворная система, эндотелий, мезотелий, слизистые оболочки желудочно-кишечного тракта, дыхательных путей и мочеполовой системы)

2) ткани и органы, для которых характерна клеточная и внутриклеточная регенерация (печень, почки, лёгкие, гладкие и скелетные мышцы, вегетативная нервная система, поджелудочная железа, эндокринная система)

3) ткани, для которых характерно преимущественно или исключительно внутриклеточная регенерация (миокард и ганглиозные клетки центральной нервной системы)

В процессе эволюции сформировались 2 типа регенерации: физиологическая и репаративная.

Гомеостаз в организме человека

Разные факторы влияют на способность жидкостей организма поддерживать жизнь. В их числе такие параметры, как температура, солёность, кислотность и концентрация питательных веществ — глюкозы, различных ионов, кислорода, и отходов — углекислого газа и мочи. Так как эти параметры влияют на химические реакции, которые сохраняют организм живым, существуют встроенные физиологические механизмы для поддержания их на необходимом уровне.

Гомеостаз нельзя считать причиной процессов этих бессознательных адаптаций. Его следует воспринимать как общую характеристику многих нормальных процессов, действующих совместно, а не как их первопричину. Более того, существует множество биологических явлений, которые не подходят под эту модель — например, анаболизм.

Другие сферы

Понятие «гомеостаз» используется также и в других сферах.

Актуарий может говорить о рисковом гомеостазе, при котором, к примеру, люди, у которых в машине установлена антиблокировочная система, не находятся в более безопасном положении по сравнению с теми, у кого она не установлены, потому что эти люди бессознательно компенсируют более безопасный автомобиль рискованной ездой. Это происходит потому, что некоторые удерживающие механизмы — например, страх — перестают действовать.

Социологи и психологи могут говорить о стрессовом гомеостазе — стремлении популяции или индивида оставаться на определённом стрессовом уровне, зачастую искусственно вызывая стресс, если «естественного» уровня стресса недостаточно.

Примеры

Многие из этих органов контролируются гормонами гипоталамо-гипофизарной системы.

См. также

Источники

1. О.-Я.Л.Бекиш. Медицинская биология. — Минск: Ураджай, 2000. — 520 с. — ISBN 985-04-0336-5.

§ 56. Гомеостаз и регуляция функций организма. Нервная регуляция. Гуморальная регуляция » Народна Освіта

Вспомните, какие показатели физиологического состояния организма являются относительно постоянными. Какие системы органов осуществляют поддержание постоянства физиологических показателей организма человека?

Гомеостаз и его значение. Главным условием существования любого существа является сохранение постоянства строения и функций организма при любых обстоятельствах.

ГОМЕОСТАЗ (от греч. homeo [гомео] — подобный, одинаковый; stasis [стазис] — стояние) — это динамическое относительное постоянство состава, физико-химических свойств внутренней среды организма и всех физиологических процессов в ней.

Как известно, организм человека вынужден постоянно приспосабливаться к изменчивым условиям окружающей среды. При этом внутренняя среда организма (кровь, лимфа, тканевая жидкость) остается относительно постоянной и ее показатели колеблются в очень узких пределах. К таким показателям относятся температура тела, артериальное давление, объем крови, содержание в ней глюкозы, воды, солей, газов, ионов, ее кислотно-щелочной баланс и осмотическое давление. Именно это и обеспечивает относительную устойчивость жизнедеятельности организма человека в различных условиях окружающей среды.

Представление о значении постоянства внутренней среды (при очевидной изменчивости внешней) сформулировал в конце XIX в. французский физиолог Клод Бернар. В начале ХХ в. американский физиолог Уолтер Кэннон ввел понятие гомеостаза.

Гомеостаз — главное условие существования клеток и их нормального функционирования. Приспособительное значение гомеостаза заключается в создании оптимальных условий для выполнения функций всеми клетками организма. Благодаря гомеостазу сохраняется стабильность и согласованная работа клеток, тканей, органов и систем органов организма как единого целого.

Так, жидкая среда организма имеет постоянную концентрацию солей и кислотно-щелочную реакцию (рН), и только при их норме возможно оптимальное протекание обмена веществ.

В частности, кровь обладает слабощелочной реакцией: рН артериальной крови составляет 7,4, а венозной — 7,35. Длительное смещение рН крови человека даже на 0,1-0,2 может оказаться смертельным, так как существенно нарушаются отдельные структурные элементы клеток и их функции. Поэтому деятельность всех механизмов, регулирующих физиологические процессы,

сводится, прежде всего, к поддержанию гомеостаза. Вспомните, как регулируется водно-солевой обмен.

Регуляция функций организма. В основе гомеостаза лежат динамические процессы, поскольку постоянство внутренней среды постоянно нарушается и так же постоянно обновляется. Поэтому гомеостаз можно рассматривать как совокупность скоординированных реакций, направленных на обеспечение, поддержание или восстановление постоянства внутренней среды организма.

Гомеостаз поддерживается непрерывной работой органов кровообращения, пищеварения, дыхания, выделения и эндокринных желез. Основное значение кровообращения для поддержания гомеостаза заключается в транспорте питательных веществ, поступивших в организм в процессе пищеварения, и газов, участвующих в дыхании. Основное назначение системы органов дыхания — это поддержание постоянного уровня кислорода и углекислого газа в артериальной крови при обычных затратах энергии на дыхательные движения. Почка является основным органом, предназначенным для сохранения постоянства физико-химических условий в организме, включая регуляцию водносолевого баланса, поддержание к

что это такое, как он работает, для чего нужен

Всем привет! В эту пятницу продолжим вещание в рамках цикла “Подтяни матчасть”.  И сегодняшняя тема к рассмотрению – гомеостаз в организме человека. По прочтении вы узнаете, что представляет собой этот процесс, его механику, а также разберем реальные примеры этой работы внутри нас.

Итак, рассаживайтесь поудобней, будет интересно!

Гомеостаз: все, что надо знать

Уже четвертую пятницу кряду мы встречаемся с вами, чтобы рассказать чуть больше о том, как мы устроены. Уже разобрали темы: [уровни организации], [функции жизни ], [потребности человека] — разумеется,  с уклоном в спорт и ЗОЖ. Если вы подключились к обсуждению только сейчас, рекомендуем сначала ознакомиться с предыдущими материалами, чтобы “войти” в тему. Мы же идем далее и сегодня подробно поговорим про гомеостаз. Ранее мы упоминали о нем и давали его определение. Но, поскольку это один из самых важных процессов внутри нас, мы уделим ему персональное внимание и чуть больше времени. Поехали!

Примечание:
Для лучшего усвоения материала все дальнейшее повествование будет разбито на подглавы.

Что такое гомеостаз

Вернуть всё на круги своя – вот основная задача гомеостаза. Если “качели” организма качнулись влево, их надо возвратить обратно, в нейтральное положение. Этим и занимается организм — постоянно контролирует свои внутренние условия: от температуры тела до кровяного давления, от уровня сахара в крови до уровня определенных питательных веществ.

Многие факторы влияют на пригодность биологических жидкостей для поддержания жизни. К ним относятся:

• концентрации кислорода (O2) и диоксида углерода (CO2);
• рН внутренней среды;
• концентрации питательных веществ и отходов;
• концентрация соли и других электролитов;
• объем и давление внеклеточной жидкости;
• температура тела;
• уровень глюкозы в крови.

Каждое физиологическое состояние имеет конкретную уставку. Уставка — это физиологическое значение, вокруг которого колеблется его нормальный диапазон. Нормальный диапазон — ограниченный набор значений, который является оптимальным для здоровья и стабильности организма.

Например, заданное значение для нормальной температуры человеческого тела составляет приблизительно 37 °C. Однако данный параметр имеет тенденцию колебаться в пределах нормального диапазона на несколько градусов выше и ниже этой точки.

Центры контроля в головном мозге и других частях тела контролируют и реагируют на отклонения от гомеостаза с помощью отрицательной обратной связи. Отрицательная обратная связь — это механизм, который устраняет отклонение от заданного значения:

Отрицательная обратная связь поддерживает параметры тела в пределах их нормального диапазона. Поддержание гомеостаза отрицательной обратной связью происходит во всем теле постоянно. Поэтому понятие отрицательной обратной связи является фундаментальным для понимания физиологии человека.

Гомеостаз: кто за что отвечает и каким образом

Печень, поджелудочная железа, почки, мозг, вегетативная нервная и эндокринная системы помогают поддерживать гомеостаз. Печень отвечает за метаболизм токсических веществ и с помощью сигналов от поджелудочной железы поддерживает углеводный обмен. Она также помогает регулировать липидный обмен и является основным местом производства холестерина.

Почки отвечают за регулирование уровня воды в крови, повторное поглощение веществ в крови, поддержание уровня солей и ионов в крови, регулирование рН крови и выведение мочевины и других отходов.

Гипоталамус участвует в регуляции температуры тела, частоты сердечных сокращений, кровяного давления и циркадных ритмов (включая циклы сна и бодрствования).

На гомеостаз могут влиять как внутренние, так и  внешние условия, в том числе условия окружающей среды (внешние факторы), и он поддерживается различными механизмами. Все гомеостатические механизмы контроля имеют как минимум три взаимозависимых компонента для регулируемой переменной:

1. сенсор/рецептор, который обнаруживает изменения во внутренней или внешней среде. Примером являются периферические хеморецепторы, которые обнаруживают изменения pH крови;
2. интегрирующий центр (центр управления). Получает информацию от сенсоров и инициирует ответ для поддержания гомеостаза. Наиболее важным примером является гипоталамус — область мозга, которая контролирует все процессы в организме;
3. эффектор. Им является любой орган или ткань, которые получают информацию от интегрирующего центра и действуют, чтобы вызвать изменения, необходимые для поддержания гомеостаза. Одним из примеров является почка, которая удерживает воду, если артериальное давление слишком низкое.

Сенсоры, интегрирующий центр и эффекторы являются основными компонентами каждого гомеостатического отклика. Положительные и отрицательные связи — продвинутые механизмы, которые позволяют этим компонентам поддерживать гомеостаз для более сложных физиологических процессов.

Гомеостаз: отрицательная обратная связь

Система отрицательной обратной связи имеет три основных компонента. Их мы перечисляли выше:

• сенсор является компонентом системы обратной связи, которая контролирует физиологическую ценность. Это значение сообщается в центр управления;
• центр управления — это компонент системы обратной связи, который сравнивает значение с нормальным диапазоном. Если значение слишком сильно отклоняется от заданного значения, тогда центр управления активирует эффектор;
• эффектор — это компонент в системе обратной связи, который вызывает изменение, чтобы изменить ситуацию и вернуть значение в нормальный диапазон.

На рисунке показан цикл отрицательной обратной связи. В петле отрицательной обратной связи стимул — отклонение от заданного значения — сопротивляется посредством физиологического процесса, который возвращает тело в гомеостаз. Левый рисунок: петля отрицательной обратной связи состоит из четырех основных частей. Правый рисунок: температура тела регулируется отрицательной обратной связью.

Чтобы привести систему в движение, стимул должен вывести физиологический параметр за пределы его нормального диапазона, за пределы гомеостаза. Этот стимул «слышен» определенным сенсором. Например, при контроле уровня глюкозы в крови специфические эндокринные клетки поджелудочной железы обнаруживают избыток глюкозы (стимул) в кровотоке. Эти бета-клетки поджелудочной железы реагируют на повышенный уровень глюкозы в крови, высвобождая гормон инсулин в кровоток. Инсулин дает сигнал волокнам скелетных мышц, жировым клеткам и клеткам печени поглощать избыточную глюкозу, выводя ее из кровотока. Когда концентрация глюкозы в кровотоке падает, снижение концентрации — фактическая отрицательная обратная связь — обнаруживается панкреатическими альфа-клетками, высвобождение инсулина прекращается. Это предотвращает падение уровня сахара в крови ниже нормального уровня.

У людей есть похожая система обратной связи по регулированию температуры, которая работает, способствуя либо потере тепла, либо увеличению тепла. Когда центр регулирования температуры мозга получает данные от датчиков, указывающие, что температура тела превышает его нормальный диапазон, он стимулирует группу клеток мозга, называемых «центром потери тепла». Эта стимуляция имеет три основных эффекта:

1. Кровеносные сосуды в коже начинают расширяться, позволяя большему количеству крови из ядра тела течь к поверхности кожи и отходить теплу в окружающую среду;
2. По мере увеличения притока крови к коже активизируются потовые железы, чтобы увеличить  выработку пота. При испарении с поверхности кожи в окружающий воздух он поглощает тепло;
3. Глубина дыхания увеличивается, человек может дышать через открытый рот, а не через носовые проходы. Это еще больше увеличивает потерю тепла из легких.

Напротив, активация центра теплообмена мозга под воздействием холода уменьшает приток крови к коже. Кровь, возвращающаяся из конечностей, направляется в сеть глубоких вен. Такое расположение задерживает тепло ближе к сердечнику корпуса и ограничивает потерю тепла. Если потеря тепла значительна, мозг вызывает увеличение случайных сигналов к скелетным мышцам, заставляя их сокращаться и вызывая дрожь. Сокращения мышц от дрожи выделяют тепло при использовании АТФ.

Мозг запускает щитовидную железу в эндокринной системе, чтобы выпустить гормон щитовидной железы, который увеличивает метаболическую активность и выработку тепла в клетках всего тела. Мозг также сигнализирует надпочечникам о выделении адреналина — гормона, который вызывает расщепление гликогена в глюкозу, которая может использоваться в качестве источника энергии. Распад гликогена на глюкозу также приводит к увеличению метаболизма и выработке тепла.

Гомеостаз: положительная обратная связь

Положительная обратная связь — это механизм, в котором активированный компонент усиливает или дополнительно усиливает процесс, который вызвал его сам, чтобы создать еще более сильный отклик. Механизмы положительной обратной связи предназначены для ускорения или повышения отдачи, создаваемой стимулом, который уже был активирован. Механизмы положительной обратной связи предназначены для выталкивания уровней из нормальных диапазонов и не используются так часто в гомеостатических реакциях. Чтобы добиться положительной обратной связи, серия событий инициирует каскадный процесс, который строится для усиления эффекта стимула.

Например, когда человек получает травму (порез), его кровь сгустится в ответ на повреждение участка кожи. Свертывание происходит из-за поврежденного кровеносного сосуда. В ответ на этот стимул организм будет привлекать тромбоциты к месту пореза. По мере того, как тромбоциты накапливаются на участке, возникает положительная обратная связь, когда они выделяют химические вещества, стимулируя привлечение большего количества тромбоцитов к поврежденному участку. Эта положительная обратная связь помогает ускорить процесс заживления ран.

Примечание:

Другим примером положительной ОС является выработка грудного молока в ответ на сосание ребенка. Сосание стимулирует молочные железы производить больше молока.

Теперь рассмотрим конкретные примеры, в которых проявляет себя гомеостаз.

Гомеостаз: примеры регуляции

Организм всегда стремится вернуться в равновесие. И вот как это работает на примерах.

№1. Уровень сахара

Глюкоза в крови регулируется двумя гормонами — инсулином и глюкагоном, которые высвобождаются из поджелудочной железы. Когда уровень сахара в крови становится слишком высоким, инсулин выделяется из поджелудочной железы. Глюкоза поглощается клетками (особенно печенью и мышечной тканью), где она и хранится в виде гликогена. Это приводит к снижению уровня сахара в крови. С другой стороны, когда уровень сахара в крови становится слишком низким, поджелудочная железа выделяет глюкагон. Это способствует расщеплению гликогена на мономеры глюкозы в клетках печени. Затем клетки печени высвобождают свободную глюкозу обратно в кровоток и восстанавливают уровень сахара в крови.

Неправильное функционирование глюкагона приводит к гипогликемии — состоянию, при котором уровень сахара в крови слишком низок. Если не принять срочные меры, может наступить кома и смерть. Неправильная функция инсулина приводит к гипергликемии (повышению уровня сахара в крови) — диабету.

№2. Уровень железа

Контроль над этим необходимым, но потенциально токсичным веществом, является важной частью жизнедеятельности организма. Фактически, большая часть железа человеческого организма содержится в белке гемоглобина эритроцитов, где он помогает связывать и транспортировать кислород для клеточного дыхания. Дефицит железа является наиболее распространенной причиной анемии.

Когда уровень железа в организме слишком низок, чувствительный к железу гормон гепсидин снижается в эпителии двенадцатиперстной кишки. Это вызывает увеличение активности ферропортина — железоселективного белкового канала, встроенного в мембрану кишечных клеток. Активация этого канала стимулирует усвоение железа в пищеварительной системе. Избыток железа будет стимулировать обратный процесс.

№3. Осморегуляция

Это активная регуляция осмотического давления жидкостей организма для поддержания гомеостаза содержания воды в организме. Оно удерживает жидкости организма от чрезмерного разбавления или концентрации. Осмотическое давление — мера склонности воды переходить в один раствор из другого путем осмоса. Чем выше осмотическое давление раствора, тем больше воды стремится попасть в раствор. Почки удаляют избыточные ионы Na+, K + и Ca2+ из крови, что влияет на осмотическое давление. Затем они выводятся вместе с мочой. Почки также важны для поддержания уровня кислотности крови, так что ее pH остается близким к нейтральной точке.

№4. Регуляция количества воды в организме

Почки отвечают за общий объем воды в организме. Антидиуретический гормон (АДГ), также известный как вазопрессин и альдостерон, играют важную роль в регуляции функции почек. Если в организме наблюдается дефицит жидкости, происходит увеличение секреции АДГ из гипофиза. Этот гормон попадает в дистальные канальцы, вызывая задержку жидкости и уменьшение выхода мочи.

Точно так же гормон альдостерон, минералкортикоидный гормон со стероидной основой, выделяется из коры надпочечников. Альдостерон заставляет почки реабсорбировать Na+. Поскольку Na+ реабсорбируется,  реабсорбируется и вода. Таким образом, задержка Na+ также приводит к задержке жидкости. И наоборот: если уровни жидкости чрезмерны, секреция альдостерона подавляется, что приводит к меньшей задержке жидкости почками и последующему увеличению объема производимой мочи:

И таких примеров гомеостаза можно привести множество. У вас не получится законными методами обмануть свой организм, не получится набрать натурально мышцы быстрее, чем это заложено природой. Не получится сбросить 10 кг за 2 недели. Вы не сможете встать с офисного стула и сразу же пробежать марафон. Организм не проведешь: гомеостаз всегда стоит на страже нашего внутреннего благополучия. И если вы попытаетесь перехитрить свой организм, он отреагирует на это незамедлительно. Собственно, с теорией на сегодня все. Подытожим.

Послесловие

Четвертая статья цикла, вместе с которой тема гомеостаза уходит в архив. Но мы не расстраиваемся, потому что это только начало. Нас ждет еще много нудных интересных статей. Ждем-с! А пока — пока!

PS: Индивидуальная программа тренировок и питания ждут тебя здесь >>

Cкачать статью в pdf>>

С уважением и признательностью, Протасов Дмитрий.

Понятие о гомеостазе. Общие закономерности регуляции гомеостаза в живых организмах

Гомеостаз–постоянство внутренней среды живых
организмов, которое они поддерживают
несмотря на изменение условий окружающей
среды.

Гомеостаз в живом
организме проявляется в относительном
постоянстве таких показателей, как рН,
осмотическое давление, химический
состав крови, артериальное давление,
температура, постоянстве биологических
структур.

Необходимость
гомеостаза объясняется тем, что все
биохимические реакции могут протекать
в строго определенных условиях
(температура, рН, давление). Французский
ученый Клод Бернар писал: «Постоянство
внутренней среды – условие независимого
существования организма».

Гомеостаз
на уровне целостного организма может
быть функциональным
(постоянство функций) и структурным
(постоянство
структур).

Постоянство
показателей внутренней среды организма
носит относительный характер, т.к. всегда
имеются небольшие отклонения от нормы.
Эти колебания необходимы для того, чтобы
служить сигналами для включения
регуляторных механизмов.

Механизмы
регуляции гомеостаза имеют место на
всех уровнях биологической организации:
от молекулярно-генетического до
организменного. Они многообразны, однако
работают слаженно, т.к. контролируются
регуляторными системами: нервной,
эндокринной, иммунной. Таким образом,
механизмы регуляции гомеостаза носят
системный характер.

В основе любого
заболевания лежит нарушение гомеостаза,
а лечение – его восстановление.

Кибернетические основы регуляции гомеостаза

Кибернетика
– наука,
устанавливающая общие принципы управления
саморегулирующимися системами. Живые
организмы также являются саморегулирующимися
системами, и поэтому к ним применимы
все кибернетические понятия и принципы
регуляции.

Обратная связь Блок-схема кибернетической системы.

В основе работы
кибернетической системы лежит процесс
передачи и обработки информации. В
работу системы постоянно вносятся
коррективы, характер которых зависит
от тех отклонений, которые наблюдаются
на входе. Для живых организмов входными
сигналами служат пища, вода, свет, звук,
температура. Выходные сигналы – реакция
органа или ткани, выделение секрета и
т.д. Важным элементом кибернетической
системы является обратная связь–влияние выходного сигнала на блок
управления.Различают отрицательную
и положительную обратную связь.

Отрицательная
обратная связь– направлена на
восстановление исходного состояния
кибернетической системы, в случае ее
отклонения от нормы.

Пример: работа
термостата.

Положительная
обратная связь– направлена на
усиление возникшего отклонения
кибернетической системы от исходного
состояния.

Пример: кровотечение
из крупного сосуда, рост организма в
онтогенезе.

Отличительные особенности нервной и гуморальной регуляции гомеостаза Нервная регуляция:

• высокая скорость наступления
  ответной реакции;

• реакция кратковременная;

• реакция носит локальный
  характер.

Гуморальная регуляция

(обеспечивается
выделением в кровь гормонов):

• реакция наступает медленно;

• реакция длительна;

• реакция носит разлитой
  характер.

Таким образом,
обе системы в целостном организме
дополняют друг друга.

В основе
функционирования нервной и эндокринной
систем лежит принцип действия отрицательной
обратной связи.

Рассмотрим
работу нервной системы на примере
регуляции рН крови:

Физическая нагрузка

накопление СО₂

изменение рН

дыхательный центр

межреберные мышцы (учащение дыхания)

понижение СО₂

В качестве сигнала
для внесения изменения в работу организма
как кибернетической системы служит
содержание гормона в крови. Одни железы
эндокринной секреции (поджелудочная
железа, паращитовидные железы, эпифиз)
сами реагируют на содержание гормона,
а другие (щитовидная, половые, кора
надпочечников) – через переднюю долю
гипофиза, которая вырабатывает четыре
гормона: соматотропный, тиреотропный,
адренокортикотропный, гонадотропный.

Рассмотрим
примеры работы эндокринной системы.

Регуляция содержания
тироксина в крови:

Гормональная регуляция гомеостаза холестерина

1. Введение

Холестерин в основном состоит из липопротеинов низкой плотности (ЛПНП), липопротеинов очень низкой плотности (ЛПОНП) и липопротеинов высокой плотности (ЛПВП). Он играет решающую роль в биогенезе мембран и биосинтезе стероидных гормонов. Нарушенный холестерин плазмы связан со многими заболеваниями, такими как сердечно-сосудистые заболевания, диабет и стеатоз печени. Холестерин либо извлекается из пищи экзогенно, либо синтезируется эндогенно внутри клеток.Печень является основным органом синтеза холестерина de novo, который включает 19-этапный комплексный биохимический процесс. Фермент, ограничивающий скорость, представляет собой редуктазу 3-гидрокси-3-метил-глутарил-КоА (HMG-CoA). Белок 1c, связывающий регуляторный элемент стерола (SREBP-1c), является главным регулятором холестерина, стимулируя транскрипцию ЛПНП и HMG-CoA. Рецептор ЛПНП (LDLr) отвечает за импорт LDL из внеклеточной во внутриклеточную среду для метаболизма. Холестерин является основным источником биогенеза стероидных гормонов.В свою очередь, многие гормоны оказывают критическое влияние на синтез или метаболизм холестерина. Это происходит за счет прямого воздействия этих гормонов на регуляцию экспрессии или активности HMG-CoA редуктазы, SREBP-1c или LDLr. В этой главе мы обсудим регулирующую роль нескольких интересных гормонов в метаболизме холестерина.

2. Гормон щитовидной железы

2.1. Гормоны щитовидной железы и рецепторы гормонов щитовидной железы

Гормоны щитовидной железы (ТГ) включают тироксин (Т4) и трийодтиронин (Т3).Они синтезируются и секретируются щитовидной железой. Т4 является основным секретируемым гормоном, тогда как Т3 имеет более высокое сродство к рецепторам TH (TR). T3 считается активным и более мощным TH. Т4 может быть преобразован в Т3 посредством процесса дейодирования, катализируемого дейодиназами. TH регулирует ряд биологических функций, включая рост, развитие и метаболизм почти во всех тканях [1]. TH проявляет эти эффекты посредством связывания с TR, которые экспрессируются в различных клетках и тканях. TR имеют две изоформы, TRα и TRβ, которые кодируются генами THRA и THRB, соответственно, у человека.Каждая изоформа TR имеет несколько продуктов сплайсинга, TRα1 (α2) и TRβ1 (β2). TRα1 и TRβ1 экспрессируются повсеместно, в то время как TRβ1 является основным TR, существующим в печени. TRβ2 экспрессируется в гипоталамусе, гипофизе и развивающемся мозге [2]. TR — это активируемые лигандом факторы транскрипции, принадлежащие к семейству ядерных рецепторов (NR). Он может связываться с последовательностями ДНК, называемыми TH-чувствительными элементами (TRE), вместе с ретиноидным рецептором X альфа (RXR-α). В отсутствие TH, TR связываются с корепрессорами, например.g., корепрессор ядерного рецептора и медиатор подавления ретиноида и рецептора тироидного гормона (NCOR2), подавляющий транскрипционную активность. В присутствии TH связывание вызывает конформационное изменение TR, высвобождая корепрессоры и задействуя несколько коактиваторов для усиления транскрипционной активности. Поскольку TR связываются с корепрессорами без связывания лиганда, это может снижать транскрипционную активность генов-мишеней. Следовательно, следует с осторожностью сравнивать данные, полученные на моделях животных, в которых TR генетически удалены, с моделями с низким уровнем циркулирующих TH, такими как гипотиреоз или тиреоидэктомия [3].

2.2. Роль TH в метаболизме холестерина

Имеются убедительные доказательства связи статуса TH с метаболизмом холестерина или липидов. Дисфункция щитовидной железы оказывает важное влияние на уровень холестерина. У пациентов с гипотиреозом обычно наблюдается повышенный уровень холестерина в плазме и повышенное накопление липидов в печени. Добавка TH может нормализовать нарушение регуляции липидов. ТГ способствуют синтезу холестерина за счет индукции экспрессии гена HMG-CoA редуктазы и фарнезилпирофосфата [1].TH заметно снижают экспрессию апоВ-100, основного белка ЛПНП, одновременно увеличивая экспрессию апо A-I, основного белка ЛПВП. Кроме того, TH увеличивают экспрессию гена LDLr. LDLr опосредует поступление LDL из крови в печень. Промотор LDLr крысы содержит два функциональных TRE. THs могут напрямую связываться с TRE и повышать экспрессию гена LDLr [4]. ТГ могут также регулировать клиренс циркулирующих остаточных липопротеинов. Белок 1, связанный с рецептором липопротеинов низкой плотности печени (LRP1), является рецептором для остаточных липопротеинов.Экспрессия и функция белка LRP1 в печени снижены на мышиной модели гипотиреоза. Добавка Т3 частично нормализует уровень экспрессии белка [5]. ТГ также способствуют выведению холестерина за счет увеличения превращения и секреции холестерина в желчные кислоты. В этом процессе холестерин-7α-гидроксилаза (Cyp7A1), фермент семейства цитохрома P450, отвечает за катализирование лимитирующей реакции разложения холестерина. Cyp7A1 является прямым целевым геном TR с TRE в промоторной области [6].АТФ-связывающая кассета (ABC), переносчики G5 (ABCG5) и G8 (ABCG8) образуют гетеродимер, который ограничивает всасывание в кишечнике и способствует секреции холестерина желчью. Мыши, гомозиготные по разрушению Abcg5, демонстрируют значительное снижение секреции базального желчного холестерина. Обработка T3 не увеличивает секрецию холестерина у мышей Abcg5 — / -, как у контрольных мышей дикого типа. Это наблюдение предполагает, что THs индуцируют секрецию холестерина, в значительной степени зависящую от комплекса транспортеров ABCG5 / G8 [7].TH также модулируют экспрессию генов с помощью микро-РНК. В линии клеток печени человека THs снижают стерол-O-ацилтрансферазу 2 (SOAT2 или ACAT2), фермент, критический для секреции сложных эфиров холестерина печенью, через miR-181d [8].

T3 также усиливает экспрессию гена LDLr, активируя экспрессию белка-2, связывающего регуляторный элемент стерола (SREBP-2) и класса рецепторов скавенджера B1 (SR-B1) [9]. Белок-переносчик сложного эфира холестерина (CETP) опосредует обмен сложных эфиров холестерина от ЛПВП на ЛПОНП и от общего триглицерида (ТГ) в противоположном направлении.THs могут увеличивать активность CETP, чтобы влиять на метаболизм HDL [10]. Кроме того, THs стимулируют уровни липопротеинлипазы (LPL) и липазы печени (HL), катаболизируя липопротеины, богатые TG.

2.3. Взаимодействие с др. Факторами транскрипции

В дополнение к прямому действию на гены, связанные с холестерином, TR также перекрестно взаимодействуют со многими ядерными рецепторами, чтобы регулировать их транскрипцию. Он имеет тот же сайт связывания ДНК (прямой повтор 4) с X-рецептором печени (LXR).Активация TRβ1 с помощью T3 усиливает экспрессию мРНК LXRα мыши, но не LXRβ, в печени на уровне транскрипции [11]. TRβ1 является основным TR, опосредующим влияние TH на холестерин плазмы. АТФ-связывающий кассетный транспортер A1 (ABCA1) важен для сборки ЛПВП и транспортировки холестерина обратно в печень для выведения. TR образует гетеродимер с ретиноидным X-рецептором (RXR) и связывается с элементом DR-4 промотора ABCA1, подавляя его транскрипцию [12]. Ген аполипопротеина AV (APOA5) является ключевым фактором, определяющим уровень триглицеридов в плазме.Он влияет на уровень ТГ в плазме, способствуя липолизу липопротеинов, богатых ТГ, и удалению их остатков [13]. TR-β опосредует эффекты TH на активацию гена APOA5. Введение TR-β-селективного агониста увеличивает апоАВ и снижает уровни триглицеридов [14]. Кроме того, TR-β может конкурировать с гетеродимерами LXR / RXR за связывание с элементом DR-4 в промоторе CYP7A1 [15]. TR-β, но не TR-α KO, мыши полностью утратили индукционные эффекты Т3 на ген Cyp7a1, что подтверждает критическую роль TR-β в опосредовании воздействия TH на метаболизм холестерина [16].

В совокупности TH регулирует уровень холестерина в сыворотке за несколько важных этапов, включая стимуляцию его синтеза в печени, захват сыворотки и внутрипеченочное превращение в желчные кислоты. Физиологический уровень TH необходим для поддержания гомеостаза холестерина.

3. Половые гормоны

Общеизвестно, что у женщин в пременопаузе липидный профиль лучше, чем у мужчин, и они более защищены от заболеваний, связанных с гиперхолестеринемией, таких как сердечно-сосудистые заболевания.Скрининг липидов показал, что женщины в пременопаузе связаны с более низким уровнем холестерина ЛПНП и более высоким уровнем холестерина ЛПВП. После менопаузы гендерные различия в липидном профиле исчезают, и у женщин даже наблюдается более высокий уровень ЛПНП по сравнению с мужчинами того же возраста [17]. Заместительная терапия эстрогенами улучшит липопротеидный профиль у женщин в постменопаузе [18]. Половые гормоны, особенно эстроген, определяют гендерные различия в профилях холестерина.

3.1. Рецепторы эстрогена и эстрогена

Преобладающей и наиболее важной биологически значимой формой эстрогена является 17β-эстрадиол (E2).И женщины, и мужчины производят E2 путем ароматизации андрогенов. У женщин в пременопаузе эстроген в основном синтезируется в яичниках. В то время как у женщин и мужчин в постменопаузе он главным образом превращается из тестостерона ароматазой (кодируемой геном CYP19) во внегонадных тканях, таких как жировая ткань, надпочечники, кости и т. Д. [19]. Существует по крайней мере три типа рецепторов эстрогена: ER-, ER-и мембраносвязанный рецептор G, связанный с белком ER (GPER, также известный как GPR 30). ER-α и ER-β являются классическими рецепторами эстрогенов и в основном экспрессируются в цитозоле.При связывании с эстрогеном ER-α и ER-β образуют гомо- или гетеродимеры и связываются с элементом ответа на эстроген (ERE) в нижележащих генах-мишенях для инициации или подавления транскрипционной активности. GPER и связанные с мембраной ER-α и ER-β варианты экспрессируются в плазматической мембране. В основном они действуют через негеномную передачу сигналов. Эта инициируемая мембраной передача сигналов включает пути передачи сигналов протеинкиназы A (PKA), протеинкиназы C (PKC) и митоген-активируемой протеинкиназы (MAPK) / регулируемой внеклеточными сигналами протеинкиназы (ERK) [20, 21, 22].

3.2. Роль эстрогенов в гомеостазе холестерина

Влияние и механизм действия эстрогенов на метаболизм холестерина изучаются в течение длительного времени. Исследования Cypriani et al. в 1988 г. продемонстрировали, что эстрогены индуцируют HMG-CoA редуктазу и последующий синтез холестерина в клеточной линии рака груди [4]. Позже было обнаружено, что промотор гена HMG-CoA редуктазы содержит последовательность, подобную эстроген-чувствительному элементу, в положении 93 (названную Red-ERE). А индукция гена HMG-CoA редуктазы эстрогеном зависит от Red-ERE.Индукционная активность эстрогенов проявляется в клетках рака груди, но не в клетках печени, что указывает на дифференциальную регуляцию HMG-CoA редуктазы эстрогенами тканеспецифическим образом [23]. Ароматаза — это фермент, ответственный за ключевой этап биосинтеза эстрогенов. У мышей с нокаутом ароматазы (ArKO) наблюдается повышенное накопление жировой ткани в брюшной полости и накопление липидных капель в печени. У этих трансгенов также повышены общий холестерин и ЛПНП [24]. Добавка эстрогенов как мышам ArKO, так и крысам с овариэктомией (OVX) нормализует уровни ЛПНП и общего холестерина, подтверждая важную роль эстрогенов в гомеостазе липидов как у мужчин, так и у женщин [25].Заместительная гормональная терапия (ЗГТ) увеличивает экспрессию лейкоцитарного гена ABCA1, который опосредует отток холестерина к частицам ЛПВП, что приводит к последующему повышению уровня холестерина ЛПВП [26]. Таким образом, эстрогены играют важную роль в модуляции уровня общего холестерина за счет снижения ЛПНП и одновременного увеличения ЛПВП.

Благоприятная роль эстрогенов в метаболизме холестерина опосредуется ядерными и внеядерными ER-α и ER-β, а также GPER.Генетическая делеция ER-α у мышей приводит к повышенной регуляции генов, участвующих в биосинтезе липидов в печени, и понижению регуляции генов, участвующих в транспорте липидов, что указывает на то, что эстрогены действуют через ER-α, регулируя метаболизм липидов [27]. Мыши ER-α KO и ER-α / β с двойным КО показали повышенный уровень холестерина в сыворотке и меньшие частицы ЛПНП, но не у мышей ER-β с одиночным КО [28]. Следовательно, ER-α играет более важную роль, чем ER-β. Роль GPER в регуляции метаболизма только начинает проявляться, и это привлекает все больше внимания.Мыши с нокаутом GPER обнаруживают нарушение гомеостаза холестерина, проявляя значительно более высокий уровень ЛПНП, но нормальный уровень ЛПВП, что позволяет предположить, что GPER в основном регулирует метаболизм ЛПНП [29]. А люди с гипофункциональным аллелем GPER P16L связаны с повышенным уровнем ЛПНП в плазме. Исследования in vitro показывают, что активация GPER агонистом усиливает экспрессию LDLr в печени [30]. Роль передачи сигналов GPER в холестерине или метаболическом контроле остается неясной и требует дальнейших исследований [31].Таким образом, эстрогены защищают от повышения уровня холестерина в плазме в основном за счет активации ER-α и GPER.

3.3. Андрогены

Андрогены человека включают дегидроэпиандростерон, андростендион, тестостерон и дигидротестостерон (ДГТ). Тестостерон может быть преобразован в ДГТ с помощью 5α-редуктазы. Тестостероны и ДГТ являются активными андрогенами, потому что они единственные андрогены, способные связываться с рецепторами андрогенов (AR) для выполнения биологических функций. АР в основном выражается в простате, скелетных мышцах, печени и центральной нервной системе (ЦНС).Подобно ER, AR является членом суперсемейства стероидных и ядерных рецепторов. Связывание лиганда вызывает изменение конформации AR, что приводит к привлечению кофакторных белков и транскрипционного аппарата и последующей регуляции транскрипции генов-мишеней.

Эффект андрогена на холестерин до сих пор не доказан. Клинические исследования показывают, что дефицит андрогенов, например, у пожилых мужчин, связан с повышенным риском дислипидемии, повышением уровня холестерина и ЛПНП в сыворотке [32].Другое исследование показало, что антагонисты AR могут быть полезны при лечении ожирения у мужчин [33]. В исследованиях на животных лечение дигидротестостероном (ДГТ) у кастрированных мышей с ожирением снижает секрецию ЛПНП и увеличивает экспрессию члена 1 класса рецептора печеночного скавенджера (SR-1B), который важен для регуляции поглощения холестерина из ЛПВП. Он также снижает уровень фермента холестерина 7α-гидроксилазы, который участвует в образовании желчи и удалении холестерина. В другом исследовании с использованием модели орхидэктомированных крыс Sprague-Dawley (SD) лечение DHT вызывает снижение накопления липидов и синтеза холестерина за счет увеличения экспрессии карнитин пальмитоилтрансферазы 1 и фосфорилирования HMG-CoA редуктазы через AR-опосредованный путь [34].Однако это открытие на животных противоречит клиническому исследованию, показывающему, что однократная инъекция тестостерона увеличивает общий уровень холестерина на 15% за счет стимуляции экспрессии в печени HMG-CoA редуктазы [35]. Эти противоречивые результаты указывают на сложную роль андрогена в гомеостазе холестерина в печени.

4. Гормон роста

4.1. Гормон роста и рецепторы гормона роста

Гормон роста (GH) секретируется соматотрофными клетками передней доли гипофиза под нервным, гормональным и метаболическим контролем.GH регулирует постнатальный рост, а также метаболизм липидов, глюкозы и энергии. Молекулярный механизм действия GH относительно сложен. Он влияет на метаболизм через прямое или непрямое действие через инсулиноподобный фактор роста-1 (IGF-1) или антагонизм действия инсулина. Рецептор GH (GHR) является членом суперсемейства рецепторов цитокинов. Связываясь с GH, GHR активирует цитоплазматическую тирозинкиназу Janus kinase 2 (Jak2), а затем рекрутирует членов семейства транскрипционных факторов трансдуктора сигнала и активатора транскрипции (STAT).Фосфорилированные STATs перемещаются в ядро ​​и модулируют транскрипцию множества генов-мишеней, включая IGF-1, ALS и супрессор передачи сигналов цитокинов (SOCS) [36]. В дополнение к сигнальному пути Jak2 / STAT, GHR может активировать сигнальный путь тирозинкиназы Src и перекрестную связь с сигнальными путями инсулина и IGF-1.

4.2. Роль GH в метаболизме холестерина и липидов

Существует отрицательная взаимосвязь между ожирением и GH. Огромные данные подтверждают, что GH изменяет метаболизм липидов.Клинические исследования показали значительную связь между более низким уровнем гормона роста в сыворотке и неалкогольной жировой болезнью печени (НАЖБП). Пациенты с гипогипофизом и дефицитом гормона роста более предрасположены к НАЖБП, чем пациенты контрольной группы [37, 38, 39]. Было показано, что добавление гормона роста улучшает НАЖБП и метаболическую дисфункцию [40, 41]. В исследованиях на грызунах кормление с высоким содержанием жиров и ожирение подавляют пульсирующую секрецию GH [42]. В свою очередь, хроническое лечение GH улучшает перекисное окисление липидов в печени и улучшает липидный обмен у крыс, получавших диету с высоким содержанием жиров [43].

Гипофизэктомия — это хирургический процесс, при котором удаляется гипофиз (гипофиз), что приводит к нарушению секреции гормона роста. Эта модель используется для исследования функции GH у животных в условиях патофизиологии. Повышение печеночного LDLr и гипохолестеринемия, индуцированная эстрогенами, полностью ослабляется у гипофизэктомированных крыс. Только добавка гормона роста может восстановить этот эффект гипофизэктомии. Кроме того, лечение GH у пациентов с желчнокаменной болезнью стимулирует экспрессию печеночного LDLr в два раза, что приводит к последующему снижению холестерина в сыворотке на 25%.Это исследование показывает, что секреция гормона роста имеет решающее значение для контроля уровня ЛПНП в плазме у человека [44]. GH также важен для синтеза желчных кислот, поддерживая нормальную активность холестерин-7α-гидроксилазы. Гипофизэктомированные крысы демонстрируют значительно сниженную активность HMG-CoA редуктазы и холестерин-7α-гидроксилазы и, следовательно, ингибирование биосинтеза холестерина и желчных кислот. Замена GH восстанавливает ферментативную активность 7α-гидроксилазы и увеличивает экскрецию желчных кислот с калом [45].Лечение мышей с дефицитом LDLr с помощью GH снижает у них повышенные уровни холестерина и триглицеридов в плазме за счет стимуляции активности HMG-CoA редуктазы и холестерин-7α-гидроксилазы [46]. Таким образом, GH регулирует уровни липопротеинов в плазме и метаболизм желчных кислот, изменяя экспрессию LDLr в печени и ферментативную активность холестерин-7α-гидроксилазы, соответственно.

GHR присутствует в печени и имеет решающее значение для метаболизма липидов в печени. Карликовость Ларона — это заболевание, характеризующееся нечувствительностью к GH из-за генетической мутации GHR.У этих пациентов мужского пола НАЖБП проявляется у взрослых [47]. Печеночно-специфическая делеция GHR у мышей приводит к увеличению циркулирующих свободных жирных кислот и жирности печени в результате повышенного синтеза и уменьшения оттока триглицеридов [48]. Связывание GH с GHR активирует сигнальный путь JAK2-STAT5 и модулирует ряд генов-мишеней. Среди них измененная экспрессия CD36, PPARγ и PGC1α / β, наряду с синтазой жирных кислот, липопротеинлипазой и рецептором липопротеинов очень низкой плотности (VLDLr), вносит свой вклад в процесс метаболизма липидов в печени [49, 50].Все эти данные свидетельствуют о том, что передача сигналов GH в печени важна для регуляции внутрипеченочного метаболизма липидов и холестерина.

5. Глюкагон

Глюкагон представляет собой пептидный гормон из 29 аминокислот, секретируемый альфа-клетками островков поджелудочной железы в ответ на низкий уровень глюкозы. Это хорошо известный противорегулирующий гормон инсулина, в основном стимулирующий выработку глюкозы в печени за счет увеличения гликогенолиза и глюконеогенеза и одновременного подавления синтеза гликогена. Глюкагон также влияет на метаболизм холестерина в печени.Взаимосвязь между глюкагоном и холестерином изучается с 1950-х годов [51]. Сообщалось, что операция портакавального шунта у 6-летней девочки с гомозиготной формой семейной гиперхолестеринемии значительно снизила синтез ЛПНП и холестерина через 5 месяцев после операции. Это изменение связано с заметным повышением желчных кислот и уровня глюкагона, что указывает на то, что глюкагон может улучшать метаболизм липидов в печени [52]. В исследовании на животных инфузия глюкагона гиперлипидемической крысе снижает уровень циркулирующих апопротеинов ЛПОНП и сывороточные уровни ТГ.Это связано с ингибированием глюкагоном включения аминокислоты в апопротеин [53]. Хроническое введение глюкагона крысам значительно снижает уровни холестерина и триглицеридов в сыворотке, но не в печени. Внутренняя секреция холестерина и превращение холестерина в желчные кислоты, измеренные методом изотопного баланса, резко увеличиваются, что позволяет предположить, что глюкагон стимулирует скорость обмена холестерина [54]. Исследования Rudling et al. обнаружили, что инъекция глюкагона увеличивает связывание ЛПНП с ЛПНП дозозависимым образом и одновременно снижает уровень холестерина и апоВ / Е в ЛПНП и крупных частицах ЛПВП у крыс.Более того, индукция LDLr глюкагоном не происходит из-за повышенных уровней мРНК, что указывает на новый посттранскрипционный регуляторный механизм, присутствующий в печени [55]. У людей введение глюкагона подавляет экспрессию мРНК холестерин-7α-гидроксилазы (CYP7A1) за счет увеличения PKA-фосфорилирования HNF4a и снижения его способности связываться с геном CYP7A1, тем самым подавляя синтез желчной кислоты [56].

Рецептор глюкагона, кодируемый геном GCGR, представляет собой семи-трансмембранный белок и принадлежит к суперсемейству рецепторов, связанных с гуанин-нуклеотид-связывающим белком (G-белок).Они обильно экспрессируются в печени и почках. В печени рецепторы глюкагона в основном расположены в гепатоцитах, небольшое количество которых экспрессируется на поверхности клеток Купфера [57]. У мышей с нулевой мутацией рецептора глюкагона ( Gcgr — / — ) наблюдается низкий уровень глюкозы в крови и заметно повышенный уровень ЛПНП в плазме. Общий холестерин и ЛПВП в сыворотке не претерпели значительных изменений у мышей Gcgr — / — [58]. Мыши Gcgr — / — более склонны к развитию гепатостеатоза после кормления с высоким содержанием жиров [59].Несколько антагонистов рецепторов глюкагона (GRA) были разработаны для уменьшения перепроизводства глюкозы в печени и улучшения общего гликемического статуса. Однако было показано, что некоторые GRA, включая MK-0893, дозозависимо повышают уровень ЛПНП у пациентов с СД2. В доклиническом исследовании на грызунах блокада рецептора глюкагона с использованием различных GRA повышает уровень холестерина ЛПНП и общего холестерина в плазме. Это вызвано увеличением абсорбции холестерина вместо изменения синтеза или секреции холестерина [60]. Взятые вместе, эти результаты предполагают, что глюкагон оказывает гиполипидемический эффект через свои рецепторы глюкагона, что делает его интересным и привлекательным фармацевтическим средством для лечения дислипидемии и ожирения.

6. Ирисин

Ирисин — это недавно идентифицированный гормон, кодируемый геном белка 5, содержащего домен фибронектина типа III (FNDC5). Он секретируется в кровоток в виде расщепленного белкового продукта и индуцируется физическими упражнениями [61]. Предполагается, что ирисин регулирует метаболические преимущества физических упражнений, способствуя потемнению подкожной жировой ткани, уменьшая висцеральное ожирение и улучшая метаболизм глюкозы и холестерина. Циркуляция уровня иризина отрицательно связана с жировой массой, уровнем глюкозы натощак и дислипидемией, а также с содержанием внутрипеченочных ТГ у человека [62, 63].Более высокий исходный уровень иризина связан с метаболическими преимуществами лечения с ограничением диеты для снижения веса человека [64]. Опосредованная лентивирусами сверхэкспрессия FNDC5 или подкожная перфузия иризина способствует липолизу и снижает гиперлипидемию у тучных мышей [65]. Ирисин отрицательно связан с холестерином ЛПВП и крупными частицами ЛПВП у взрослых с более высоким сердечно-сосудистым риском [66]. Кроме того, уровень иризина в сыворотке крови у пациентов с НАЖБП значительно выше, чем у здоровых людей [67].Повышение уровня иризина в слюне положительно связано с общим холестерином [68]. Подкожное введение иризина снижает массу тела, общую плазму, ЛПОНП, ЛПНП, холестерин ЛПВП у мышей с ожирением, вызванным диетой. Также снижается уровень общего и этерифицированного холестерина в печени. Эти изменения связаны со значительным снижением экспрессии генов, важных для синтеза холестерина, включая Srebp2 , HMG-CoA редуктазу ( Hmgcr ), рецептор X печени α ( Lxrα , Nr1h4 ) и HMG CoA. синтаза ( Hmgcs ) в печени и первичных гепатоцитах.Дальнейшие эксперименты показывают, что иризин ингибирует синтез холестерина в гепатоцитах за счет активации AMPK и SREBP2 [69]. Как новый гормон, данные, подтверждающие критическую роль иризина в регуляции холестерина или метаболизма липидов, все еще ограничены. Необходимы дополнительные исследования для выяснения роли FNDC5 / иризина в гомеостазе липидов в физиологических и патологических условиях.

7. Заключение

Баланс холестерина регулируется на нескольких этапах, включая биосинтез, поглощение, внутриклеточный транспорт и превращение в желчные кислоты для экскреции.Гормоны влияют на биосинтез и поглощение холестерина, изменяя транскрипцию генов, важных для этих биологических процессов (таблица 1). Новые выявленные гормоны постоянно добавляются в список участвующих в процессе баланса холестерина. Идентификация агониста / антагониста гормональных рецепторов и понимание механизмов гормональной регуляции поможет определить потенциальные эффективные и селективные мишени для контроля холестериновой дисфункции.

Таблица 1.

Влияние гормонов на метаболизм холестерина.

Выражение признательности

Эта работа была поддержана Национальным фондом естественных наук Китая (81500619), Фондом естественных наук провинции Гуандун (2016A030310040), Проектом науки и технологий Шэньчжэня (JCYJ20160422091658982, JCYJ201503241400368100D, Шэньчжэнь, Китай) 000107) и Фонд естественных наук СЗУ ​​(201567).

.

Гомеостаз: определение и уровень организации

00:00

Это процесс, который нам нужно обсудить с точки зрения центрального принципа. Центральный

принцип физиологии — это в основном гомеостаз, но все мы должны быть на одной странице того, что

собственно значит гомеостаз.Это регулируемый процесс, с помощью которого биологическая система поддерживает

динамическое, но относительно постоянное внутреннее состояние при различных напряжениях или давлениях

понесенных как внешних, так и внутренних факторов. Об этом нужно подумать, так что давайте договоримся

через каждый из этих процессов немного подробнее, чтобы мы поняли, что это за определение.00:41

В первую очередь следует подумать, какие параметры тела достаточно важны для вас.

фактически регулируют их. Если подумать на пару секунд, один из них

на мой взгляд это глюкоза. Поэтому вам нужно регулировать количество глюкозы в крови, чтобы

оптимальное количество доставляется в каждую из клеток организма.То же самое и с кислородом.

1:09

Кислород должен доставляться в каждую клетку тела, его нужно точно регулировать.

1:14

Как убедиться, что вы получаете достаточно кислорода и глюкозы в различные точки тела?

У вас должно быть достаточное артериальное давление или давление, чтобы подтолкнуть кровь к этим различным точкам.1:27

Итак, это 3 действительно хороших примера. Другие, о которых вы, возможно, еще не думали

включают такие вещи, как регулирование температуры тела, регулирование баланса pH также

интегральные переменные, которые нам нужно регулировать.А теперь еще кое-что об определении, которое я

думаю, нам следует обсудить немного больше, что кажется противоречивым, так как это одновременно

и последовательный, и что мы подразумеваем под этим. Это будет не одно конкретное число, а скорее

ряд чисел, которые будут важны в медицине. Например, уровень глюкозы не

будет одно число, а скорее диапазон.Артериальное давление — это не просто число, которым мы являемся.

после, а скорее диапазон артериального давления, и это то, что является динамической составляющей,

хотя мы должны постоянно держать его в узких пределах. Какие есть примеры

внутренние факторы, способные изменить гомеостаз? В основном это связано с изменениями метаболизма. Так что если

вы делаете что-то вроде упражнений, у вас повышается метаболизм, а если вы

во сне у вас снижается обмен веществ.Это внутренний фактор. Внешние факторы

почти слишком велика, чтобы даже назвать, это все, что будет из внешней среды

ударяя по телу. Это может быть что-то вроде тепла, генерируемого снаружи, от солнца или

из окружающей среды и как это влияет на нашу физиологию. Может быть холодно, как холодит

наша физиология или, может быть, в стрессовом состоянии, в котором вы напуганы, или вы разыграли

борьба или бегство ответ.Это еще один пример, этот внешний фактор, с которым нам сейчас нужно справиться.

но поддерживать чрезмерно регулируемые переменные в динамическом, но постоянном диапазоне. Другое дело

гомеостаз, который мы должны твердо понять, — это то, о каком уровне мы говорим, и этот уровень

это уровень организации. Итак, есть атомы, и они образуют молекулы, которые затем образуют более крупные

молекулы, а затем, наконец, образуют различные клеточные компоненты, такие как митохондрии, в этом случае,

это могут быть и другие локальные типы клеточных органелл.Наконец, у нас есть клетка.

4:00

Ячейка, вероятно, является первым уровнем организации, который нам действительно нужен для поддержания

окружающая среда, и это гомеостатическая среда всего, что будет внутри

клетка. Это регулирует то, что попадает в клетку, регулирует то, что представляет собой клеточный цитозоль.

будет состоять из.Теперь каждая отдельная клетка объединяется вместе, образуя ткань.

4:30

На уровне ткани у нас также есть гомеостатическое регулирование, поэтому конкретная ткань будет регулировать

некоторые из этих параметров. Системы органов также регулируют гомеостатическую норму. орган

системы вместе регулируют различные гомеостатические механизмы организма, такие как кровь и

наконец, у нас есть весь организм, который нужно регулировать.Итак, из клетки, ткани,

орган, уровень системы органов и, наконец, организм в целом, все они должны иметь

гомеостаз как на индивидуальном, так и на корпоративном уровне. Так как же это сделать? Ну один

В отношении регуляции гомеостаза нужно думать о том, что все это основано на нашей генетике. Так

у вас есть ДНК в каждой отдельной клетке, и поэтому фактически клетка может стать любой тканью в теле.5:31

Так уж получилось, что это клетка и ткань, которые есть в настоящее время. Итак, когда мы думаем о

ткани, органы, системы органов и организм, мы всегда должны понимать, что каждая отдельная клетка

претерпевает свой собственный гомеостаз и как они строятся друг на друге, чтобы регулировать гомеостаз

всего организма, но основной генетический код находится в каждой клетке этого общего

иерархия организации.Итак, давайте снова соберем все системы органов, а затем

обсудите, как этот процесс работает комплексно. Так что помните, что у вас есть что-то вроде

нервная система вверху и эндокринная система внизу помогает с

регуляция всего организма. Опорно-двигательного аппарата, дыхательной, сердечно-сосудистой, почечной

и системы GI помогают этому регулированию, и некоторые из них автоматические в

природа означает, что это индуцируется через вегетативную нервную систему, и некоторые из них

поведенческий.Так, например, если слишком жарко, вы можете сделать что-нибудь, например, посидеть на жаре.

и пот, чтобы попытаться отрегулировать температуру тела, или вы можете просто встать и пойти в

более прохладная среда. Это различные варианты поведения и автономных реакций.

которые доступны для поддержания гомеостаза. Последний аспект гомеостаза, который я считаю

будет наиболее полезно подумать о том, какие компоненты позволяют

приспосабливаться к другой среде или другому стрессору.Лучше всего это можно сделать

размышления о том, что может делать система органов. Итак, в примере на одной стороне слайда

вот у вас повышение артериального давления. Поэтому, если артериальное давление повышается, вам необходимо

что-то, чтобы почувствовать повышение артериального давления, а затем сигнал, возвращающийся к сердцу, чтобы

скажите: «Эй, это слишком большое давление.»Нам придется либо замедлить это

особое сердце. Это может быть сложнее, если не быть одним из факторов, влияющих на

повышение давления и замедление работы сердца, но скорее многофакторное. Итак, в этом

В следующем примере мы покажем ту же реакцию при увеличении средней артериальной крови.

артериальное давление, которое будет ощущаться рецептором давления, и это барорецепторы

или рецепторы давления.Затем он возвращается в ствол мозга, в данном случае в продолговатый мозг.

medulla затем организует информацию и посылает сигнал как сердцу, так и

кровеносные сосуды. К сердцу он подаст сигнал, что он должен замедлиться, не должен

биться так быстро, что это не должно расстраивать. Наконец, о кровеносных сосудах будет сказано

«Эй, ты можешь немного расслабиться, ты слишком напряжен, слишком высокое кровяное давление в

систему нужно расширить », и в этом случае также снизится артериальное давление.Это вызывает два

вещи, брадикардия и вазодилатация, и, надеюсь, этих двух в сочетании достаточно

для снижения среднего артериального давления до значения, которое мы пытаемся регулировать.

9:06

Опять же, это динамический процесс, но мы ищем стабильный диапазон.

,

PPT — Презентация PowerPoint по гомеостазу и регуляции, бесплатная загрузка

.