© Copyright by PZWL Wydawnictwo Lekarskie, Warszawa 2021

Wszystkie prawa zastrzeżone.

Przedruk i reprodukcja w jakiejkolwiek postaci całości bądź części książki bez pisemnej zgody wydawcy są zabronione.

Recenzent: prof. dr hab. n. med. Tomasz Brzozowski

Wydawca: Jolanta Jedlińska

Redaktor prowadzący: Beata Bednarczuk

Redaktor merytoryczny: Beata Bakoń

Korekta: Anna Perzyńska

Producent: Anna Paziewska

Skład wersji elektronicznej na zlecenie PZWL Wydawnictwo Lekarskie: Michał Latusek

Projekt okładki i stron tytułowych: Małgorzata Maciejewska

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2021r. (wyd. I)

Warszawa 2021

ISBN 978-83-200-6330-1

PZWL Wydawnictwo Lekarskie

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 695 43 21

www.pzwl.pl

Informacje w sprawie współpracy reklamowej: reklama@pwn.pl

Autorzy

dr n. med. Agnieszka Adamczak-Ratajczak

Oddział Neurologiczny z Pododdziałem Udarowym Szpitala Powiatowego im. Tadeusza Malińskiego w Śremie

dr n. med. Kinga Adamska

Zakład Dermatologii i Wenerologii

Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu

dr n. med. Wojciech Adamski

Katedra Okulistyki i Klinika Okulistyczna

Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu

dr n. med. i n. o zdr. Zuzanna Chęcińska-Maciejewska

Międzywydziałowa Katedra Żywności i Żywienia Akademia Kaliska im. Prezydenta Stanisława Wojciechowskiego w Kaliszu

dr Tomasz Cisoń

Zakład Fizjoterapii

Instytut Kultury Fizycznej

Państwowa Wyższa Szkoła Zawodowa w Nowym Sączu

dr hab. n. med. Magdalena Gibas-Dorna, prof. UZ

Katedra Fizjologii Stosowanej i Klinicznej

Collegium Medicum, Uniwersytet Zielonogórski

dr n. med. Alina Grochowalska

Państwowa Uczelnia Stanisława Staszica w Pile

mgr Natalia Hertmanowska

Katedra Fizjologii Stosowanej i Klinicznej

Collegium Medicum, Uniwersytet Zielonogórski

lek. Dariusz Hiczkiewicz

Katedra Fizjologii Stosowanej i Klinicznej

Collegium Medicum, Uniwersytet Zielonogórski

dr Paweł Kołodziejski

Katedra Fizjologii, Biochemii i Biostruktury Zwierząt

Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu

dr n. med. Emilia Korek

Katedra i Zakład Fizjologii

Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu

dr hab. n. med. Jacek Koźlik

Oddział Ginekologiczno-Położniczy z Patologią Ciąży

Szpital im. Fanciszka Raszei w Poznaniu

prof. dr hab. n. med. Hanna Krauss

Instytut ds. Badań Prewencyjnych

Akademia Kaliska im. Prezydenta Stanisława Wojciechowskiego w Kaliszu

dr n. med. Justyna Kupsz

Katedra i Zakład Fizjologii

Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu

dr n. med. Kinga Mikrut

Katedra i Zakład Fizjologii

Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu

dr Barbara Morawin

Katedra Fizjologii Stosowanej i Klinicznej

Collegium Medicum, Uniwersytet Zielonogórski

dr hab. Mariusz Naczk, prof. UZ

Katedra Fizjologii Stosowanej i Klinicznej

Collegium Medicum, Uniwersytet Zielonogórski

dr n. med. Leszek Niepolski

Katedra i Zakład Fizjologii

Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu

prof. dr hab. n. med. Jacek Piątek

Wydział Nauk o Zdrowiu

Akademia Kaliska im. Prezydenta Stanisława Wojciechowskiego w Kaliszu

dr inż. Ewa Pruszyńska-Oszmałek

Katedra Fizjologii, Biochemii i Biostruktury Zwierząt

Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu

dr Maciej Sassek

Katedra Fizjologii, Biochemii i Biostruktury Zwierząt

Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu

dr n. med. Przemysław Sosnowski

Katedra i Zakład Fizjologii

Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu

dr Ewa Śliwicka

Zakład Fizjologii i Biochemii

Katedra Dietetyki

Akademia Wychowania Fizycznego im. Eugeniusza Piaseckiego w Poznaniu

prof. dr hab. n. med. Teresa Torlińska, emeryt

Katedra i Zakład Fizjologii

Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu

mgr Anna Tylutka

Katedra Fizjologii Stosowanej i Klinicznej

Collegium Medicum, Uniwersytet Zielonogórski

dr n. med. Magdalena Warchoł

Katedra i Zakład Fizjologii

Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu

Oskar Wojciech Wiśniewski

student Wydziału Lekarskiego

Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu

dr n. med. Małgorzata Wojciechowska

Katedra Zdrowia Matki i Dziecka

Zakład Praktycznej Nauki Położnictwa

Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu

dr hab. n. o zdr. Paulina Wojtyła-Buciora, prof. AK

Katedra Zdrowia Publicznego

Akademia Kaliska im. Prezydenta Stanisława Wojciechowskiego w Kaliszu

dr hab. Agnieszka Zembroń-Łacny, prof. UZ

Katedra Fizjologii Stosowanej i Klinicznej

Collegium Medicum, Uniwersytet Zielonogórski

dr hab. n. o zdr. Jakub Żurawski

Zakład Immunobiologii

Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego w Poznaniu

Przedmowa

Ważne jest, aby nigdy nie przestać pytać. Ciekawość nie istnieje bez przyczyny. Kontemplując tajemnice wieczności, życia i cudownej struktury rzeczywistości, nie można uniknąć lęku. Wystarczy więc, jeśli spróbujemy zrozumieć choć trochę tej tajemnicy każdego dnia. Nigdy nie trać świętej ciekawości.

Albert Einstein

Podążając za myślą Alberta Einsteina, pragniemy przybliżyć Państwu tajniki funkcjonowania ludzkiego organizmu oraz zachęcić do zgłębiania wiedzy o zachodzących w nim procesach fizjologicznych. W sposób syntetyczny przedstawiamy podstawowe informacje pozwalające zrozumieć działania poszczególnych układów w kontekście utrzymania homeostazy, która zapewnia człowiekowi życie w równowadze z otaczającym światem.

Książka jest wzbogacona o liczne ilustracje, tabele i schematy pozwalające na łatwiejsze zrozumienie i przyswojenie prezentowanych treści. Obecne wydanie podręcznika częściowo zostało oparte na materiałach źródłowych ze zbiorowego opracowania podstaw fizjologii, które ukazało się w Wydawnictwie Uniwersytetu Medycznego im. K. Marcinkowskiego w Poznaniu i Wydawnictwie WSPiA im. Mieszka I w Poznaniu w 2009 roku. Jednym z inicjatorów ówczesnego wydania skryptu był nieżyjący już, znakomity fizjolog poznański – Dr med. Przemysław Sosnowski. Znaczna część aktualnego wydania powstała dzięki współpracy z ekspertami z różnych ośrodków akademickich i uwzględnia zaktualizowane informacje odnoszące się do fizjologii człowieka.

Mamy nadzieję, że podręcznik zostanie przychylnie przyjęty i będzie stanowić cenną pomoc w nauce fizjologii, która na dalszym etapie studiowania nauk medycznych otwiera możliwości zrozumienia procesów patologicznych zachodzących w organizmie człowieka.

prof. dr hab. n. med. Hanna Krauss

dr hab. n. med. Magdalena Gibas-Dorna, prof. UZ

Wykaz skrótów

11βHSD1

11β-hydroxysteroid dehydrogenase type 1

dehydrogenaza 11β-hydroksysteroidowa typu 1

ABP

androgen-binding protein

białko wiążące androgeny

AC

adenylyl cyclase

cyklaza adenylowa

ACE

angiotensin-converting enzyme

enzym konwertujący angiotensynę

ACh

acetylcholine

acetylocholina

ACTH

adrenocorticotropic hormone

adrenokortykotropina

ADH

antidiuretic hormone

hormon antydiuretyczny

ADM

adrenomedullin

adrenomedulina

ADP

adenosine diphosphate

adenozynodifosforan

AI

adequate intake

wystarczające spożycie wody

AMH

anti-Müllerian hormone

hormon anty-Müllerowski

AMP

adenosine monophosphate

adenozynomonofosforan

AMPK

AMP-activated protein kinase

kinaza białkowa aktywowana przez AMP

ANG

angiotensin

angiotensyna

ANGPTL4

angiopoietin-like protein 4

białko angiopoetynopodobne 4

ANP

atrial natriuretic peptide

przedsionkowy peptyd natriuretyczny

APC-r

activated protein C resistance

oporność na aktywowane białko C

ARAS

ascending reticular activating system

wstępujący siatkowaty układ wzbudzający

ARC

arcuate nucleus

jądro łukowate

ATP

adenosine triphospate

adenozynotrifosforan

AUN

autonomiczny układ nerwowy

AVP

arginine vasopressin

wazopresyna argininowa (wazopresyna)

AWR

airway resistance

opór dróg oddechowych

BDNF

brain-derived neurotrophic factor

czynnik neurotroficzny pochodzenia mózgowego

BIA

body impedance analysis

bioimpedancja elektryczna

BMD

bone mineral density

gęstość mineralna kości

BMI

body mass index

wskaźnik masy ciała

BMR

basal metabolic rate

spoczynkowa przemiana materii

BNP

brain natriuretic peptide

mózgowy peptyd natriuretyczny

BNP

B-type natriuretic peptide

czynnik natriuretyczny typu B

cAMP

cyclic adenosine monophosphate

cykliczny adenozynomonofosforan

CBG

corticosteroid binding globulin

transkortyna

CBG

corticosteroid-binding globulin

globulina wiążąca kortykosteroidy, transkortyna

CCK

cholecystokinin

cholecystokinina

CFU

colony forming unit

jednostka tworząca kolonie

CFU-S

colony-forming unit fibroblasts

jednostka tworząca kolonie fibroblastów

cGMP

cyclic guanosine monophosphate

cykliczny guanozynomonofosforan

CGRP

calcitonin gene-related peptide

peptyd związany z genem kalcytoniny

ChHN

choroba hemolityczna noworodków

CoA

coenzyme A

koenzym A

CPK

creatine phosphokinase

kinaza kreatynowa

CPM

całkowita przemiana materii

CRH

corticotropin-releasing hormone

hormon uwalniający kortykotropinę, kortykoliberyna

CRSP

calcitonin receptor-stimulating peptides

peptyd stymulujący receptor kalcytoniny

CSF

colony-stimulating factor

czynnik stymulujący powstawanie kolonii

CT

calcitonin

kalcytonina

CT

computed tomography

tomografia komputerowa

CTRP

C1q/TNF-related protein

białko związane z C1q/TNF

DAG

diacylglycerol

diacyloglicerol

DBP

diastolic blood pressure

ciśnienie tętnicze rozkurczowe

DHEA

dehydroepiandrosterone

dehydroepiandrosteron

DHT

dihydrotestosterone

dihydrotestosteron

DLCO

diffusion lung capacity for carbon monoxide

badanie zdolności dyfuzji gazów w płucach

DOMS

delayed onset muscle soreness

opóźniona bolesność mięśni szkieletowych

DPP

dipeptidyl peptidase 4

dipeptydylopeptydaza 4

DXA

dual energy X-ray absorptiometry

densytometria podwójnej energii promieniowania rentgenowskiego

E_1

estron

E_2

17β-estradiol

E_3

estriol

ECF

extracellular fluid

przestrzeń zewnątrzkomórkowa

EDCF

endothelium-derived contracting factors

śródbłonkowe czynniki zwężające naczynia

EDHF

endothelium-derived hyperpolarizing factor

śródbłonkowy czynnik hiperpolaryzacyjny

EDRF

endothelium-derived relaxing factors

śródbłonkowe czynniki rozszerzające naczynia

EEG

elektroencefalografia

EFP

effective filtration pressure

efektywne ciśnienie filtracyjne

EGF

epidermal growth factor

epidermalny czynnik wzrostu

EMG

elektromiografia

ENK-L

leucine-enkephalin

enkefalina leucynowa

ENS

enteric nervous system

układ nerwowo-jelitowy

EOG

elektrookulografia

EPSP

excitatory postsynaptic potential

potencjał postsynaptyczny pobudzający

ERV

expiratory reserve volume

zapasowa objętość wydechowa

ET

endothelin

endotelina

FEV_1

forced expiratory volume in 1 second

natężona objętość wydechowa pierwszosekundowa

FF

filtration fraction

frakcja filtracyjna

FFM

fat-free mass

beztłuszczowa masa ciała

FGF

fibroblast growth factor

czynnik wzrostu fibroblastów

FRC

functional residual capacity

czynnościowa pojemność zalegająca

FSH

follicle-stimulating hormone

folitropina, hormon folikulotropowy

FVC

forced vital capacity

natężona pojemność życiowa płuc

GABA

γ-aminobutyric acid

kwas γ-aminomasłowy

GFAP

glial fibrillary acidic protein

kwaśne białko włókienkowe gleju

GFR

glomerular filtration rate

wskaźnik filtracji kłębuszkowej

GH

growth hormone

hormon wzrostu

GHRH

growth hormone-releasing hormone

somatoliberyna

GIP

gastric inhibitory peptide

glukozozależny peptyd insulinotropowy

GKS

glucocorticoids

glukokortykosteroidy

GLP-1

glucagon-like peptide 1

glukagonopodobny peptyd 1

GLUT

glucose transporter

transporter glukozy

GnRH

gonadotropin-releasing hormone

hormon uwalniający gonadotropinę, gonadoliberyna

GRP

gastrin-releasing peptide

peptyd uwalniający gastrynę

hCG

human chorionic gonadotropin

ludzka gonadotropina kosmówkowa

Hct

hematocrit

hematokryt

HDL

high-density lipoprotein

lipoproteiny o wysokiej gęstości

HR

heart rate

częstość skurczów serca

HSCs

hemapoietic stem cells

hematopoetyczne komórki pnia

IC

inspiratory capacity

pojemność wdechowa

ICF

intracellular fluid

przestrzeń wewnątrzkomórkowa

IGF

insulin-like growth factor

insulinopodobny czynnik wzrostu

IL

interleukin

interleukina

IP_3

inositol triphosphate

trifosforan inozytolu

IPSP

inhibitory postsynaptic potential

potencjał postsynaptyczny hamujący

IRP

immune risk profile

profil odpornościowego ryzyka

IRV

inspired respiratory volume

zapasowa objętość oddechowa

LA

lactate

mleczan

LBM

lean body mass

beztłuszczowa masa ciała

LDH

lactate dehydrogenase

dehydrogenaza mleczanowa

LDL

low-density lipoprotein

lipoproteiny o niskiej gęstości

LH

luteinizing hormone

hormon luteinizujący, lutropina

LHA

lateral hypothalamic area

jądro boczne podwzgórza

LK

lewa komora

LP

lewy przedsionek

MALT

mucosa-associated lymphoid tissue

tkanka limfatyczna związana z błoną śluzową

MAP

mean arterial pressure

średnie ciśnienie tętnicze

MBP

mean blood pressure

średnie ciśnienie tętnicze

MCH

mean corpuscular hemoglobin

średnia masa hemoglobiny w krwince czerwonej

MCH

melanin-concentrating hormone

hormon koncentrujący melaninę

MCHC

mean corpuscular hemoglobin concentration

średnie stężenie hemoglobiny w krwince czerwonej

MCP-1

monocyte chemoattractant protein-1

monocytarne białko chemotaktyczne 1

MCV

mean corpuscular volume

średnia objętość krwinki czerwonej

MHC

myosin heavy chain

łańcuch ciężki miozyny

MIH

melanotropin release inhibiting hormone

melanostatyna

MLC

myosin light chain

łańcuchy lekkie miozyny

MLCK

myosin light chain kinase

kinaza łańcuchów lekkich miozyny

MLSS

maximal lactate steady state

stan maksymalnej równowagi mleczanowej

MMP

metaloproteinaza

MRH

melanotropin releasing hormone

melanoliberyna

MRI

magnetic resonance imaging

rezonans magnetyczny

MSCs

muscle stem cells

mięśniowe komórki macierzyste

MSH

melanocyte-stimulating hormone

hormon melanotropowy, melanotropina

MVC

maximal voluntary constraction

maksymalna siła skurczu dowolnego danej grupy mięśni

NA

norepinephrine

noradrenalina

NAD

nicotinamide adenine dinucleotide

dinukleotyd nikotynamidoadeninowy

NGF

nerve growth factor

czynnik wzrostu neuronów

NKA

neurokinin A

neurokinina A

NKB

neurokinin B

neurokinina B

NKT

natural killer T-cells

subpopulacja limfocytów T („naturalni zabójcy”)

NPK

neuropeptide K

neuropeptyd K

NPY

neuropeptide Y

neuropeptyd Y

NSAID

non-steroidal antiinflammatory drugs

niesteroidowe leki przeciwzapalne

OATP

organic anion transport polypeptide

polipeptydy transportujące aniony organiczne

OKR

optokinetic reflex

odruch optokinetyczny

OUN

ośrodkowy układ nerwowy

OXY

oxytocin

oksytocyna

PADAM

partial androgen deficiency in aging male

syndrom zespół częściowego niedoboru androgenów u mężczyzn w starszym wieku

PAF

platelet-activating factor

czynnik aktywujący płytki

PAI-1

plasminogen activator inhibitor 1

inhibitor aktywatora plazminogenu 1

PAI-2

plasminogen activator inhibitor 2

inhibitor aktywatora plazminogenu 2

PAL

physical activity level

współczynnik aktywności fizycznej

PAP

pulmonary arterial pressure

średnie ciśnienie w krążeniu płucnym

PCr

phosphocreatine

fosfokreatyna

PG

prostaglandin

prostaglandyny

PHI

peptide histidine isoleucine

peptyd histydyno-izoleucynowy

PI

Pondéral index

wskaźnik Pondérala

PK

prawa komora

PP

prawy przedsionek

PP

pancreatic polypeptide

polipeptyd trzustkowy

PPA

próg przemian anaerobowych

PPM

podstawowa przemiana materii

PRIH

prolactin inhibiting hormone

prolaktostatyna

PRL

prolactin

prolaktyna

PTH

parathyroid hormone

parathormon

PVN

paraventricular nucleus

jądro przykomorowe

RAA

renin-angiotensin-aldosterone

układ renina–angiotensyna–aldosteron

RAR

rapidly adapting receptor

szybko adaptujący się receptor

RAS

reticular activating system

siatkowaty układ wzbudzający

RBF

renal blood flow

nerkowy przepływ krwi

RBP

retinol binding protein

białko wiążące retinol

RDS

respiratory distress syndrome

zespół ostrej niewydolności oddechowej

RPF

renal plasma flow

przepływ osocza przez nerki

RV

residual volume

objętość zalegająca

RyR

ryanodine receptor

receptor rianodynowy

SAR

slowly adapting receptor

wolno adaptujący się receptor

SBP

systolic blood pressure

ciśnienie tętnicze skurczowe

SCFA

short chain fatty acids

krótkołańcuchowe kwasy tłuszczowe

SCs

satellite cells

komórki satelitarne

sFRP

secreted frizzled-related protein

białko sekrecyjne podobne do Frizzled

SHBG

sex hormone binding globulin

globulina wiążąca hormony płciowe

SIADH

syndrome of inappropriate antidiuretic

zespół nieadekwatnego wydzielania hormone hypersecretion wazopresyny

SMI

skeletal muscle mass index

indeks masy mięśniowej

SRY

sex-determining region Y

region determinacji płci na chromosomie Y

SUN

somatyczny układ nerwowy

SV

stroke volume

objętość wyrzutowa serca

T

testosterone

testosteron

T_3

triiodothyronine

trijodotyronina

T_4

thyroxine

tyroksyna

TAFI

thrombin activable fibrinolysis inhibitor

inhibitor fibrynolizy aktywowany trombiną

TBW

total body water

całkowita zawartość wody w organizmie

TC

total cholesterol

cholesterol całkowity

TDF

testis-determining factor

białkowy czynnik determinujący rozwój jądra

TEE

total energy expenditure

całkowity wydatek energetyczny

TEWL

transepidermal water loss

przeznaskórkowa utrata wody

TG

triglycerides

triglicerydy

TGF-β

transforming growth factor β

transformujący czynnik wzrostu β

TIMP-1

tissue inhibitors of metaloproteinases

tkankowy inhibitor metaloproteinaz 1

TLC

total lung capacity

całkowita pojemność płuc

Tm

transport maksymalny

TmG

transport maksymalny glukozy

TNF-α

tumor necrosis factor α

czynnik martwicy nowotworów α

TRH

thyrotropin-releasing hormone

hormon uwalniający tyreotropinę, tyreoliberyna

TSH

thyroid stymulating hormone

hormon tyreotropowy

TV

tidal volume

objętość oddechowa

TXA_2

thromboxane A_2 tromboksan A_2

UCP1

uncoupling protein 1

termogenina 1

UP

układ przywspółczulny

UW

układ współczulny

VA

wentylacja pęcherzykowa

VC

vital capacity

pojemność życiowa

VD

objętość przestrzeni martwej

VE

wentylacja płuc

VIP

vasoactive intestinal peptide

wazoaktywny peptyd jelitowy

VLDL

very low-density lipoprotein

lipoproteiny o bardzo niskiej gęstości

VMH

ventromedial hypothalamus

jądro brzuszno-przyśrodkowe

VOR

vestibulo-ocular reflex

odruch przedsionkowo-oczny

WHR

waist-hip ratio

stosunek obwodu talii do obwodu bioder

WKT

wolne kwasy tłuszczowe

Bezpłatny fragment

Autorzy

Przedmowa

Wykaz skrótów

1. FIZJOLOGIA KOMÓRKI - Jakub Żurawski

1.1. Błony komórkowe

1.2. Cytoplazma

1.3. Cytoszkielet

1.4. Jądro komórkowe

1.5. Jąderko

1.6. Chromatyna

1.7. Mitochondria

1.8. Siateczka śródplazmatyczna szorstka

1.9. Siateczka śródplazmatyczna gładka

1.10. Aparat Golgiego

1.11. Rybosomy

1.12. Lizosomy

1.13. Peroksysomy

1.14. Wtręty komórkowe

2. HOMEOSTAZA - Oskar Wojciech Wiśniewski

2.1. Procesy homeostatyczne

2.2. Homeostaza komórkowa

2.3. Przedziały płynowe organizmu

2.4. Izotonia

2.5. Izowolemia

2.6. Izojonia

2.7. Izohydria

2.8. Izotermia

2.9. Podsumowanie

3. FIZJOLOGIA UKŁADU DOKREWNEGO - Hanna Krauss, Jacek Koźlik, Zuzanna Chęcińska-Maciejewska

3.1. Ogólne zasady organizacji układu hormonalnego

3.2. Fizjologia podwzgórza

3.3. Fizjologia przysadki

1

Fizjologia komórki
Jakub Żurawski

Podstawową jednostką strukturalną i funkcjonalną wszystkich organizmów żywych jest komórka. Ciało człowieka zawiera ok. 200 typów komórek. Różnią się one od siebie rozmiarem, kształtem oraz funkcją, ale ich budowa strukturalna wykazuje pewne cechy wspólne. Wszystkie komórki oddziela od środowiska zewnętrznego błona komórkowa, która pozwala im zachować integralność. Protoplazma, czyli materiał otoczony tą błoną, składa się z cytoplazmy i nukleoplazmy.

Budowę strukturalną komórki organizmu ludzkiego przedstawiono na rycinie 1.1.

Rycina 1.1. Schemat budowy komórki ludzkiej (rys. Weronika Żurawska)

1.1. BŁONY KOMÓRKOWE

W komórce wyróżnia się błonę komórkową oraz błony śródkomórkowe. Ich skład jest podobny. Są one zbudowane z dwóch warstw cząsteczek lipidów oraz białek (ryc. 1.2). Błony mają charakter płynny. Cząsteczki lipidów są amfipatyczne, to znaczy składają się z części polarnej hydrofilowej (rozpuszczalnej w wodzie) i niepolarnej hydrofobowej (nierozpuszczalnej w wodzie). W skład części polarnej wchodzą związki azotowe, wiązania fosforanowe i glicerol. Część niepolarna jest zbudowana z nasyconych i nienasyconych kwasów tłuszczowych. Fosfolipidy tworzą dwie warstwy. Polarne, określane jako główki, mają bezpośredni kontakt z zewnętrzną i wewnętrzną powierzchnią komórki. Niepolarne zaś, przypominające kształtem ogonki, są zlokalizowane w środkowej części błony.

Rycina 1.2. Schemat budowy błony komórkowej (rys. Weronika Żurawska)

Lipidy budujące błony komórkowe to fosfolipidy, glikolipidy i cholesterol. Z kolei błony śródkomórkowe zawierają niewielkie ilości cholesterolu i sfingomieliny przy prawie całkowitym braku glikolipidów.

W skład błon wchodzą również białka, które stanowią prawie połowę ich masy. Dzielą się na: śródbłonowe (wbudowane w błonę), zewnątrzbłonowe (przylegające do wewnętrznej lub zewnętrznej powierzchni błony) i przezbłonowe (których końce są zlokalizowane na zewnętrznej i wewnętrznej powierzchni błony).

Białka znajdujące się w błonach pełnią w komórce ważne funkcje. Stabilizują budowę błony, wchodząc w skład cytoszkieletu. Białka receptorowe wiążą cząsteczki sygnałowe. Tworzą również kanały, dzięki którym jest możliwy transport jonów i cząsteczek. Dodatkowo pełnią funkcje enzymatyczne i budują antygeny powierzchniowe.

Na zewnętrznej powierzchni błon wiele białek błonowych i niektóre lipidy mają dołączone krótkie łańcuchy wielocukrów, tworząc warstwę glikokaliksu biorącego udział w tworzeniu połączeń międzykomórkowych oraz rozpoznawaniu komórek. Stanowią również chemiczną i strukturalną ochronę komórki.

Błona komórkowa bierze udział w transporcie różnych cząsteczek i informacji. Mechanizmy te można podzielić na transport bierny i ułatwiony, aktywny, a także na przekazywanie sygnałów przez błonę za pomocą receptorów.

Transport bierny prosty jest zależny od gradientu osmotycznego lub elektrochemicznego stężeń między zewnętrzną i wewnętrzną częścią błony komórkowej. Transport cząsteczek odbywa się wtedy w kierunku od stężenia wyższego do niższego. W ten sposób są transportowane rozpuszczalniki organiczne, hormony steroidowe, mocznik, tlen, azot, dwutlenek węgla i niektóre leki. Większe cząsteczki mogą przenikać w przebiegu transportu ułatwionego zgodnego z gradientem stężeń przy udziale białek nośnikowych i kanałowych. W ten sposób są transportowane aminokwasy, cukry i jony mające otoczkę hydrofilową.

Transport aktywny jest niezależny od gradientu elektrochemicznego komórki. Transport cząsteczek przez białka nośnikowe następuje od stężenia niższego do wyższego i wymaga dostarczenia energii. Komórki wykorzystują do tego procesu energię pochodzącą z hydrolizy adenozynotrifosforanu – ATP (pompy jonowe, np. pompa sodowo-potasowa).

Duże cząsteczki są transportowane przez błonę komórkową w procesie endocytozy lub egzocytozy. Procesy te stanowią specyficzny transport czynny, w którym cząsteczka zostaje otoczona błoną komórkową i formuje się pęcherzyk, a ten następnie jest transportowany przez błonę.

W komunikacji międzykomórkowej biorą udział receptory błonowe, które są integralnymi glikoproteinami zlokalizowanymi w dwuwarstwie fosfolipidowej. Mają one domeny zewnątrz-, między- i wewnątrzbłonowe. Do przekazu informacji służą cząsteczki sygnałowe, takie jak cytokiny, hormony czy neurotransmitery, które łączą się z receptorami. Cząsteczki sygnałowe inicjują szereg reakcji wewnątrzkomórkowych, prowadząc do odpowiedzi na daną cząsteczkę sygnałową.

1.2. CYTOPLAZMA

Cytoplazma stanowi wewnętrzne środowisko dla wszystkich organelli komórkowych i cytoszkieletu. Z zewnątrz jest ograniczona błoną komórkową, a od wewnątrz otoczką jądrową. Strukturalnie ma właściwości silnie uwodnionego koloidu. Zapewnia komórkom elastyczność i wytrzymałość na czynniki mechaniczne. W związku z różnym stężeniem jonów wodorowych w cytoplazmie zakres pH w poszczególnych częściach komórki również jest różny. Wynosi od 7,7 w okolicy jądra komórkowego do 6,7 w części obwodowej komórki.

1.3. CYTOSZKIELET

W skład cytoszkieletu wchodzą mikrotubule, mikrofilamenty i filamenty pośrednie.

Mikrotubule są zbudowane z białka tubuliny, które z udziałem cząsteczek guanozynotrifosforanu (GTP) i wolnych jonów wapnia polimeryzują, tworząc protofilamenty.

Mikrofilamenty, powstałe z kulistych monomerów G-aktyny połączonych w podwójną helisę F-aktyny, wykazują właściwości elastyczne i są bardzo cienkie.

Filamenty pośrednie mają średnicę 8–10 µm. Ich główna funkcja to zapewnienie komórce wytrzymałości mechanicznej. W przeciwieństwie do mikrotubul do ich powstania nie jest konieczne dostarczenie energii w postaci ATP czy GTP.

Wszystkie składowe cytoszkieletu nadają komórkom odpowiedni kształt, zapewniając również sztywność i prawidłowe rozmieszczenie organelli. Biorą udział w transporcie wewnątrzkomórkowym.

1.4. JĄDRO KOMÓRKOWE

Jądro komórkowe jest największym organellum komórkowym. Zawiera materiał genetyczny zakodowany w DNA. Stanowi miejsce kontroli wszystkich funkcji komórki. Pokrywa je otoczka jądrowa składająca się z błony zewnętrznej ze zlokalizowanymi na jej powierzchni rybosomami oraz z błony wewnętrznej. Błony są od siebie oddzielone przestrzenią okołojądrową. Błona zewnętrzna ma kontakt z cytoplazmą komórki, a wewnętrzna z chromatyną jądrową. Otoczka jądrowa wykazuje ciągłość z siateczką śródplazmatyczną szorstką. W miejscach łączenia się błony zewnętrznej z wewnętrzną są widoczne w mikroskopie miejsca kontaktu z cytoplazmą, zwane porami otoczki jądrowej. W tych miejscach możliwy jest transport makrocząsteczek między jądrem a cytoplazmą.

1.5. JĄDERKO

Jąderka są nieobłonionymi strukturami kulistego kształtu. W zależności od aktywności cytofizjologicznej komórki mogą przybierać nieregularny kształt i występować w różnej liczbie. W profazie cyklu komórkowego zanikają całkowicie, a są odtwarzane pod koniec telofazy. W obrębie jąderek zachodzi synteza rybosomalnego RNA, następuje także formowanie się podjednostek rybosomów. Rybosomalne RNA i białka, które powstają w cytoplazmie, a następnie są transportowane do jądra, stanowią składowe budujące podjednostki. W kolejnym etapie podjednostki te dostają się do cytoplazmy, gdzie zachodzi ich łączenie. W wyniku tego powstają dojrzałe rybosomy.

1.6. CHROMATYNA

W skład chromatyny wchodzi podwójna helisa DNA z histonowymi i niehistonowymi białkami. Najlepiej jest widoczna w mikroskopie w interfazie podziału komórkowego. W trakcie tego podziału z chromatyny powstają chromosomy. Podstawową jednostką tworzącą chromatynę jest nukleosom.

Chromatyna może występować w komórce jako euchromatyna lub heterochromatyna. Euchromatyna to luźny obszar chromatyny. W obrazie mikroskopowym jest widoczna jako jaśniejsze miejsca w jądrze komórkowym. W jej skład wchodzi DNA podstawowej frakcji, zawierające większość genów aktywnych transkrypcyjnie. Z kolei heterochromatyna to skondensowana forma chromatyny. Jest widoczna w postaci nieregularnego pasma na obwodzie jądra.

1.7. MITOCHONDRIA

Mitochondria są obecne we wszystkich komórkach z wyjątkiem erytrocytów. Największą ich liczbę obserwuje się w komórkach o dużej aktywności metabolicznej. Organelle te mają kształt cylindryczny i zawierają dwie błony – zewnętrzną i wewnętrzną.

W skład błony zewnętrznej wchodzi poryna – białko, które umożliwia transport dużych cząsteczek do przestrzeni międzybłonowej mitochondriów. Błona wewnętrzna ma kształt grzebieni i ze względu na obecność fosfolipidu – kardiolipiny – nie jest przepuszczalna dla małych jonów. Dzięki temu staje się możliwe wytworzenie gradientu elektrochemicznego potrzebnego do produkcji różnych wysokoenergetycznych cząsteczek.

W przestrzeni międzybłonowej znajdują się przede wszystkim wytworzone w mitochondriach cząsteczki ATP. W grzebieniach mitochondrialnych są enzymy łańcucha oddechowego biorące udział w syntezie ATP. Macierz mitochondrialna zawiera enzymy biorące udział w utlenianiu kwasów tłuszczowych i pirogronianu, a także związane z cyklem kwasów trójkarboksylowych rybosomy i koliste mitochondrialne DNA.

1.8. SIATECZKA ŚRÓDPLAZMATYCZNA SZORSTKA

Siateczka śródplazmatyczna szorstka tworzy system kanalików i cystern, które są ograniczone błoną cytoplazmatyczną. Na zewnętrznej powierzchni cystern znajdują się rybosomy. W cytoplazmie występują również wolne rybosomy. Część z nich łączy się ze sobą, tworząc polirybosomy. W błonie siateczki znajdują się kompleksy białek odpowiedzialne za rozpoznawanie i przytwierdzanie rybosomów. W siateczce są syntetyzowane przede wszystkim białka służące do budowy błony komórkowej i lizosomów. W obrębie organellum następuje także degradacja niektórych białek.

1.9. SIATECZKA ŚRÓDPLAZMATYCZNA GŁADKA

Siateczka śródplazmatyczna gładka nie ma rybosomów na powierzchni błony, a składa się z rozgałęzionych kanalików lub pęcherzyków. W niektórych komórkach kanaliki siateczki gładkiej mogą się łączyć z cysternami siateczki śródplazmatycznej szorstkiej. W komórce jest zlokalizowana głównie w obwodowej części cytoplazmy. Bierze udział w syntezie lipidów, takich jak cholesterol i lipidy błony komórkowej oraz niektórych hormonów steroidowych. Ponadto jest miejscem magazynowania glikogenu i lipidów, a także uczestniczy w detoksykacji organizmu z trucizn i leków.

W komórkach mięśniowych występuje szczególna jej odmiana – siateczka sarkoplazmatyczna, która magazynuje jony wapnia (Ca+).

1.10. APARAT GOLGIEGO

Aparat Golgiego jest zbudowany ze spłaszczonych, ułożonych równolegle cystern i pęcherzyków. W większości komórek znajduje się w pobliżu jądra komórkowego. Jest utworzony z jednego lub kilku diktiosomów.

W skład diktiosomu wchodzi kilka spłaszczonych i wygiętych cystern. Cysterny leżące bliżej jądra komórkowego są nazywane cysternami cis, a zlokalizowane dalej – cysternami trans. Pomiędzy nimi znajdują się cysterny pośrednie. Wokół diktiosomów są obecne liczne małe pęcherzyki transportujące błony między siateczką śródplazmatyczną a błoną komórkową.

Podstawowymi czynnościami aparatu Golgiego są przebudowa i recyrkulacja błon w wyniku wytwarzania pęcherzyków transportujących lipidy i białka potrzebne do budowy błony komórkowej lub błon organelli komórkowych. Aparat Golgiego bierze również udział w „upakowaniu” produktów wytworzonych w siateczce śródplazmatycznej i w wytwarzaniu lizosomów.

1.11. RYBOSOMY

Rybosomy są zbudowane z rybosomalnego RNA (rRNA) i białek. Składają się z dwóch podjednostek: większej o stałej sedymentacji 60S i mniejszej o stałej sedymentacji 40S. Obie podjednostki połączone z nicią mRNA tworzą tzw. polirybosomy. W komórce występują jako wolne organelle lub są związane strukturalnie z siateczką śródplazmatyczną szorstką. Biorą udział w syntezie białek wykorzystywanych na potrzeby komórki. Białkowe składowe błon komórkowych, białka przeznaczone do wydzielania, a także enzymy lizosomalne są produkowane w rybosomach związanych z siateczką śródplazmatyczną szorstką.

1.12. LIZOSOMY

Lizosomy są organellami komórkowymi, wewnątrz których zachodzą procesy rozkładu związków wielkocząsteczkowych. Biorą w nich udział enzymy hydrolityczne działające w kwaśnym pH. Są otoczone pojedynczą nieprzepuszczalną dla enzymów błoną białkowo-lipidową. Powstają przez połączenie się pęcherzyków hydrolazowych, zwanych lizosomami pierwotnymi i wytwarzanymi w aparacie Golgiego, z pęcherzykami zawierającymi materiał przeznaczony do rozkładu enzymatycznego. Po połączeniu się z tymi pęcherzykami powstają lizosomy wtórne. Enzymy lizosomalne są syntetyzowane w siateczce śródplazmatycznej ziarnistej i dalej transportowane do aparatu Golgiego. Wewnątrz aparatu następuje ich glikozylowanie, segregowanie i zagęszczanie. Odłączone od aparatu Golgiego tworzą lizosomy pierwotne. W lizosomach znajduje się ok. 40 enzymów katalizujących rozpad większości zbędnych dla komórki substancji. Lizosomy biorą także udział w przebudowie organelli komórkowych, procesach zapalnych oraz regulacji wydzielania niektórych hormonów.

Uwarunkowany genetycznie enzymatyczny niedobór jednego z enzymów lizosomalnych może prowadzić do powstania chorób spichrzeniowych.

1.13. PEROKSYSOMY

Peroksysomy, zwane również mikrociałkami (wielkość: 0,15–0,25 µm), są organellami otoczonymi pojedynczą błoną. Zawierają ok. 50 enzymów oksydacyjnych. W przeciwieństwie do lizosomów nie łączą się z żadnymi pęcherzykami. Powstają przez podział, a ich enzymy są produkowane w cytoplazmie.

Do podstawowych funkcji peroksysomów należy neutralizacja nadtlenku wodoru i etanolu. Biorą również udział w utlenianiu długołańcuchowych kwasów tłuszczowych, syntezie cholesterolu, kwasów żółciowych, acetylokoenzymu A.

1.14. WTRĘTY KOMÓRKOWE

Wtręty komórkowe to struktury występujące w komórce czasowo. Należą do nich skupiska kropli lipidowych i ziarna glikogenu pełniące funkcję magazynów energii. Wtrętami komórkowymi są również nagromadzone metabolity komórkowe, takie jak ziarna lipofuscyny wytwarzane podczas procesów utleniania lipidów i lipoprotein. Liczba ziaren liopofuscyny wzrasta wraz z wiekiem. Do wtrętów komórkowych zalicza się również barwnik produkowany przez melanocyty – melaninę. Bierze ona udział m.in. w pigmentacji skóry.

2

Homeostaza
Oskar Wojciech Wiśniewski

Myśl o sposobie funkcjonowania organizmów żywych zajmowała umysły badaczy już od stuleci. Jednak dopiero w drugiej połowie XIX w. Claude Bernard przedstawił teorię, która stała się podstawą całej dzisiejszej fizjologii. Francuski badacz jako pierwszy stwierdził, że „stałość środowiska wewnętrznego ustroju jest warunkiem życia”, co niecałe 100 lat później wykorzystał Walter Cannon, formułując pojęcie homeostazy (gr. homoíos – podobny, równy; stásis – trwanie).

Homeostaza to stan dynamicznej równowagi środowiska wewnętrznego organizmu kontrolowany przez nieustannie aktywne procesy homeostatyczne. Procesy te są skoordynowanymi reakcjami fizjologicznymi, które przeciwstawiają się zaburzeniom homeostazy powodowanym przez czynniki środowiska zewnętrznego. Prawidłowe funkcjonowanie homeostazy jest warunkiem niezbędnym do utrzymania zdrowia. Tym samym wszelkie stany chorobowe należy definiować jako jej zaburzenia.

Stabilność środowiska wewnętrznego organizmu wyraża się przede wszystkim w utrzymaniu:

• izotonii – stałego stężenia substancji osmotycznie czynnych w przedziałach płynowych;

• izowolemii – stałej objętości przedziałów płynowych;

• izojonii – stałego stężenia poszczególnych jonów w przedziałach płynowych;

• izohydrii – stałego stężenia jonów wodorowych, a tym samym pH, w przedziałach płynowych;

• izotermii – stałej temperatury organizmu.

W utrzymanie homeostazy są zaangażowane wszystkie układy narządów, choć niektórzy uczeni wyłączają z tej grupy układ rozrodczy. Warto jednak podkreślić, że gonady nie tylko pełnią funkcje reprodukcyjne, lecz także – jako gruczoły dokrewne – modulują całokształt ustroju.

2.1. PROCESY HOMEOSTATYCZNE

Każde zaburzenie homeostazy jest odbierane przez układ specyficznych receptorów, które przekazują informację drogą wstępującą (aferentną) do odpowiednich ośrodków kontrolnych. Tam następuje interpretacja informacji o zmienionych wartościach parametrów środowiska wewnętrznego i jest inicjowana reakcja adekwatna do stymulującego bodźca. W momencie, gdy informacja zwrotna z ośrodka kontrolnego dotrze drogą zstępującą (eferentną) do narządów wykonawczych (efektorów), uruchamiane są właściwe procesy homeostatyczne, które przeciwdziałają pierwotnemu zaburzeniu.

Zdecydowana większość procesów homeostatycznych oparta jest na zasadzie ujemnego sprzężenia zwrotnego (ryc. 2.1). Oznacza to, że wypadkowa działania procesu jest przeciwna do kierunku działania bodźca, który tę odpowiedź wyzwolił. Przykładowo, spadek ciśnienia tętniczego krwi prowadzi do błyskawicznej aktywacji mechanizmów odpowiedzialnych za jego podwyższanie. Zapobiegają one dalszemu spadkowi ciśnienia tętniczego i dążą do osiągnięcia poziomu jak najbardziej zbliżonego do wcześniejszego stanu równowagi. Podobnie wzrost temperatury ciała spowodowany wysoką temperaturą otoczenia jest korygowany przez uruchomienie mechanizmów zwiększających utratę ciepła, co skutkuje zmniejszeniem temperatury ciała i przywróceniem jej do stanu jak najbardziej odpowiadającego jej wcześniejszym wartościom.

Rycina 2.1. Kontrola homeostazy (opis w tekście) BP (blood pressure) – ciśnienie tętnicze krwi; T – temperatura ciała

Jak wspomniano już w poprzednim akapicie, żaden proces homeostatyczny nie przebiega ze stuprocentową sprawnością, a rezultatem jego działania jest stan najbardziej zbliżony do wcześniejszej równowagi, nie zaś jej identyczne odwzorowanie. Coraz częściej więc zastępuje się pojęcie „homeostaza” terminem „homeodynamika”, by podkreślić płynność i zmienny charakter parametrów środowiska wewnętrznego, które nieustannie oscylują w wąskim zakresie wartości określanych potocznie wartościami normalnymi. Co istotne, efektywność poszczególnych procesów homeostatycznych znacznie różni się między sobą i jest opisywana za pomocą wskaźnika homeostazy, zwanego również współczynnikiem sprzężenia.

Wyłącznie w kilku przypadkach regulacja stałości środowiska wewnętrznego zachodzi przy udziale wzajemnie napędzających się czynników będących podstawą dodatniego sprzężenia zwrotnego. Dotyczy to m.in. kaskady czynników krzepnięcia aktywowanej uszkodzeniem ściany naczyniowej, skurczów macicy indukowanych oksytocyną podczas akcji porodowej, a także procesu szerzenia się potencjału czynnościowego po depolaryzacji komórki nerwowej. Niemniej jednak dodatnie sprzężenie zwrotne stanowi najczęściej mechanizm prowadzący do powstania patologii oraz jej utrzymywania lub pogłębiania na zasadzie tzw. błędnego koła, które może przerwać dopiero odpowiednia interwencja medyczna.

2.2. HOMEOSTAZA KOMÓRKOWA

Procesy homeostatyczne zachodzą nieprzerwanie także na poziomie komórkowym, a w ich mechanizm działania jest zaangażowanych wiele receptorów i cząsteczek biologicznych biorących udział w sygnalizacji międzykomórkowej. Nieodłączny element procesów utrzymujących homeostazę stanowi transport substancji przez błony komórkowe, co może wymagać udziału specyficznych przenośników, wyzwalania energii lub przynajmniej gradientu stężeń.

2.2.1. SYGNALIZACJA MIĘDZYKOMÓRKOWA

Wszystkie receptory błonowe występujące w organizmie człowieka można zakwalifikować do następujących dwóch grup:

• receptory jonotropowe – przekazywanie sygnału wiąże się z napływem określonych jonów do wnętrza komórki (np. receptory nikotynowe),

• receptory metabotropowe – w przekazywaniu sygnału uczestniczy kaskada reakcji związanych z białkiem G lub kinazami tyrozynowymi (np. receptory adrenergiczne lub insulinowe).

Ponadto istnieją receptory wewnątrzkomórkowe, które są pobudzane przez lipofilne substancje mogące przenikać przez błonę komórkową i wywierają bezpośredni wpływ na ekspresję genów po związaniu w kompleks z ligandem, np. receptory dla glukokortykosteroidów.

Obok receptorów kluczową funkcję w sygnalizacji komórkowej pełnią kanały jonowe. Są to struktury białkowe, które po aktywacji określonym bodźcem zmieniają swoją konfigurację przestrzenną i umożliwiają przepływ jonów między komórką a jej otoczeniem.

Wyróżnia się następujące kanały jonowe:

• bramkowane napięciem – przepływ jonów następuje po stymulacji potencjałem elektrycznym,

• bramkowane ligandem – przepływ jonów następuje po stymulacji daną substancją chemiczną,

• bramkowane siłą mechaniczną – przepływ jonów następuje po stymulacji czynnikiem mechanicznym.

Jako specyficzny typ kanałów należy również zaklasyfikować akwaporyny, które po wbudowaniu w błonę komórkową umożliwiają stały przepływ wody, m.in. do komórek cewek nerkowych.

Warto zwrócić uwagę, że pod względem mechanizmu działania opisane powyżej receptory jonotropowe są jednocześnie kanałami jonowymi bramkowanymi ligandem.

Istotnym ogniwem sygnalizacji międzykomórkowej są także bezpośrednie wzajemne oddziaływania komórek za pomocą białek powierzchniowych lub koneksonów tworzących połączenia szczelinowe.

2.2.2. TRANSPORT SUBSTANCJI PRZEZ BŁONY KOMÓRKOWE

Transport przez błony biologiczne, będące w ujęciu biofizycznym błonami półprzepuszczalnymi, może odbywać się zarówno biernie, zgodnie z gradientem stężeń lub gradientem elektrochemicznym, jak i aktywnie, co związane jest z wydatkowaniem energii zmagazynowanej w wysokoenergetycznych wiązaniach adenozynotrifosforanu (ATP).

Wyróżnia się następujące rodzaje transportu biernego (bez udziału energii):

• dyfuzja prosta – samoistny transport substancji zgodnie z gradientem stężeń, tj. z przedziału o wyższym stężeniu do przedziału o niższym stężeniu, lub samoistny transport substancji zgodnie z gradientem elektrochemicznym, tj. transport cząsteczek o danym ładunku elektrycznym w kierunku przedziału o przeciwnym sumarycznym potencjale z uwzględnieniem różnic stężeń między przedziałami;

• dyfuzja ułatwiona (wspomagana) – samoistny transport substancji zgodnie z gradientem stężeń lub elektrochemicznym przy udziale białek nośnikowych;

• osmoza – samoistny transport cząsteczek rozpuszczalnika (wody) z roztworu hipotonicznego do hipertonicznego, tj. z roztworu o niższym stężeniu substancji rozpuszczonych do roztworu o stężeniu wyższym;

• transport masywny – samoistny transport cząsteczek wielu substancji rozpuszczonych w roztworze wywołany intensywnym ruchem cząsteczek rozpuszczalnika.

Przeciwieństwem transportu biernego jest transport aktywny, w którym cząsteczki rozpuszczonych substancji są przenoszone przez błonę komórkową wbrew gradientowi stężeń z wykorzystaniem specyficznych przenośników oraz dzięki wyzwalanej energii.

W zależności od ilości i kierunku transportowanych związków chemicznych wszystkie rodzaje transportu aktywnego można zaszeregować jako:

• uniport – transport pojedynczej substancji do wnętrza lub na zewnątrz komórki,

• symport – wspólny transport dwóch substancji do wnętrza komórki,

• antyport – transport dwóch substancji jednocześnie w przeciwnych kierunkach, jednej do komórki, a drugiej poza komórkę.

Transport aktywny można dodatkowo podzielić na pierwotny, w którym zasoby energii są wykorzystywane bezpośrednio do przeniesienia cząsteczek przez błonę, oraz wtórny, którego istotą jest wytworzenie gradientu elektrochemicznego przy udziale energii tak, aby w późniejszym etapie posłużył on do przetransportowania danej substancji przez błonę.

Przykładem transportu aktywnego fundamentalnym dla utrzymania homeostazy organizmu jest czynność Na+-K+-ATPazy, tzw. pompy sodowo-potasowej. Enzym ten przenosi trzy jony sodu na zewnątrz komórki, natomiast dwa jony potasowe do jej wnętrza, wykorzystując przy tym jedną cząsteczkę ATP. Działanie pompy sodowo-potasowej jest niezmiernie istotne, gdyż stanowi kluczowy mechanizm utrzymania potencjału błonowego oraz objętości komórek. Tym samym aktywność Na+-K+-ATPazy jest niezbędna do przetrwania każdej żywej komórki organizmu człowieka. A zatem utrzymanie homeostazy wymaga stałej podaży energii.

Cały przekrój rodzajów transportu błonowego uzupełnia transport przy udziale błony. Dzieli się on na endocytozę, będącą procesem pobierania substancji do wnętrza komórki, oraz egzocytozę, która stanowi jeden z mechanizmów wydalniczych. Niezależnie od kierunku przenoszenia związków chemicznych transport ten przebiega z wytworzeniem pęcherzyków, których ścianę stanowią fragmenty błony komórkowej opłaszczające pobierane lub wydalane cząsteczki. W przypadku endocytozy elementy dwuwarstwy fosfolipidowej odrywają się od błony komórkowej, zmniejszając jej powierzchnię. Z kolei podczas egzocytozy wielkość błony komórkowej powiększa się, gdyż jej fragmenty otaczające substancje przeznaczone do wydalenia są w nią całkowicie włączane.

Na podstawie charakteru pobieranych substancji zjawisko endocytozy dzieli się na fagocytozę, jeśli do komórki kierowane są substancje stałe, lub pinocytozę, gdy wchłaniane są płyny. Te dwa z pozoru podobne procesy znacznie się różnią. Z punktu widzenia homeostazy najistotniejszy jest jednak fakt, że pinocytoza zachodzi stale we wszystkich komórkach organizmu, natomiast fagocytoza pozostaje domeną wyspecjalizowanych komórek, np. makrofagów. Wyróżnia się również pewien charakterystyczny rodzaj pinocytozy zwany transcytozą, który polega na transporcie substancji płynnych zamkniętych w pęcherzykach pinocytarnych od jednego bieguna komórki do drugiego. Tym samym substancje pochłaniane w mechanizmie transcytozy nie są wykorzystywane przez pobierające je komórki, lecz wyłącznie przemieszczane tranzytem przez ich cytoplazmę, by w rezultacie dotrzeć do wskazanego celu.

2.3. PRZEDZIAŁY PŁYNOWE ORGANIZMU

Ze względu na to, że ciało dorosłego człowieka jest zbudowane średnio w 60% z wody (całkowita woda ustrojowa; TBW, total body water), utrzymanie homeostazy przestrzeni wodnych jest kluczowe dla zachowania zdrowia całego organizmu. Należy jednak pamiętać, że jest to wartość średnia, a zawartość wody w różnych tkankach waha się od ponad 80% we krwi do zaledwie 10% w tkance tłuszczowej. Nie powinien więc dziwić mniejszy stosunek wody do masy ciała u kobiet, co wynika przede wszystkim z fizjologicznie większego udziału tkanki tłuszczowej w składzie całego ciała. Zawartość wody ustrojowej zależy również od wieku i stopniowo zmniejsza się wraz ze starzeniem się organizmu, od ok. 75% u noworodka do ok. 50% u osób w 60. roku życia.

Wyróżnia się następujące przestrzenie wodne organizmu człowieka (ryc. 2.2):

• przestrzeń wewnątrzkomórkową (ICF, intracellular fluid), stanowiącą ok. 40% masy ciała;

• przestrzeń zewnątrzkomórkową (ECF, extracellular fluid), stanowiącą ok. 20% masy ciała.

Dodatkowo ECF dzieli się bardziej szczegółowo na trzy składowe:

• płyn wewnątrznaczyniowy – osocze krwi, ok. 4% masy ciała;

• płyn zewnątrznaczyniowy – płyn śródmiąższowy (tzw. płyn tkankowy) oraz chłonka, ok. 14% masy ciała;

• płyn transkomórkowy – płyn surowiczy wypełniający jamy ciała, płyn mózgowo-rdzeniowy, płyn maziowy w torebkach stawowych, ciecz wodnista w gałkach ocznych, endolimfa w uchu wewnętrznym, płyn wypełniający światło przewodów wyprowadzających gruczołów oraz płyny obecne w świetle przewodu pokarmowego, dróg oddechowych i moczowych, ok. 2% masy ciała.

Rycina 2.2. Przestrzenie wodne organizmu człowieka

Co istotne, ECF i ICF różnią się między sobą zajmowaną objętością i procentowym udziałem w masie ciała – przede wszystkim jednak charakteryzują się zupełnie odmiennym składem jonowym (tab. 2.1). Głównymi składnikami ECF są jony Na+ i Cl−, natomiast jony K+ i aniony białczanowe dominują w ICF. Niemniej jednak zawsze ilość kationów w danej przestrzeni wodnej jest równoważona ilością anionów, co stanowi podstawę prawa elektroobojętności płynów ustrojowych.

Tabela 2.1. Skład jonowy wybranych elementów ECF i ICF

Jon

Osocze krwi [mEq/kg H_2O]

Płyn śródmiąższowy [mEq/kg H_2O]

Płyn wewnątrzkomórkowy [mEq/kg H_2O]

Kationy

Na+

153

145

10

K+

4,3

4

159

Ca2+

5,4

3

1

Mg2+

2,2

2

40

Razem

165

154

210

Aniony

Cl−

111

117

3

HCO_3−

27

28

7

Białczany

18

–

45

Inne

9

9

155

Razem

165

154

210

Źródło: zmodyfikowano na podstawie Rhoades R.A., Bell D.R. (red.): Medical Physiology. Principles for Clinical Medicine. Wyd. 4. Lippincott Williams and Wilkins, Philadelphia 2013; 430.

2.4. IZOTONIA

Jak już wspomniano we wstępie, izotonia polega na utrzymaniu stałego stężenia substancji osmotycznie czynnych (osmolitów) w poszczególnych przestrzeniach wodnych organizmu. Do osmolitów zalicza się związki chemiczne, które ze względu na swoje właściwości fizykochemiczne nie mają zdolności samoistnego przenikania lub bardzo słabo przemieszczają się przez błony biologiczne. W stanie fizjologii są to przede wszystkim jony Na+ oraz glukoza, a także glicyna i albuminy. Wszystkie te substancje rozpuszczone w roztworze mają określone stężenie, a zatem wywierają ściśle zdefiniowane ciśnienie, zwane ciśnieniem osmotycznym. Wyjątek stanowi ciśnienie substancji będących koloidami (np. albumin), które określa się mianem ciśnienia onkotycznego (koloidoosmotycznego).

Stężenie substancji osmotycznie czynnych wyraża się jako osmolarność (gdy liczbę moli osmolitów odnosi się do 1 l rozpuszczalnika) lub osmolalność (gdy liczbę moli osmolitów odnosi się do 1 kg rozpuszczalnika). Zgodnie z prawem izoosmolalności ciśnienie osmotyczne wszystkich płynów ustrojowych w różnych przestrzeniach wodnych organizmu jest jednakowe i na ogół odpowiada osmolalności wynoszącej ok. 290 mOsm/kg H_2O.

Porównując osmolalność różnych roztworów w odniesieniu do osocza krwi, używa się następujących terminów:

• roztwór hipotoniczny – o osmolalności niższej niż osocze, np. 0,45% roztwór NaCl;

• roztwór izotoniczny – o osmolalności identycznej z osoczem, np. 0,9% roztwór NaCl;

• roztwór hipertoniczny – o osmolalności wyższej niż osocze, np. 3% roztwór NaCl.

Utrzymanie izotonii w organizmie człowieka zależy przede wszystkim od stałej objętości wody zgromadzonej w ECF i ICF. W związku z tym w kontrolę izotonii zaangażowane są głównie ośrodek pragnienia oraz wazopresyna (hormon antydiuretyczny; ADH, antidiuretic hormone), modulujące kolejno ilość przyjmowanych płynów oraz objętość wody wydalanej przez nerki w reakcji na zmiany osmolalności osocza.

2.5. IZOWOLEMIA

Definicja izowolemii obejmuje utrzymywanie stałej objętości przestrzeni płynowych w organizmie, zwłaszcza płynu wewnątrznaczyniowego, co jest równoznaczne z zachowaniem prawidłowej objętości osocza, a tym samym również krwi krążącej. W zależności od masy ciała i płci całkowita objętość krwi w organizmie człowieka wynosi 4–6 l, z czego ok. 55% przypada na osocze.

Utrzymanie właściwej objętości krwi krążącej jest jednym z kluczowych elementów zachowania prawidłowego ciśnienia krwi, a także czynnikiem niezbędnym do podtrzymania odpowiedniej perfuzji tkankowej, a co za tym idzie – metabolizmu komórkowego. Wobec tego utrzymanie izowolemii wymaga precyzyjnej i szybkiej regulacji, by uniknąć niedotlenienia tkanek.

Najważniejszym aspektem kontroli izowolemii jest utrzymywanie odpowiedniego stężenia jonów Na+ w osoczu krwi, a dominującą rolę w ich regulacji pełni układ renina–angiotensyna–aldosteron (RAA), prowadzący do zwiększenia resorpcji jonów sodowych i wody w wielu mechanizmach. Ponadto w zachowanie stałości wolemii zaangażowane są inne hormony, takie jak wazopresyna czy przedsionkowe peptydy natriuretyczne, a także autonomiczny układ nerwowy.

2.6. IZOJONIA

Zgodnie z prawem izojonii organizm człowieka dąży do zachowania stałego stężenia poszczególnych jonów w przestrzeniach wodnych. Aby cel został osiągnięty, konieczne jest utrzymywanie równego stężenia jonów w osoczu, choć w wyjątkowych sytuacjach nie jest to równoznaczne z odpowiednią ilością danych jonów w ICF, np. w przypadku wewnątrzkomórkowej hipokaliemii w kwasicy ketonowej w przebiegu cukrzycy typu 1.

Do najważniejszych jonów ustroju należą jony sodowe i potasowe, od których zależy właściwe funkcjonowanie wielu układów, zwłaszcza nerwowo-mięśniowego oraz sercowo-naczyniowego. Regulacja stężenia jonów sodowych odbywa się głównie przy udziale układu RAA, przedsionkowych peptydów natriuretycznych oraz autonomicznego układu nerwowego. Z kolei w kontroli stężenia jonów potasowych biorą udział przede wszystkim układ RAA, autonomiczny układ nerwowy, stan równowagi kwasowo-zasadowej oraz insulina.

2.7. IZOHYDRIA

Szczególnym przykładem izojonii jest izohydria, polegająca na utrzymaniu stałego stężenia jonów wodorowych, a co za tym idzie – również stałego pH. Optymalne wartości pH znacznie się różnią w zależności od płynu ustrojowego – przyjmują wartości charakterystyczne dla niego. Przykładowo, prawidłowe pH krwi tętniczej wynosi od 7,35 do 7,45, podczas gdy średnie pH ICF w komórkach mięśni szkieletowych – 6,9.

Zachowanie stałych wartości pH jest kluczowe dla efektywnego funkcjonowania wszystkich enzymów, ponieważ każdy z nich cechuje się własnym optymalnym pH, przy którym jego aktywność jest najwyższa. Tym samym każde odchylenie od najkorzystniejszej wartości pH zakłóca prawidłowe działanie enzymów, spośród których jednymi z najbardziej wrażliwych na zmiany stężenia jonów wodorowych są enzymy łańcucha oddechowego.

Utrzymanie izohydrii w organizmie człowieka jest zależne od regulacji narządowej przez płuca i nerki oraz regulacji buforowej za pomocą układów chemicznych składających się z kwasu i zasady bądź słabego i mocnego kwasu, które mogą przyjmować lub oddawać jony H+ w przypadku ich nierównowagi. W zależności od czasu trwania zaburzenia izohydrii aktywacji ulegają kolejne procesy homeostatyczne, począwszy od mechanizmów buforowych krwi, przez udział płuc, aż do próby nerkowej kompensacji.

Wyróżnia się następujące układy buforowe (uszeregowane od najistotniejszych):

• wodorowęglanowy (H_2CO_3 ↔ H+ + HCO_3−),

• hemoglobinianowy (HHb ↔ H+ + Hb−),

• fosforanowy (H_2PO_4− ↔ H+ + HPO_4^2−),

• białczanowy (R-COOH ↔ H+ + R-COO−).

Rola płuc w utrzymaniu izohydrii polega na usuwaniu nadmiaru dwutlenku węgla wytwarzanego w procesach metabolicznych. Aż 70% CO_2 występuje bowiem we krwi w postaci związanej z cząsteczką wody jako kwas węglowy, który w zdecydowanej większości dysocjuje do anionu wodorowęglanowego, dostarczając równocześnie dodatkowe ilości jonów H+. Zatem stałe wydalanie CO_2 przez płuca redukuje również ilość jonów wodorowych we krwi.

Działanie nerek opiera się natomiast na bezpośrednim wydalaniu jonów H+, co podwyższa pH krwi, oraz reabsorpcji jonów HCO_3−, co zwiększa pojemność buforową krwi (bufor wodorowęglanowy) i stabilizuje jej pH.

2.8. IZOTERMIA

Kluczowym elementem homeostazy jest również izotermia – utrzymanie temperatury głębokiej organizmu niezależnie od warunków środowiska zewnętrznego. Tak ścisłej regulacji nie podlega natomiast temperatura skóry, która zmienia się w zależności od temperatury otoczenia i jest zależna od dostarczania ciepła wyprodukowanego w procesach metabolicznych narządów wewnętrznych. Transfer ten jest możliwy dzięki stałemu przepływowi krwi w naczyniach krążenia systemowego. Ciało człowieka określa się więc obrazowo jako ciepłostałe jądro z ciepłozmienną powłoką, a temperatura krwi dużych naczyń krwionośnych jest bardzo zbliżona do temperatury głębokiej ustroju.

Podobnie jak w przypadku izohydrii, utrzymanie stałej temperatury wnętrza organizmu jest niezwykle istotne dla zachowania optymalnej aktywności wszystkich enzymów, a tym samym odpowiedniego tempa metabolizmu. Już nawet niewielkie zmiany temperatury głębokiej (rzędu 0,2°C) powodują uruchomienie procesów homeostatycznych, natomiast wahania ciepłoty przekraczające o 4°C wartości normalne stwarzają poważne zagrożenie życia człowieka, wywołując szereg niekorzystnych zmian w układach biologicznych. Narządem krytycznym dla zmian temperatury jest przede wszystkim ośrodkowy układ nerwowy.

W zależności od anatomicznego miejsca pomiaru wartości temperatury ciała różnią się dość znacząco między sobą. Niemniej jednak za prawidłową ciepłotę tkanek głębokich uznaje się najczęściej temperaturę w przedziale 36,6–37,0°C ± 0,6°C.

Tak szeroki zakres dopuszczalnych wartości temperatury ustroju wyjaśnia m.in. fakt, że temperatura głęboka zmienia się w przebiegu różnych procesów fizjologicznych, spośród których należy wyróżnić cykl miesiączkowy oraz naturalny rytm dobowy, charakteryzujący się występowaniem najniższej temperatury podczas snu (między 1.00 a 03.00), najwyższej zaś w godzinach wieczornych (między 18.00 a 20.00).

Obecnie uważa się, że najlepsze odzwierciedlenie temperatury wnętrza organizmu można uzyskać przez pomiar temperatury w odbycie lub w uchu zewnętrznym (w okolicy błony bębenkowej). Pomiary dokonywane w jamie ustnej lub pachowej również pozwalają określić zmiany temperatury ciała, natomiast należy pamiętać, że ich wartości bezwzględne są niższe od temperatury tkanek głębokich o średnio 0,2–0,3°C dla jamy ustnej oraz o 0,3–0,6°C dla jamy pachowej.

2.8.1. WYTWARZANIE I ODDAWANIE CIEPŁA

Ogół ciepła wyzwalanego w organizmie człowieka jest produktem ubocznym zachodzących procesów metabolicznych. Tym samym produkcja ciepła bezpośrednio koreluje z bieżącym poziomem całkowitej przemiany materii i jest największa w narządach o najwyższym zapotrzebowaniu energetycznym. Najwięcej ciepła w spoczynku (ok. 60%) wytwarzają podczas aktywności metabolicznej narządy trzewne, przede wszystkim wątroba, jelita i nerki. Ważną rolę odgrywa również mózg, który jest odpowiedzialny za ok. 1/6 łącznej produkcji ciepła. Z kolei podczas wysiłku fizycznego w wyzwalaniu ciepła dominują mięśnie szkieletowe, będące źródłem ok. 90% powstającego ciepła.

Oprócz narządów zaangażowanych w wytwarzanie ciepła istotną rolę w utrzymaniu stałej temperatury środowiska wewnętrznego odgrywa również skóra, tworząc efektywny układ termoizolacyjny. Jego najważniejszym elementem jest bezsprzecznie tkanka tłuszczowa zlokalizowana w wewnętrznej warstwie skóry, zwanej tkanką podskórną, której bardzo niska przewodność cieplna silnie ogranicza utratę energii z powłok organizmu.

W stanie homeostazy produkcja ciepła jest równoważona jego utratą z powierzchni kontaktujących się ze środowiskiem zewnętrznym (np. skóra, błony śluzowe układów oddechowego i pokarmowego), która może zachodzić w czterech mechanizmach fizycznych. Należą do nich:

• promieniowanie – energia cieplna jest emitowana do otoczenia w postaci fal promieniowania podczerwonego;

• przewodzenie – energia cieplna jest przekazywana do przedmiotów przylegających do powierzchni ciała, np. krzesło, odzież, trzymany długopis;

• konwekcja – energia cieplna jest oddawana do poruszających się przy powierzchni ciała cząsteczek powietrza;

• parowanie (ewaporacja) – energia cieplna jest pochłaniana przez kontaktujące się z powierzchnią ciała cząsteczki wody o wysokim cieple właściwym.

Niczym nieosłonięte ciało człowieka znajdujące się w pomieszczeniu o tzw. temperaturze pokojowej (20–22°C) traci ciepło głównie na skutek promieniowania (60%). Znacznie mniejszy udział w powstawaniu strat ciepła przypisuje się parowaniu (22%), konwekcji (15%) i przewodzeniu (3%).

Należy jednak pamiętać, że organizm nie zawsze może wykorzystywać wszystkie przedstawione wyżej mechanizmy oddawania ciepła. W sytuacji, gdy temperatura otoczenia, w tym cząsteczek poruszającego się powietrza (wiatru), jest wyższa od temperatury ciała, jedynym mechanizmem umożliwiającym utrzymanie izotermii staje się ewaporacja. Jednakże również parowanie ma swoje ograniczenia i nie zachodzi w warunkach wysokiej wilgotności powietrza.

Warto też podkreślić, że parowanie wymaga powstawania potu, a zatem ustrój musi zapewnić odpowiednią podaż wody do jego produkcji. Brak możliwości przeznaczenia odpowiedniej ilości wody do produkcji potu w stanie odwodnienia prowadzi do stopniowego zwiększania się temperatury głębokiej i jest podstawowym mechanizmem patofizjologicznym rozwoju udaru cieplnego.

Standardowo organizm człowieka wytwarza dziennie ok. 1000 ml potu, w wyniku czego traci ok. 580 kcal ciepła i tylko nieznaczne ilości jonów Na+ oraz Cl−. Objętość powstającego potu może jednak ulec zwielokrotnieniu w przypadku narażenia na wysoką temperaturę otoczenia, co wprawdzie zwiększa usuwanie ciepła z organizmu, lecz może prowadzić do utraty znacznych ilości chlorków i jonów sodowych oraz wody, skutkując rozwojem hiponatremii hipowolemicznej, a także odwodnienia. Przyczyną jest zbyt szybki przepływ potu pierwotnego (o składzie zbliżonym do osocza krwi) przez przewody wyprowadzające gruczołów potowych, co istotnie ogranicza możliwości resorpcji elektrolitów i skutkuje ich zwiększoną utratą. W przypadku długotrwałej ekspozycji na wysokie temperatury ustrój redukuje ilość jonów Na+ i Cl− traconych z potem, zwiększając produkcję aldosteronu przez korę nadnerczy. W rezultacie po kilku tygodniach dochodzi do aklimatyzacji organizmu do nowych warunków środowiskowych, a ilość elektrolitów eliminowanych wraz z potem zmniejsza się dzięki wzmożonemu przez aldosteron wchłanianiu zwrotnemu.

2.8.2. TERMOREGULACJA

Pierwszoplanową rolę w kontroli temperatury głębokiej organizmu człowieka odgrywa podwzgórze, w którym jest ustalany wzorzec temperatury, tzw. set point (punkt nastawczy). Stanowi on punkt nastawczy, którego wartość stale podtrzymują procesy homeostatyczne ustroju. Na poziomie komórkowym wartość set pointa jest warunkowana stosunkiem jonów sodowych do jonów wapniowych, przy czym wzrost stężenia jonów Na+ prowadzi do podwyższenia wartości wzorca temperatury, natomiast przyrost stężenia jonów Ca2+ wyzwala jego obniżenie.

Ponadto podwzgórze jest ośrodkiem interpretującym sygnały z termoreceptorów i termodetektorów oraz porównującym informacje o bieżącej temperaturze różnych części ciała z wcześniej ustalonym wzorcem. Co więcej, jego wyspecjalizowane grupy komórek odpowiadają za inicjację odpowiednich reakcji ustroju w odpowiedzi na temperaturę ciała odbiegającą od wartości set pointa. Neurony podwzgórza przedniego tworzą ośrodek eliminacji ciepła, natomiast komórki nerwowe podwzgórza tylnego pełnią funkcję ośrodka zachowania ciepła. W podwzgórzu przednim zlokalizowana jest też większość wszystkich termodetektorów organizmu (pozostałe – ok. 25% – mieszczą się w części szyjnej rdzenia kręgowego).

Poza impulsacją z termodetektorów, będących komórkami ośrodkowego układu nerwowego o zdolności do odbioru informacji o temperaturze głębokiej na podstawie temperatury przepływającej krwi, podwzgórze otrzymuje również sygnały z termoreceptorów obwodowych, mających kontakt z wnętrzem organizmu (termoreceptory mięśni szkieletowych, dużych naczyń żylnych) lub środowiskiem zewnętrznym (termoreceptory skóry właściwej, błony śluzowej jamy ustnej i górnych dróg oddechowych). Termoreceptory obwodowe są najczęściej wolnymi zakończeniami nerwowymi wyspecjalizowanymi do recepcji zimna lub ciepła. W zależności od charakteru odbieranego bodźca zawierają one kanały jonowe TRPM8 (zimno) lub TRPV3 bądź TRPV4 (ciepło) i przenoszą informacje do podwzgórza włóknami Aδ (zimno) lub włóknami C (ciepło). Co istotne, większość z łącznie 2 mln termoreceptorów obwodowych stanowią receptory zimna, co świadczy o większej wrażliwości organizmu człowieka na spadek temperatury ciała niż na jej wzrost.

Do efektorów mechanizmów termoregulacyjnych zalicza się gruczoły potowe i układ krążenia, które umożliwiają wymianę ciepła między organizmem a otoczeniem z wykorzystaniem zjawisk fizycznych, takich jak parowanie czy promieniowanie (efektory termoregulacji fizycznej), a także mięśnie szkieletowe, tkankę tłuszczową, wątrobę oraz nerki, wytwarzające ciepło w procesach biochemicznych (efektory termoregulacji chemicznej). Podwzgórze pobudza lub hamuje efektory termoregulacji za pomocą odpowiedniej modulacji działania układu dokrewnego lub autonomicznego układu nerwowego.

Należy również podkreślić udział podwzgórza w indukowaniu behawioralnych reakcji termoregulacyjnych poprzez przekazywanie informacji o zmienionej temperaturze ciała do ośrodków korowych płata czołowego oraz podwzgórzowych ośrodków pragnienia, głodu i sytości.

2.8.3. REAKCJA NA ZIMNO

W odpowiedzi na zimno organizm człowieka uruchamia cały szereg reakcji obronnych mających zapobiec nadmiernej utracie ciepła oraz zintensyfikować jego produkcję (ryc. 2.3). Jednakże nie wszystkie mechanizmy termoregulacyjne ulegają jednoczesnej aktywacji, są one pobudzane w odpowiedniej kolejności.

Początkowo dochodzi do aktywacji współczulnego (sympatycznego) układu

Rycina 2.3. Mechanizmy termoregulacyjne odpowiedzi na zimno (opis w tekście) Strzałki ciągłe o ostrym grocie obrazują pobudzanie danych struktur; strzałki wykropkowane o zakończeniu w kształcie rombu wskazują na ich hamowanie SNS – sympatyczny układ nerwowy; T_3 – trijodotyronina; T_4 – tyroksyna; TRH – tyreoliberyna; TSH – tyreotropina

nerwowego, co skutkuje przede wszystkim zwężeniem naczyń krwionośnych przebiegających w skórze. Zmniejszony przepływ przez naczynia skórne ogranicza utratę ciepła rozprowadzanego z narządów wewnętrznych drogą układu krążenia. Niemniej jednak nie wszystkie naczynia krwionośne ulegają zwężeniu w takim samym stopniu. Dotyczy to zwłaszcza naczyń twarzy, w których spadek przepływu jest stosunkowo niewielki, co sprawia, że to właśnie skóra twarzy odpowiada za największą utratę ciepła podczas ekspozycji na chłód. Efekt wazokonstrykcyjny jest również potencjalizowany przez katecholaminy wydzielane z rdzenia nadnerczy pod wpływem pobudzenia współczulnego.

Redukcja ilości krwi przepływającej przez skórę prowadzi do zwiększenia jej objętości w łożysku centralnym (centralizacja krążenia). W pierwszym okresie, zgodnie z prawem Franka–Starlinga, zwiększa się objętość wyrzutowa serca, a na skutek wzmożonej stymulacji adrenergicznej – także jego czynność. W rezultacie wzrasta również wartość ciśnienia tętniczego. Kiedy jednak narażenie na chłód jest długotrwałe, a temperatura głęboka ciała stopniowo się obniża, dochodzi do zwolnienia częstości pracy serca (w wyniku bezpośredniego hamowania układu bodźcotwórczo-przewodzącego przez przepływającą krew o niskiej temperaturze) oraz spadku ciśnienia tętniczego.

W dalszej kolejności aktywacji ulegają mechanizmy angażujące układ nerwowo-mięśniowy. Dzięki intensywnemu pobudzaniu motoneuronów α znajdujących się w rogach przednich rdzenia kręgowego wzmaga się napięcie mięśni szkieletowych, co skutkuje zwiększonym wykorzystaniem energii, a tym samym jej większym rozpraszaniem w postaci ciepła. Gdy jednak nie wystarcza to do przeciwdziałania obniżaniu się temperatury ciała, rozpoczyna się proces termogenezy drżeniowej. W wyniku szybkich, nieskoordynowanych, drobnowłókienkowych drżeń mięśni poprzecznie prążkowanych zostaje wyzwolona duża ilość ciepła, która jest rozprowadzana po całym organizmie za pośrednictwem ogrzanej krwi. Za inicjację drżeń mięśniowych odpowiadają układ współczulny oraz obecne we krwi katecholaminy.

W późniejszych etapach zachodzą procesy termogenezy bezdrżeniowej związane z pobudzaniem aktywności metabolicznej ustroju. Ważną funkcję pełni w nich tzw. efekt kalorygenny hormonów tarczycy (trijodotyroniny i tyroksyny; T_3 i T_4), polegający głównie na zwielokrotnieniu aktywności Na+-K+-ATPazy w komórkach organizmu. Wzrost stężenia hormonów tarczycy jest możliwy dzięki stymulacji osi podwzgórzowo-przysadkowo-tarczycowej przez ośrodek zachowania ciepła, w której pierwotny wzrost stężenia tyreoliberyny (TRH) pobudza wydzielanie tyreotropiny (TSH), co zwiększa uwalnianie T_3 i T_4 z pęcherzyków tarczycowych.

Ostatnim mechanizmem termogenezy bezdrżeniowej jest produkcja ciepła na skutek rozprzęgania oddychania komórkowego w mitochondriach. Proces ten zachodzi wyłącznie w komórkach brązowej tkanki tłuszczowej – w „klasycznych” brązowych lub beżowych adipocytach. Do jego przebiegu niezbędna jest obecność białka UCP1 (termogeniny), które dzięki właściwościom kanału protonowego umożliwia dyssypację energii gradientu elektrochemicznego w postaci ciepła.

Co istotne, podczas ekspozycji na zimno nie tylko wzmaga się bieżąca produkcja ciepła w brązowej tkance tłuszczowej, lecz także są zapoczątkowywane mechanizmy prowadzące do brązowienia adipocytów. W wyniku brązowienia komórki białej tkanki tłuszczowej ulegają tzw. transdyferencjacji do beżowych adipocytów, mających cechy pośrednie białych i „klasycznych” brązowych komórek tłuszczowych. Tym samym dochodzi do ekspansji depozytów brązowej tkanki tłuszczowej, co zapewnia większe możliwości adaptacyjne podczas kolejnych ekspozycji na chłód.

Nie mniej ważnym od opisanych powyżej mechanizmów efektorowych termoregulacji jest wpływ podwzgórza na inne obszary ośrodkowego układu nerwowego podczas ekspozycji na chłód. Ze względu na znaczące zapotrzebowanie procesów termogenezy na energię kluczowe wydaje się pobudzanie ośrodka głodu (podwzgórze boczne), a hamowanie ośrodka sytości (podwzgórze środkowe), co powoduje zwiększone przyjmowanie pokarmu. Ponadto podczas narażenia na zimno maleje ilość wydzielanego potu, co jest jedną z przyczyn hamowania ośrodka pragnienia w podwzgórzu środkowym. Należy również podkreślić rolę kory czołowej w inicjowaniu świadomych zachowań w celu ograniczania utraty ciepła (np. założenie kolejnej warstwy odzieży, przejście do ogrzanego pomieszczenia) lub nasilania jego produkcji (ruchy dowolne, np. podskakiwanie, przebieranie nogami).

2.8.4. REAKCJA NA GORĄCO

Podobnie jak w przypadku ekspozycji na zimno, narażenie ciała człowieka na podwyższoną temperaturę otoczenia prowadzi do uruchomienia odpowiednich mechanizmów obronnych (ryc. 2.4). Ich zadaniem jest zwiększenie eliminacji ciepła, w czym najogólniej pośredniczą zjawiska przeciwne do tych, które ulegają aktywacji w razie spadku temperatury głębokiej.

Jednym z głównych mechanizmów efektorowych jest rozszerzenie naczyń skórnych, będące wynikiem zmniejszenia impulsacji adrenergicznej oraz pośrednio wzrostu napięcia układu cholinergicznego. Stymulacja układu cholinergicznego oddziałuje prawdopodobnie na śródbłonek naczyń krwionośnych i prowadzi do nasilenia wydzielania substancji o działaniu wazodylatacyjnym, takich jak bradykinina, tlenek azotu (NO) czy wazoaktywny peptyd jelitowy (VIP). W rozszerzaniu naczyń bierze również udział odruchowy rozkurcz mięśni gładkich ściany naczyniowej pod wpływem bezpośredniego fizycznego działania wysokiej temperatury.

W rezultacie opisanych mechanizmów dochodzi do zwiększenia przepływu krwi przez skórę oraz jego zmniejszenia w naczyniach trzewnych czy nerkowych. Tym samym zmniejsza się powrót żylny, co prowadzi do kompensacyjnej tachykardii w celu utrzymania rzutu serca. Spada również wartość ciśnienia tętniczego jako następstwo obniżonego całkowitego oporu obwodowego.

Ponadto indukowany wysoką temperaturą wzrost napięcia układu cholinergicznego wzmaga procesy wydzielnicze w gruczołach potowych. Powstają wtedy większe objętości słabo za-gęszczonego potu, co potęguje eliminację ciepła w mechanizmie parowania, lecz nieuchronnie prowadzi do utraty znacznych ilości wody i elektrolitów. Co istotne, częściowy udział w pobudzaniu produkcji potu ma również zwiększona śródbłonkowa synteza tlenku azotu. Dodatkowo gruczoły potowe są wrażliwe na katecholaminy, które odgrywają istotną rolę w nasilaniu pocenia się podczas wysiłku fizycznego.

Na poziomie ośrodkowego układu nerwowego aktywacja ośrodka eliminacji ciepła stymuluje ośrodki pragnienia oraz sytości, natomiast hamuje ośrodek głodu. Zapobiega to odwodnieniu na skutek zwiększonej utraty wody wraz z potem, a także zmniejsza procesy metaboliczne związane z trawieniem pożywienia, minimalizując ilość energii cieplnej wyzwalanej w wyniku tzw. nieswoiście dynamicznego działania pokarmu. Ponadto ekspozycja na gorąco hamuje twór siatkowaty utrzymujący organizm w stanie czuwania, co objawia się sennością i może prowadzić do hamowania produkcji ciepła przez spowolnienie procesów metabolicznych podczas snu. Całość reakcji ośrodkowego układu nerwowego na podwyższoną temperaturę głęboką ciała uzupełniają mechanizmy behawioralne warunkujące świadomą utratę ciepła przez np. rozbieranie się, poszukiwanie zacienionych miejsc, wachlowanie się czy spożywanie zimnych napojów lub pokarmów.

Rycina 2.4. Mechanizmy termoregulacyjne odpowiedzi na gorąco (opis w tekście)
Strzałki ciągłe o ostrym grocie obrazują pobudzanie danych struktur; strzałki wykropkowane o zakończeniu w kształcie rombu wskazują na ich hamowanie NO – tlenek azotu; VIP – wazoaktywny peptyd jelitowy

2.8.5. GORĄCZKA

Wzrost temperatury głębokiej ciała może zostać wywołany w dwóch mechanizmach: na skutek niewydolności mechanizmów eliminacji ciepła przy prawidłowo ustalonym wzorcu temperatury (hipertermia niegorączkowa) lub w wyniku podwyższenia wartości set pointa temperaturowego przy niezaburzonych procesach termoregulacyjnych (hipertermia gorączkowa).

Mianem gorączki określa się temperaturę głęboką ciała przekraczającą 38°C. Temperatura głęboka mieszcząca się w przedziale 37–38°C to tzw. stan podgorączkowy, natomiast będące bezpośrednim zagrożeniem życia wartości powyżej 41°C nazywa się hiperpireksją.

W mechanizmie powstawania gorączki kluczową rolę odgrywają pirogeny (ryc. 2.5). Pirogeny pierwotne to substancje egzo- lub endogenne, które na skutek szeregu oddziaływań pośrednio wpływają na ośrodek kontroli temperatury w podwzgórzu i prowadzą do powstania gorączki. Z kolei pirogeny wtórne to cytokiny o bezpośrednim działaniu na neurony podwzgórzowe, które najczęściej są wzbudzane przez pirogeny pierwotne dzięki reakcjom układu immunologicznego.

Do najbardziej znanych pirogenów pierwotnych zalicza się toksyny bakteryjne, zwłaszcza lipopolisacharyd bakterii Gram-ujemnych, białka drobnoustrojów lub produkty ich rozpadu, a także substancje białkowe powstające podczas martwicy tkanek. Pojawienie się pirogenów pierwotnych w tkankach lub krwiobiegu zapoczątkowuje reakcje obronne układu immunologicznego (fagocytoza, aktywacja układu dopełniacza). W efekcie komórki immunokompetentne, takie jak makrofagi, granulocyty czy limfocyty NKT (natural killer T-cells), wydzielają cytokiny (pirogeny wtórne), spośród których największe znaczenie w mechanizmie prowadzącym do wystąpienia gorączki mają interleukina 1 (IL-1), interleukina 6 (IL-6), czynnik martwicy nowotworów α (TNF-α) oraz interferony.

Pirogeny wtórne obecne w układzie krążenia podążają wraz z biegiem krwi do naczyń mózgowia położonych w sąsiedztwie ośrodka termoregulacji. Tam przenikają przez barierę krew–mózg prawdopodobnie na skutek jej miejscowo zwiększonej przepuszczalności i stymulują neurony do produkcji prostaglandyny E_2. W rezultacie dochodzi do wzrostu stosunku jonów Na+/Ca2+, co skutkuje podwyższeniem wartości wzorca temperaturowego. Tym samym organizm zaczyna interpretować bieżącą temperaturę głęboką jako zbyt niską w odniesieniu do nowego set pointa i są inicjowane reakcje prowadzące do zmniejszenia utraty oraz pobudzenia produkcji ciepła, dokładnie tak, jak w przypadku ekspozycji na zimno. Dlatego też narastaniu gorączki towarzyszą uczucie zimna i dreszcze. W związku z tym, że mechanizmy termoregulacyjne nie są zaburzane przez pirogeny, zwiększa się ilość ciepła zgromadzonego w organizmie, a co za tym idzie – wzrasta temperatura głęboka ciała, prowadząc do wystąpienia gorączki.

W przebiegu gorączki wyróżnia się okresy wzrostu, utrwalenia i spadku temperatury. W zależności od czasowych fluktuacji tych okresów opisuje się różne tory gorączkowe, np. gorączkę ciągłą, przerywaną, powrotną, septyczną. Prawidłowe określenie toru gorączkowego może mieć znaczenie kliniczne w postawieniu odpowiedniego rozpoznania lub podczas przeprowadzania badań diagnostycznych, np. pobierania materiału na posiew krwi.

Należy pamiętać, że każdy wzrost temperatury głębokiej o 1°C od wartości normalnej zwiększa tzw. nieuchwytne straty wody o ok. 12% (2 ml/kg mc.). Stąd też kluczowe jest zapewnienie odpowiedniego nawodnienia pacjentom gorączkującym, szczególnie dzieciom i osobom starszym, które fizjologicznie są bardziej narażone na odwodnienie.

Warto wiedzieć, że u 2–5% dzieci od 6. miesiąca do 5. roku życia podczas gorączki pojawiają się tzw. drgawki gorączkowe. W przeciwieństwie do dreszczy nie jest to jednak zjawisko fizjologiczne prowadzące do wzrostu temperatury ciała na drodze termogenezy drżeniowej, lecz objaw niedojrzałości ośrodkowego układu nerwowego i jego wzmożonej wrażliwości na skoki temperatury, który swoim charakterem przypomina napad padaczkowy. Pojawienie się drgawek gorączkowych u dzieci zwiększa ryzyko wystąpienia padaczki w przyszłości, w przypadku napadów gorączkowych złożonych nawet siedmiokrotnie (z ryzyka populacyjnego wynoszącego ok. 1% do 7%).

Rycina 2.5. Mechanizm powstawania gorączki (opis w tekście) IFNs – interferony; IL-1 – interleukina 1; IL-6 – interleukina 6; LPS – lipopolisacharyd; PGE_2 – prostaglandyna E_2; TNF-α – czynnik martwicy nowotworów α

2.9. PODSUMOWANIE

■ Homeostaza to niezbędny dla zachowania zdrowia stan dynamicznej równowagi organizmu, który wyraża się utrzymywaniem izotonii, izowolemii, izojonii, izohydrii oraz izotermii.

■ Procesy biorące udział w utrzymaniu homeostazy działają najczęściej na zasadzie ujemnych sprzężeń zwrotnych.

■ Na poziomie komórkowym zachowanie homeostazy jest możliwe dzięki sprawnej sygnalizacji międzykomórkowej z wykorzystaniem receptorów i/lub kanałów jonowych oraz stałemu transportowi substancji przez błony biologiczne.

■ Najogólniej wyróżnia się transport bierny (dyfuzja, dyfuzja ułatwiona, osmoza, transport masywny) i aktywny (pierwotny lub wtórny; uniport, symport, antyport).

■ Średnio ok. 60% masy ciała człowieka stanowi woda, która jest zdeponowana w przestrzeniach płynowych zewnątrz- lub wewnątrzkomórkowych (ECF lub ICF).

■ Podstawowymi składnikami ECF są jony Na+ i Cl−, natomiast w ICF najwięcej jest jonów K+ i anionów białczanowych.

■ Kluczową rolę w utrzymaniu izotonii, izojonii oraz izowolemii odgrywają: ośrodek pragnienia, wazopresyna, układ RAA i autonomiczny układ nerwowy.

■ Izohydria zależy od aktywności mechanizmów buforowych krwi oraz czynności płuc i nerek.

■ Ciepło jest produktem ubocznym procesów metabolicznych; za jego produkcję w spoczynku odpowiadają przede wszystkim narządy trzewne.

■ Wytwarzanie ciepła jest równoważone jego utratą na drodze promieniowania, parowania, konwekcji i przewodzenia, aby utrzymać temperaturę głęboką w przedziale 36,6–37,0°C.

■ Głównym integratorem procesów termoregulacji jest podwzgórze. Ustala ono aktualny wzorzec temperatury, wykorzystując stosunek stężeń jonów sodowych i wapniowych.

■ Podwzgórze zawiaduje reakcjami organizmu na zmiany temperatury głębokiej, inicjując odpowiedź efektorów termoregulacji fizycznej (naczynia krwionośne, gruczoły potowe) lub chemicznej (mięśnie szkieletowe, tkanka tłuszczowa, wątroba, nerki).

■ W reakcji ustroju na chłód dochodzi do zwężenia naczyń skórnych, wzrostu napięcia mięśniowego i termogenezy drżeniowej oraz termogenezy bezdrżeniowej przy udziale hormonów tarczycy i aktywacji brązowej tkanki tłuszczowej.

■ Odpowiedzią na ciepło jest z kolei rozszerzenie naczyń skórnych i wzrost wydzielania potu.

■ Podczas ekspozycji na ciepło lub zimno oprócz reakcji odruchowych inicjowane są również odpowiednie reakcje behawioralne.

■ Gorączka to wzrost temperatury głębokiej ciała powyżej 38°C, który jest spowodowany procesem zapalnym o istotnym nasileniu, np. infekcją lub martwicą tkanek.

■ W mechanizmie powstawania gorączki kluczową rolę odgrywają pirogeny pierwotne, które pobudzają układ immunologiczny do produkcji pirogenów wtórnych. Te z kolei przenikają przez barierę krew–mózg i stymulują ośrodek kontroli temperatury do syntezy prostaglandyn, co skutkuje przestawieniem set pointa do wyższych wartości i prowadzi do aktywacji mechanizmów produkcji oraz zachowania ciepła.

3

Fizjologia układu dokrewnego
Hanna Krauss, Jacek Koźlik, Zuzanna Chęcińska-Maciejewska

3.1. OGÓLNE ZASADY ORGANIZACJI UKŁADU HORMONALNEGO

Układ hormonalny, obok układu nerwowego i immunologicznego, jest odpowiedzialny za utrzymanie dynamicznej równowagi wszystkich procesów zachodzących w organizmie żywym, mimo zmieniających się warunków środowiska. Wiadomo, że utrzymanie takiej równowagi zależy od zasobów energetycznych organizmu, czasu i siły działania określonego czynnika (np. gorąco, zimno). Układy regulacyjne nakierowują wszystkie procesy wewnętrzne na ochronę narządów ważnych życiowo, umożliwiając w ten sposób dostosowanie czynności wszystkich komórek i tkanek do zmieniających się warunków środowiskowych.

Integracja czynności różnych tkanek i narządów oraz utrzymanie stałości środowiska wewnętrznego organizmu człowieka dokonuje się więc dzięki współdziałaniu układów nerwowego i hormonalnego – oba te układy sterują funkcjami organizmu, wzajemnie się uzupełniając.

Do przenoszenia informacji są wykorzystywane substancje chemiczne lub hormony, odgrywające w układzie nerwowym rolę transmitera synaptycznego (neuroprzekaźnika), a w przypadku układu hormonalnego – rolę podstawowego nośnika informacji. Hormony, w odróżnieniu od impulsów nerwowych, wymagają dłuższego czasu do osiągnięcia pożądanego efektu działania, ale jednocześnie działanie to utrzymuje się zdecydowanie dłużej.

3.1.1. DEFINICJA HORMONU

Hormony, w najszerszym tego słowa znaczeniu, są chemicznymi nośnikami informacji krążącej między komórkami organizmu wielokomórkowego.

Hormony:

• są wydzielane przez komórki gruczołowe do otaczającego środowiska;

• transportowane do komórek docelowych, reagują z nimi za pośrednictwem swoistych receptorów;

• działając na komórki docelowe, wywołują reakcje fizjologiczne, morfologiczne i biochemiczne;

• nie ulegają przy tym zużyciu ani jako źródło energii, ani jako produkt metabolizmu;

• zazwyczaj ich działanie nie ogranicza się do jednej tkanki;

• współdziałają ze sobą;

• uczestniczą w utrzymaniu homeostazy.

Większość hormonów krąży w postaci związanej z białkami. To chroni hormony przed zbyt szybkim metabolizmem i wydalaniem.

Dynamika syntezy białek transportowych jest jednym z głównych regulatorów aktywności hormonalnej.

Ze względu na budowę chemiczną cząsteczki wyróżnia się hormony:

• będące pochodnymi tyrozyny (katecholaminy, hormony tarczycy), nazywane też hormonami aminokwasowymi;

• peptydowe (peptydy – gonadoliberyna, białka – insulina, glukagon);

• steroidowe (pochodne cholesterolu, np. estrogeny).

3.1.2. MOLEKULARNE MECHANIZMY DZIAŁANIA HORMONÓW

Komórki reagujące na dany hormon określa się mianem komórek docelowych lub wrażliwych. Wrażliwość jest uwarunkowana obecnością na powierzchni lub we wnętrzu tych komórek wyspecjalizowanych białek zwanych receptorami, które wychwytują i wiążą swoisty hormon.

Receptory dla hormonów dzieli się na:

• zakotwiczone w błonie komórkowej,

• cytoplazmatyczne,

• jądrowe.

Powstający aktywny kompleks hormon–receptor inicjuje szereg wewnątrzkomórkowych reakcji, prowadzących do zmiany metabolizmu komórki.

Łańcuch zainicjowanych reakcji ma następujące cechy:

• odpowiedź komórek docelowych wpływa na wydzielanie hormonów do krwiobiegu;

• komórki docelowe są zdolne do rozpoznania hormonu;

• w komórkach istnieją odpowiednie, wewnątrzkomórkowe sposoby transmisji informacji zakodowanej w cząsteczce hormonu;

• odpowiedź komórek nie podlega prawu „wszystko albo nic” i jest odpowiedzią stopniowaną.

3.1.3. KONTROLA WYDZIELANIA DOKREWNEGO

Czynność gruczołów endokrynnych podlega regulacji przez mechanizmy, które można podzielić na:

• nerwowe,

• metaboliczne,

• hormonalne.

REGULACJA NERWOWA

Związana jest z wpływem układu wegetatywnego na czynność gruczołów endokrynnych. Dotyczyć może uwalniania hormonów, np. katecholamin, insuliny, z odpowiednich gruczołów wydzielania dokrewnego, pod wpływem pobudzenia odpowiednich struktur układu nerwowego. Mechanizmy nerwowe odpowiedzialne są także za wytwarzanie i uwalnianie hormonów z zakończeń neuronów, np. wazopresyny lub oksytocyny.

REGULACJA METABOLICZNA

Dotyczy bezpośredniego wpływu substratów lub produktów metabolicznych na wydzielanie dokrewne. Przykładem może być wpływ glukozy na uwalnianie insuliny, bądź wpływ jonów wapnia na uwalnianie parathormonu.

REGULACJA HORMONALNA

Zasadniczym mechanizmem regulacji hormonalnej jest układ samoregulujący, oparty na układzie sprzężeń zwrotnych (ryc. 3.1).

Rycina 3.1. Schemat sprzężeń zwrotnych

Najbardziej rozpowszechnione jest ujemne sprzężenie zwrotne, oparte na założeniu, że sygnał powoduje odpowiedź, a ta z kolei zmniejsza wielkość sygnału. Ten rodzaj regulacji jest spotykany w układzie liberyny–hormony tropowe przysadki.

Dodatnie sprzężenie zwrotne zachodzi wtedy, gdy generator sygnału jest stymulowany przez odpowiedź, którą wywołuje. Przykładem może być regulacja wydzielania oksytocyny w czasie porodu bądź okołoowulacyjny wyrzut luteotropiny pod wpływem zwiększającego się poziomu estrogenów.

Sprzężenia zwrotne oparte są na pętlach:

• długiej – interakcja między hormonami gruczołów obwodowych a przysadką lub podwzgórzem,

• krótkiej – przysadka–podwzgórze,

• ultrakrótkiej – zwrotny wpływ hormonu na swoją syntezę.

Innym przykładem kontroli hormonalnej jest kontrola przez inhibicję. W przypadku hormonów (np. prolaktyna, hormon wzrostu) niewytwarzających swoistych substancji obecnych we krwi konieczne było wykształcenie specjalnych czynników hamujących ich wydzielanie, tzw. inhibin (statyn). Dopiero zahamowanie uwalniania statyn pod wpływem innych czynników, np. nerwowych, prowadzi do wzrostu uwalniania hormonów.

Hormony mogą być wydzielane w organizmie w następujący sposób (ryc. 3.2):

• autokrynnie – na potrzeby komórki uwalniającej hormon;

• parakrynnie – na potrzeby komórek sąsiednich;

• neurokrynnie – uwalniany przez zakończenie nerwowe neuroregulator jest jednocześnie hormonem, który działa na receptory błony postsynaptycznej;

• neuroendokrynnie – uwalniany z zakończenia nerwowego neuroregulator to jednocześnie hormon i jest uwalniany do krwi;

Rycina 3.2. Sposoby wydzielania hormonów w organizmie człowieka

• endokrynnie – wydzielanie hormonów przez gruczoły wewnętrznego wydzielania do krwi.

Do gruczołów dokrewnych zalicza się:

• podwzgórze,

• przysadkę mózgową,

• przytarczyce,

• gruczoł tarczowy,

• grasicę,

• nadnercza,

• wyspy trzustkowe,

• gruczoły płciowe.

Funkcje hormonów przedstawiono na rycinie 3.3.

Rycina 3.3. Funkcje hormonów

3.2. FIZJOLOGIA PODWZGÓRZA

Centrum koordynującym funkcję układu neurohormonalnego jest podwzgórze. W obrębie podwzgórza są syntetyzowane trzy grupy hormonów. Pierwsze dwie to grupa hormonów hipofizotropowych, regulujących funkcję przysadki. Trzecia to neurohormony produkowane w podwzgórzu i magazynowane w tylnym płacie przysadki.

Do hormonów hipofizotropowych należą:

• liberyny – czynniki stymulujące uwalnianie hormonów przysadkowych:

– tyreoliberyna (TRH, thyrotropin-releasing hormone) – pobudza syntezę i uwalnianie TSH, a także rozrost komórek tyreotropowych przysadki, stymuluje w sposób niespecyficzny uwalnianie prolaktyny, działa antydepresyjnie,

– gonadoliberyna (GnRH, gonadotropin-releasing hormone) – hormon uwalniający gonadotropiny, o większym jednak powinowactwie do LH,

– melanoliberyna (MRH, melanotropin releasing hormone),

– somatoliberyna (GHRH, growth hormone-releasing hormone),

– kortykoliberyna (CRH, corticotropin-releasing hormone);

• statyny – czynniki hamujące uwalnianie hormonów tropowych przysadkowych:

– somatostatyna (SMS) – oprócz hamowania GH hamuje również uwalnianie prolaktyny, jest rozpowszechniona także poza podwzgórzem, np. w trzustce, przewodzie pokarmowym, komórkach C tarczycy,

– prolaktostatyna (PRIH, prolactin inhibiting hormone) – funkcję tę wypełnia dopamina,

– melanostatyna (MIH, melanotropin release inhibiting hormone).

Do neurohormonów produkowanych w podwzgórzu i magazynowanych w tylnym płacie przysadki należą:

• wazopresyna argininowa (wazopresyna; AVP, arginine vasopressin), zwana też hormonem antydiuretycznym (ADH, antidiuretic hormone),

• oksytocyna.

Zarówno liberyny, jak i statyny występują w bardzo małych ilościach, a fakt, że mogą sprawnie regulować funkcję przysadki mózgowej, jest związany z istnieniem krążenia wrotnego łączącego obie struktury – podwzgórze i przysadkę.

Molekularny mechanizm działania hormonów podwzgórzowych wymaga aktywacji przemian fosfatydyloinozytolu oraz układu cyklazy adenylowej.

Wazopresyna argininowa i oksytocyna powstają w neuronach jądra nadwzrokowego i przykomorowego podwzgórza, są transportowane transportem aksonalnym (podobnie jak neurotransmitery w układzie nerwowym) do tylnego płata przysadki, tam magazynowane i stamtąd uwalniane do krwi.

3.3. FIZJOLOGIA PRZYSADKI

Przysadka mózgowa, aż do czasu udowodnienia nadrzędnej roli podwzgórza, była uważana za strukturę kierującą czynnościami układu hormonalnego. Ten niewielki, filogenetycznie stary narząd, podejmuje funkcję hormonalną od 9. tygodnia życia płodowego, rozpoczynając syntezę hormonu wzrostu.

Morfologicznie w przysadce wyróżnia się:

• płat przedni,

• część pośrednią,

• płat tylny.

3.3.1. HORMONY PŁATA PRZEDNIEGO

Płat przedni przysadki mózgowej jest miejscem syntezy i uwalniania następujących hormonów tropowych:

• tyreotropiny (TSH, thyroid-stimulating hormone),

• somatotropiny (GH, growth hormone),

• kortykotropiny (ACTH, adrenocorticotropic hormone),

• lutropiny (LH, luteinizing hormone),

• folitropiny (FSH, follicle-stimulating hormone),

• prolaktyny (PRL, prolactin).

TYREOTROPINA (TSH)

Jest glikoproteiną wydzielaną przez komórki tyreotropowe, wykazującą różnice gatunkowe. Składa się z dwóch podjednostek – α i β. Podjednostka α jest podobna do podjednostek występujących w LH i FSH, natomiast podjednostka β jest swoista gatunkowo.

Działanie TSH

Tyreotropina jest fizjologicznym regulatorem czynności gruczołu tarczowego. Pod jej wpływem w obrębie tarczycy obserwuje się:

• zmiany morfologiczne gruczołu tarczowego, polegające na powiększeniu komórek i nasileniu unaczynienia; w przypadku gdy dochodzi do zwiększonej produkcji TSH, np. niedoczynności tarczycy, obserwuje się przerost gruczołu tarczowego, który nazywa się wolem;

• zwiększenie wchłaniania jodu;

• nasilenie syntezy białek, m.in. tyreoglobuliny;

• nasilenie jodowania tyreoglobuliny.

Rezultatem działania TSH jest zwiększenie syntezy hormonów tarczycy oraz nasilenie ich uwal-niania.

Regulacja wydzielania TSH

Regulacja wydzielania TSH (ryc. 3.4) jest związana z:

• ujemnym sprzężeniem zwrotnym z tyroksyną i trijodotyroniną;

• tonicznym uwalnianiem tyreoliberyny; mechanizm hamowania jej uwalniania może być związany z redukcją receptorów dla TRH w obrębie przysadki;

• wpływem somatostatyny, hamującej uwalnianie TSH.

KORTYKOTROPINA (ACTH)

Rycina 3.4. Regulacja wydzielania hormonów tarczycy T_3 – trijodotyronina; T_4 – tyroksyna; TRH – tyreoliberyna; TSH – tyreotropina

Działanie ACTH

Kortykotropina powoduje:

• zwiększenie przepływu krwi w nadnerczach,

• wzrost komórek kory nadnerczy,

• nasilenie syntezy białek,

• nasilenie przemiany cholesterolu.

Ponadto działa ochronnie na krążący we krwi kortyzol.

Regulacja wydzielania ACTH

Wydzielanie ACTH pozostaje pod kontrolą kortykoliberyny, związanej sprzężeniem zwrotnym ujemnym z kortyzolem (ryc. 3.5).

Do innych czynników pobudzających uwalnianie ACTH należą: ból, urazy, strach, intensywne wysiłki, zimno, hipoglikemia. Obserwuje się wahania dobowe poziomu ACTH, co związane jest z rytmem okołodobowym. Szczyt wydzielania ACTH występuje w godzinach rannych.

SOMATOTROPINA (GH)

Rycina 3.5. Regulacja wydzielania glukokortykosteroidów ACTH – adrenokortykotropina; CRH – kortykoliberyna; OUN – ośrodkowy układ nerwowy

Ludzki hormon wzrostu jest białkiem o pojedynczym łańcuchu, złożonym ze 191 aminokwasów.

Działanie GH

Somatotropina jest związkiem o bardzo szerokim zakresie działania. Przede wszystkim stymuluje procesy wzrostu. Działanie biologiczne GH można opisać jako działanie bezpośrednie lub pośrednie, czyli mediowane przez somatomedyny, zwane również insulinopodobnymi czynnikami wzrostu – IGF (insulin-like growth factor).

Działanie bezpośrednie dotyczy:

• gospodarki węglowodanowej – hamowanie transportu glukozy, wzrost poziomu glukozy we krwi, co jest związane ze zmniejszeniem komórkowej utylizacji monocukrów i nasileniem glukoneogenezy;

• gospodarki lipidowej – nasilenie lipolizy;

• gospodarki białkowej – wzrost transportu przezbłonowego aminokwasów, nasilenie syntezy białek;

• nasilania procesów różnicowania fibroblastów;

• zwiększania produkcji IGF (insulinopodobnego czynnika wzrostu).

Działanie pośrednie dotyczy:

• stymulacji wzrostu organizmu i wpływów endokrynnych przez pobudzanie wytwarzania przez wątrobę insulinopodobnych czynników wzrostu IGF, zwanych somatomedynami.

Regulacja wydzielania GH

Wydzielanie GH pozostaje pod kontrolą pochodzących z podwzgórza somatoliberyny i somatostatyny (ryc. 3.6). Z kolei czynnikami stymulującymi uwalnianie GHRH mogą być stres, wysiłek fizyczny oraz sen.

Rycina 3.6. Kontrola wydzielania hormonu wzrostu GH – somatotropina; GHRH – somatoliberyna; IGF – insulinopodobny czynnik wzrostu

Pozostałe czynniki wpływające na uwalnianie GH można podzielić na:

• metaboliczne – spadek stężenia glukozy i wolnych kwasów tłuszczowych we krwi oraz wzrost stężenia aminokwasów stymulują, podczas gdy wzrost stężenia glukozy i wolnych kwasów tłuszczowych we krwi hamują wydzielanie GH; innymi słowy głodzenie znacznie pobudza wydzielanie GH;

• hormonalne – estrogeny i hormony tarczycy stymulują, a glukokortykosteroidy hamują uwalnianie GH; bardzo silnym stymulatorem wydzielania GH jest grelina – hormon produkowany w znacznych ilościach przez przewód pokarmowy w przypadku głodu;

• inne – regularny wysiłek fizyczny o dużym natężeniu oraz prawidłowy rytm snu sprzyjają uwalnianiu GH; hormon ten jest uwalniany przede wszystkim w fazie snu wolnofalowego (NREM 4).

Hormon wzrostu do swojego działania potrzebuje swoistych pośredników, którymi są somatomedyny:

• insulinopodobny czynnik wzrostu 1 – IGF-1 (wydzielanie pobudzane przez GH, wyraźnie pobudza wzrost),

• insulinopodobny czynnik wzrostu 2 – IGF-2 (mniejsze oddziaływanie GH na IGF-2, wpływa na rozwój płodu, obecny też w mózgowiu).

Sekrecja hormonu wzrostu pozostaje pod kontrolą neurohormonów podwzgórzowych – somatoliberyny oraz somatostatyny, zależy również od zwrotnego działania hamującego ze strony IGF-1. GH krąży we krwi w kompleksach z białkiem wiążącym, które stanowi odczepiony proteolitycznie pozakomórkowy fragment wątrobowego receptora dla hormonu wzrostu.

Hormon wzrostu jest odpowiedzialny za efekty anaboliczne, które w znacznym stopniu są pośrednio wywoływane przez IGF-1, np.:

• przyspiesza transkrypcję oraz translację mRNA;

• powoduje wzrost liczby jąder w komórkach mięśniowych;

• nasila wychwyt aminokwasów;

• hamuje proteolizę, a także powoduje wzrost objętości i masy włókien mięśniowych (z tego powodu GH jest wykorzystywany jako nielegalny doping w sporcie);

• oddziałuje na komórki krwi, stymulując układ immunologiczny, powodując zwiększenie produkcji limfocytów T, przeciwciał, leukocytów, interleukiny 2 oraz aktywację NK;

• działa również przyspieszająco na dojrzewanie w tkankach makrofagów;

• znacznie zwiększa migrację limfocytów T do grasicy oraz pobudza erytropoezę, zarówno in vitro, jak i in vivo;

• dodatkowo, u osób młodych, działa modulująco na ośrodkowy układ nerwowy, wpływając na funkcje poznawcze, samopoczucie oraz sen.

Somatotropina odgrywa bardzo ważną rolę w procesie wzrastania kości i ich mineralizacji. U dzieci powoduje przekształcanie komórek prekursorowych płytki wzrostowej nasady w chondrocyty i pobudza rozmnażanie się zróżnicowanych chondrocytów, prowadząc do wzrostu długości kości. U dorosłych na skutek działania tego hormonu następuje stymulacja tworzenia i resorpcji kości.

Hormon wzrostu:

• zwiększa dostępność wapnia i fosforu,

• zwiększa absorpcję składników mineralnych,

• powoduje wzrost wytwarzania 1,25 OH D_3 i wzrost wrażliwości nabłonka jelitowego na jej działanie,

• GH i IGF-1 bezpośrednio pobudzają osteoblasty (GH – pobudza proliferację i różnicowanie, IGF-1 zwiększa wytwarzanie osteokalcyny).

Reasumując, hormon wzrostu powoduje wzrost kości na długość i uczestniczy w ich prawidłowej mineralizacji, zwiększa masę narządów, zmniejsza ilość tkanki tłuszczowej i zwiększa masę mięśni. GH spowalnia procesy starzenia, a jego ilość maleje z wiekiem. Obniżenie stężenia GH wskutek starzenia się organizmu jest nazywane somatopauzą. Stan ten przyczynia się do przyspieszenia procesów starzenia. Aby temu zapobiec, należy dbać o regularną aktywność fizyczną, prawidłowy sen oraz unikać spożywania dużych ilości posiłków obfitych w tłuszcze i węglowodany.

Niedobór lub nadmiar GH

Zaburzenia w wydzielaniu hormonu wzrostu prowadzą do:

• karłowatości – w przypadku niedoczynności komórek somatotropowych przysadki i/lub niedoboru bądź braku IGF-1;

• gigantyzmu – w przypadku nadmiernego wydzielania hormonu wzrostu lub nadmiernego wydzielania somatoliberyny – u osób młodych, u których nie doszło do zarośnięcia nasad kości długich;

• akromegalii – w przypadku nadmiernego wydzielania hormonu wzrostu – u osób dorosłych, po zarośnięciu nasad kości długich.