Ομοιόσταση

Εισαγωγή

Η ομοιόσταση (ετυμολ. όμοιο + στάσις) είναι η ικανότητα ενός οργανισμού να διατηρεί σχετικά σταθερές τις συνθήκες στο εσωτερικό του ανεξάρτητα από τις συνθήκες του εξωτερικού περιβάλλοντος στο οποίο ζει. Η ικανότητα αυτή επιτυγχάνεται με τους ομοιοστατικούς μηχανισμούς, όπου με συντονισμό της λειτουργίας διάφορων οργάνων,  ρυθμίζεται η θερμοκρασία του σώματος, η οξύτητα (pH) του αίματος, η συγκέντρωση της γλυκόζης και των αλάτων του αίματος κ.ά.

Γλυκόζη

Η γλυκόζη αποτελεί βασική πηγή ενέργειας για τον οργανισμό και συνεπώς αναρίθμητοι ιστοί την χρειάζονται για να υποστηρίξουν τις ζωικές λειτουργίες. Καθοριστικό ρόλο διαδραματίζει το ήπαρ στη ρύθμιση της γλυκόζης αφού απορροφά και αποθηκεύει τη γλυκόζη ως γλυκογόνο μέσω της γλυκογένεσης. Επιπλέον, παράγει και απελευθερώνει τη γλυκόζη στην αιματική κυκλοφορία, είτε μέσω της γλυκογονόλυσης, που περιλαμβάνει την παραγωγή νέων μονάδων γλυκόζης από μη υδατανθρακικές πρόδρομες ενώσεις, όπως η γλυκερόλη, η λακτόζη, το πυροσταφυλικό οξύ και τα γλυκοπλαστικά αμινοξέα (π.χ. Αλαμίνη) που προέρχονται από διάφορους ιστούς.

Μηχανισμός ομοιόστασης γλυκόζης

Πιο συγκεκριμένα σε συνθήκες νηστείας, ο μεταβολισμός της γλυκόζης διατηρείται με μια λεπτή  ισορροπία μεταξύ της ενδογενούς παραγωγής γλυκόζης από το ήπαρ (80%) και των νεφρών (20%) και χρήση γλυκόζης από τους ιστούς του σώματος. Μετά την κατάποση ενός γεύματος, η αύξηση της γλυκόζης και της ινσουλίνης στο πλάσμα, μαζί με τους παράγοντες του εντέρου, συνδυάζονται για να καταστείλουν την ενδογενή παραγωγή γλυκόζης και διεγείρουν την πρόσληψη γλυκόζης στους λιπώδης ιστούς και μύες. Το ήπαρ (ηπατική παραγωγή γλυκόζης) είναι πιο ευαίσθητο στην ανασταλτική δράση της ινσουλίνης από ό,τι οι περιφερειακοί ιστοί (πρόσληψη γλυκόζης) στη διεγερτική δράση της ινσουλίνης. Ο μεταβολισμός της γλυκόζης εξαρτάται από τη συντεταγμένη ενεργοποίηση του συστήματος μεταγωγής σήματος ινσουλίνης, μεταφορά γλυκόζης/φωσφορυλίωση και οξείδωση από το σύμπλεγμα πυροσταφυλικής αφυδρογονάσης και της μιτοχονδριακής αλυσίδας. Η δράση της ινσουλίνης στον μεταβολισμό της γλυκόζης είναι άμεση (διέγερση μεταφοράς γλυκόζης, γλυκόλυσης και σύνθεσης γλυκογόνου) και έμμεση (αναστολή λιπόλυσης, οξείδωσης λιπιδίων και αποδόμησης πρωτεϊνών). Σε ινσουλινοευαίσθητους ιστούς, τα τρία κύρια υποστρώματα (γλυκόζη, FFAs, αμινοξέα) ανταγωνίζονται μεταξύ τους. Η γλυκαγόνη παίζει ρόλο στην τονωτική υποστήριξη της ηπατικής παραγωγής γλυκόζης και είναι επίσης ο κορυφαίος ρυθμιστικός μηχανισμός που ενεργοποιείται στην άμυνα κατά της υπογλυκαιμίας. Η ενίσχυση της έκκρισης ινσουλίνης κατά τη διάρκεια μιας στοματικής εξέτασης αποδίδεται στην απελευθέρωση των θρεπτικών συστατικών των ορμονών ινκρετίνης και των φυσιολογικών τους δράσεων, συμπεριλαμβανομένης της ενίσχυσης της έκκρισης ινσουλίνης που προκαλείται από γλυκόζη, καταστολή της απελευθέρωσης γλυκαγόνης, αναστολή γαστρικής εκκένωσης και ενίσχυση του κορεσμού.  Το GLP-1 (glucagonlike peptide-1) άμεσα και έμμεσα (αυξάνοντας την ινσουλίνη και αναστέλλοντας τη γλυκαγόνη) αυξάνει την ηπατική πρόσληψη γλυκόζης και αναστέλλει την παραγωγή ηπατικής γλυκόζης.

Μηχανισμός ομοιόστασης: ρύθμιση και διατήρηση της θερμοκρασίας του σώματος.

Η ομοιόσταση συχνά περιλαμβάνει διαδικασίες αρνητικής ανάδρασης (negative feedback). Αρνητική ανάδραση είναι η διαδικασία κατά την οποία η αλλαγή που προκαλείται οδηγεί τον οργανισμό να αντιδράσει με τέτοιο τρόπο, ώστε να αντιστρέψει την αλλαγή. Ένα από τα πιο χαρακτηριστικά παραδείγματα ομοιοστατικού μηχανισμού στον άνθρωπο είναι ο μηχανισμός αρνητικής ανάδρασης που διατηρεί τη θερμοκρασία του σώματος στους 36,6^oC. Πιο συγκεκριμένα στην περίπτωση που ένας άνθρωπος βρισκόταν σε περιβάλλον που επικρατεί θερμοκρασία άνω των 36,6 ^oC ,  θα ήταν αναμενόμενο να αυξηθεί και η δική του θερμοκρασία λόγω της συνεχόμενης θερμότητας που θα μεταφερόταν από το περιβάλλον στο σώμα του. Ωστόσο κάτι τέτοιο δεν επιτυγχάνεται καθώς οι θερμοϋποδοχείς του δέρματος ( τα νευρικά ειδικά σωμάτια δηλαδή που ανιχνεύουν μεταβολές στη θερμοκρασία του περιβάλλοντος) ανιχνεύουν την αλλαγή αυτή και τη μεταφέρουν στον εγκέφαλο. Ο εγκέφαλος στέλνει σήματα σε όλο το σώμα, που ενεργοποιούν τη συνολική αντίδραση του οργανισμού. Η κυκλοφορία του αίματος μεταβάλλεται και μεγαλύτερη ποσότητα αίματος ρέει από το θερμό εσωτερικό του σώματος προς τις εξωτερικές επιφάνειες. Έτσι, μεταβάλλεται η ποσότητα θερμότητας που ελευθερώνεται προς τα έξω. Την ίδια στιγμή, οι ιδρωτοποιοί αδένες αρχίζουν να εκκρίνουν μεγαλύτερη ποσότητα ιδρώτα και η εξάτμιση αυτού, κάνει την επιφάνεια του δέρματος να δροσίζεται. Συνεπώς, αφού η επιφάνεια του δέρματος ψύχεται, η θερμοκρασία του αίματος που περνάει από τα διασταλμένα αιμοφόρα αγγεία πέφτει εξίσου και κυκλοφορεί ξανά προς το εσωτερικό του οργανισμού μας. Η παραπάνω διαδικασία έχει ως αποτέλεσμα την αποφυγή αύξησης της θερμοκρασίας στο εσωτερικό του σώματός μας και επομένως τη διατήρησή της σε  συγκεκριμένα επίπεδα ( κοντά στους 36,6 ^oC)

Αντιστοίχως ο ρόλος των υποδοχέων είναι να προειδοποιούν τον εγκέφαλο σε συνθήκες επικράτησης χαμηλών θερμοκρασιών στο περιβάλλον εξίσου . Σε τέτοιες περιπτώσεις, ο εγκέφαλος εκτρέπει την ροή του αίματος από το δέρμα, μειώνοντας έτσι την απώλεια θερμότητας από την επιφάνεια του σώματος προς τα έξω. Επίσης παρατηρούνται αντανακλαστικές συσπάσεις στους λείους μύες του δέρματος και τα αιμοφόρα αγγεία συστέλλονται. Αυτό έχει ως απόρροια την ανόρθωση των τριχών- το λεγόμενο ανατρίχιασμα. Η ανόρθωση αυτή των τριχών λειτουργεί μονωτικά και έτσι συμβάλλει στην διατήρηση της θερμοκρασίας του οργανισμού .  Στο παρατεταμένο κρύο, ο εγκέφαλος στέλνει σήματα στους σκελετικούς μύες να συσπώνται 10-20 φορές το δευτερόλεπτο. Με το τρέμουλο αυτό (ρίγος), την ενεργοποίηση δηλαδή και την έντονη λειτουργία των μυών, παράγεται θερμότητα. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα το αίμα που φθάνει στα αιμοφόρα αγγεία του δέρματος να θερμαίνεται και επιστρέφοντας με την κυκλοφορία στο εσωτερικό του οργανισμού μας, να αποτρέπει τη μείωση της θερμοκρασίας του. 

pH αίματος

Ένας άλλος ομοιοστατικός μηχανισμός είναι η διατήρηση της οξεοβασικής ισορροπίας (pH) του αίματος. Τα φυσιολογικά στενά όρια της τιμής του pH είναι μεταξύ 7,35-7,45. Οι περιπτώσεις στις οποίες το pH του αίματος είναι εκτός των στενών αυτών ορίων (αλκαλαιμία για pH >7,45 και οξυαιμία για pH <7,35), αποτελούν σοβαρές κλινικές καταστάσεις, επικίνδυνες για την υγεία του ασθενούς και χρίζουν άμεσης ιατρικής περίθαλψης. Ορισμένες παθήσεις του ενδοκρινικού, γαστρεντερικού και ουροποιητικού συστήματος, οφείλονται σε διαταραχές της οξεοβασικής ισορροπίας στο αίμα.

Μηχανισμοί οξεοβασικής ισορροπίας

Το pH χαρακτηρίζεται ως ο αρνητικός λογάριθμος της συγκέντρωσης των ιόντων υδρογόνου [Η⁺], επομένως όταν η συγκέντρωση των Η⁺ αυξάνεται, το pH μειώνεται και το αντίστροφο. Η ρύθμιση της συγκέντρωσης των Η⁺ και κατ’ επέκταση του pH, γίνεται με τρεις μηχανισμούς. Μέσω των ρυθμιστικών διαλυμάτων (buffers), του αναπνευστικού συστήματος και της νεφρικής ρύθμισης. Οι μηχανισμοί αυτοί αλληλοεπιδρούν και συνδέονται μεταξύ τους μέσω της αμφίδρομης σχέσης: ${\ce {H+ + HCO^3- <=> H2CO3 <=> CO2 + H2O}}$

Ρυθμιστικό διάλυμα διττανθρακικών ιόντων (${\ce {HCO3^-}}$)

Το ρυθμιστικό σύστημα των διττανθρακικών ιόντων (${\ce {HCO3^-}}$) αποτελεί το σημαντικότερο ρυθμιστικό διάλυμα, το οποίο ρυθμίζει το λόγο ανθρακικού οξέος (${\ce {H2CO3}}$) προς διαττανθρακικό να ισούται με 1:20, ώστε το pH=7,4 (όπως περιγράφεται μέσω της εξίσωσης των Henderson–Hasselbalch). Είναι ένα σύστημα εξωκυττάριου χώρου με άμεση δράση.

Αναπνευστικό σύστημα

Το αναπνευστικό σύστημα ρυθμίζει τη συγκέντρωση ιόντων υδρογόνου με τη ρύθμιση αποβολής του διοξειδίου του άνθρακα από τους πνεύμονες. H διαδικασία αυτή γίνεται μέσα σε λίγα λεπτά ή λίγες ώρες.

Νεφρική ρύθμιση

Αναπνευστική ρύθμιση οξεοβασικής ισορροπίας αίματος

Κατά την νεφρική ρύθμιση γίνεται επαναρρόφησης διττανθρακικών (${\ce {HCO3^-}}$) και αποβολή ιόντων υδρογόνου. Για να επανέλθει η ισορροπία, η διαδικασία αυτή χρειάζεται από λίγες ώρες έως λίγες ημέρες.

Οξέωση

Κατά την οξυαιμία (pH <7,35), παρατηρείται οξέωση, δηλαδή αύξηση των H⁺ στο αίμα. Η οξέωση διακρίνεται σε αναπνευστική και μεταβολική. Στην αναπνευστική οξέωση, εκκρίνονται Η⁺ για να απορροφηθούν όλα τα διηθημένα ${\ce {HCO3^-}}$, τα οποία προστίθενται στο αίμα. Επιπλέον ${\ce {HCO3^-}}$ προστίθενται στο αίμα μέσω άλλων διεργασιών (μεταβολισμός της γλουταμίνης και απέκκριση του αμμωνίου) με αποτέλεσμα την αντιστάθμιση της οξέωσης. Σε ό,τι αφορά την μεταβολική οξέωση, παρατηρείται η λειτουργία της αναπνευστικής αντιστάθμισης κατά την οποία μειώνεται η μερική πίεση του CO₂ μέσω αντίδρασής του με τα H⁺ που βρίσκονται σε περίσσεια.

Αλκάλωση

Στην περίπτωση της αλκαλαιμίας (pH >7,45), παρατηρείται αλκάλωση, δηλαδή μείωση των H⁺. Υπάρχουν δύο είδη αλκάλωσης, η αναπνευστική και η μεταβολική, με ανάστροφες δράσεις από αυτές της οξέωσης. Συγκεκριμένα,  στην αναπνευστική αλκάλωση η απέκκριση Η⁺ είναι ανεπαρκής για την απορρόφηση όλων των διηθημένων διττανθρακικών και σημαντική ποσότητα αυτών απεκκρίνεται στα ούρα. Επίσης, ο μεταβολισμός της γλουταμίνης και η απέκκριση αμμωνίου μειώνονται έτσι ώστε λίγα ή καθόλου νέα ${\ce {HCO3^-}}$προστίθενται στο αίμα. Έτσι, η συνολική συγκέντρωση των ${\ce {HCO3^-}}$  στο αίμα, μειώνεται. Όσον αφορά στην μεταβολική αλκάλωση, αυτή αναστέλλεται αντανακλαστικά μέσω της πνευμονικής αντιστάθμισης, η οποία αυξάνει την μερική πίεση του CO₂ στο αίμα.

Πηγές

Vander M., Sherman J., Luciano D., Τσακόπουλος Μ. (2001). Φυσιολογία του Ανθρώπου - Μηχανισμοί της λειτουργίας του οργανισμού. Εκδόσεις Π.Χ. Πασχαλίδης