ORGANIZAREA FUNCIONAL ORGANISMULUI UMAN I CONTROLUL HOMEOSTAZIEI

Scopul fiziologiei este de a explica care sunt factorii fizici i chimici responsabili pentru originea, dezvoltarea i evoluia vieii. Fiziologia uman ncearc s explice care sunt caracteristicile i mecanismele specifice care definesc organismul uman ca entitate vie.

Celula

Unitatea vie elementar a organismului este celula. Fiecare organ este alctuit din numeroase tipuri de celule a cror unitate este meninut de structuri intercelulare cu rol de suport. Fiecare tip de celul este special adaptat pentru a ndeplini una sau mai multe funcii particulare (ex. eritrocitele transport oxigenul de la plmni la nivel celular).

Lichidul extracelular - mediul intern

Utilizat iniial de Claude Bernard (1856) pentru a sublinia importana sngelui i a plasmei interstiiale ca principale puni de legtur ntre cellule i mediul extern, mediul intern a fost extins ulterior la toate umorile organismului. Astzi mediul intern este definit ca mediul lichidian n care se desfoar procesele fizico-chimice i biologice caracteristice materiei vii i cuprinde totalitatea lichidelor care asigur transportul de gaze i substane nutritive, consumul acestora i epurarea celulelor organismului de produii toxici rezultai din combustiile tisulare. Componenta dominant a materiei vii ct i a tuturor umorilor este apa.

Organismul uman adult conine aproximativ 60% lichid, reprezentat n principal printr-o soluie de ioni i alte substane. Cea mai mare parte a acstui lichid se afl n interiorul celulelor i este denumit lichid intracelular. Aproximativ 1/3 se afl n spaiile din afara celulelor i este denumit lichid extracelular. Lichidul extracelular este n micare permanent n interiorul organismului. Acesta este transportat rapid n sngele circulant, fiind ulterior distribuit ntre snge i lichidele tisulare consecutiv difuziei prin pereii capilari.

Lichidul extracelular conine ioni i elemente nutritive necesare ntreinerii vieii celulei (toate celulele triesc practic n acelai mediu, lichidul extracelular.

Lichidul extracelular este denumit mediul intern al organismului (Claude Bernard).

Diferene ntre lichidul extracelular i lichidul intracelular.

Lichidul extracelular conine cantiti mari de ioni de sodiu, clor i bicarbonat, precum i elemente nutritive pentru celule (oxigenul, glucoza, acizii grai i aminoacizii), de asemenea, conine bioxid de carbon (transportat de la nivelul celulei spre plmni pentru a fi eliminat, n care se afl ali produi ai metabolismului celular care sunt transportai de la rinichi pentru a fi excretai).

Lichidul intracelular conine cantiti mari de ioni de potasiu, ioni de magneziu i ioni fosfat n locul ionilor de sodiu i clor aflai n spaiul extracelular.

Mecanisme speciale pentru transportul ionilor prin membranele celulare menin diferenele ntre concentraiile ionilor din lichidul extracelular i cel intracelular.

Mecanismele homeostatice ale principalelor sisteme funcionale ale organismuluiHomeostazia

Stabilitatea relativ a compoziiei lichidelor organismului este foarte important, deoarece exist un schimb permanent de lichid i solveni ntre organism i mediul extern, precum i ntre diferitele compartimente ale organismului.

Homeostazia este meninerea aproximativ constant a parametrilor mediului intern. Toate organele i esuturile ndeplinesc funcii care ajut la pstrarea constant a acestor parametri (plmnii furnizeaz oxigen spaiului extracelular pentru a substitui oxigenul consumat de celule, rinichii menin constante concentraiile ionilor, tractul gastrointestinal asigur aportul elementelor nutritive).

Sistemul de transport i distribuie a lichidului extracelular sistemul ciculator sanguin

Lichidul extracelular este transportat la nivelul organismului n dou etape: prima etap este reprezentat de deplasarea sngelui prin organism n interiorul vaselor sanguine, cea de a doua etap este reprezentat de deplasarea bidirecional a lichidului ntre capilarele sanguine i spaiile intercelulare (la nivelul capilarelor exist un schimb permanent de lichid extracelular ntre fraciunea plasmatic a sngelui i lichidul interstiial care umple spaiile intercelulare). Pereii capilarelor sunt permeabili pentru majoritatea moleculelor din plasma sanguin, cu excepia moleculelor mari ale proteinelor plasmatice (cantiti mari de lichid i constituieni dizolvai difuzeaz bidirecional ntre snge i spaiile tisulare, proces de difuziune care este determinat de micarea moleculelor, att din plasm ct i din lichidul interstiial. Lichidul i moleculele dizolvate se afl n continu micare, deplasndu-se n toate direciile n plasm i n fluidul din spaiile intercelulare, precum i prin porii capilari.

Lichidul extracelular din ntreg organismul att cel din plasm ct i cel din lichidul interstiial este n permanen amestecat, fiind astfel meninut omogenitatea aproape complet a lichidului extracelular la nivelul organismului.

n concluzie, meninerea unui volum relativ constant i a unei compoziii stabile a lichidelor organismului este esenial pentru homeostazie.

Originea elementelor nutritive din lichidul extracelularSistemul respirator

Sngele se ncarc cu oxigen la nivel alveolar. Membrana care separ alveolele i lumenul capilarelor pulmonare (membrana alveolar) prezint grosimea de 0,4-2 microni, iar oxigenul difuzeaz n snge prin porii acestei membrane, n acelai mod n care apa i ionii difuzeaz prin pereii capilarelor.

Tractul gastrointestinal

La acest nivel diferite elemente nutritive dizolvate (carbohidrai, acizi grai, aminoacizi) sunt absorbite n lichidul extracelular sanguin.

Ficatul modific structura chimic a multora dintre substanele absorbite, crescndu-le gradul de utilizare.

Adipocitele, rinichii, glandele endocrine contribuie, de asemenea, la modificarea substanelor absorbite.

Sistemul musculo-scheletic

Sistemul musculo-scheletic contribuie la funciile homeostatice ale organismului prin mecanisme specifice.

Epurarea produilor finali de metabolism

Eliminarea bioxidului de carbon la nivel pulmonar

Simultan cu captarea oxigenului la nivel pulmonar, bioxidul de carbon este eliminat din snge n alveolele pulmonare (dintre toi produii finali ai metabolismului celular, bioxidul de carbon este cel mai abundent).

Rinichiul

La nivel renal sunt eliminate din plasm majoritatea celorlalte substane (n afara bioxidului de carbon) care nu sunt necesare celulelor (diferii produi finali ai metabolismului celular, cum ar fi ureea i acidul uric, de asemenea, sunt eliminai ionii i apa n exces care s-au acumulat n lichidul extracelular). Rinichiul i ndeplinete funcia prin filtrarea iniial a unor cantiti mari de plasm la nivel glomerular, iar ulterior prin reabsorbia n snge a substanelor necesare organismului (glucoza, aminoacizii, cantiti adecvate de ap i ioni).

Majoritatea celorlalte substane care nu sunt necesare oraganismului n special produii finali de metabolism (ex. ureea) prezint reabsorbie minim, fiind eliminai n urin prin tubii renali.

Reglarea funciilor organismuluiSistemul nervos de reglare

Sistemul nervos este alctuit din trei componente principale: calea senzorial aferent, sistemul nervos central (componenta integrativ) i calea motorie aferent.

Receptorii senzoriali detecteaz starea organismului sau starea mediului nconjurtor (ex. receptorii cutanai informeaz persoana de fiecare dat cnd un obiect atinge tegumentul n orice punct). Sistemul nervos central (SNC) este alctuit din creier i mduva spinrii. SNC determin reaciile organismului la senzaiile sosite din periferie.

O mare parte a sistemului nervos este denumit sistemul autonom, care controleaz numeroase funcii ale organelor interne (ex. activitatea cardiac, micrile peristaltice gastrointestinale, secreia glandelor endocrine).

Sistemul nervos regleaz n special activitile muscular i secretorie ale organismului.

Sistemul hormonal de reglare

Exist opt glande endocrine principale care secret hormoni, substane chimice transportate prin lichidul extracelular cu rolul de a regla funciile celulei (ex. hormonul tiroidian crete rata majoritii reaciilor chimice, insulina controleaz metabolismul glucozei, hormonii corticosuprarenali controleaz nivelul sodiului i potasiului, precum i metabolismul proteinelor, hormonul paratiroidian controleaz calciul i fosfatul la nivelul osului).

Sistemul hormonal regleaz n principal funciile metabolice.

Controlul sistemelor organismului

Sistemele de control genetic sunt cele mai complexe (acioneaz n toate celulele pentru a controla att activitatea inracelular ct i activitatea extracelular.

Numeroase alte sisteme de control acioneaz la nivelul organelor (pentru a controla funciile prilor componente ale acestora), altele opereaz la nivelul ntregului organism (pentru a controla relaiile dintre organe). Ex. sistemul respirator funcioneaz n asociere cu sistemul nervos (regleaz concentraia bioxidului de carbon din lichidul extracelular; ficatul i pncreasul regleaz concentraia glucozei din lichidul extracelular; rinichiul regleaz concentraiile hidrogenului, sodiului, potasiului, fosfatului i a altor ioni din lichidul extracelular.

Exemple de mecanisme de control

Reglarea concentraiei oxigenului i bioxidului de carbon la nivelul lichidului extracelular

Oxigenul reprezint una dintre substanele principale necesare reaciilor chimice intracelulare (organismul prezint un mecanism special de control pentru a menine constant concentraia oxigenului n lichidul extracelular). Mecanismul se bazeaz pe caracteristicile chimice ale hemoglobinei (coninut n toate eritrocitele). Hemoglobina se combin cu oxigenul cnd sngele traverseaz plmnii. Hemoglobina prezint afinitate crescut pntru oxigen. ns, n cazul n care concentraia oxigenului n lichidul tisular este prea mic, se elibereaz suficient oxigen pentru a restabili nivelul adecvat (reglarea concentraiei tisulare a oxigenului se bazeaz pe caracteristicile hemoglobinei). Acest reglare este denumit funcia tampon pentru oxigen a hemoglobinei.

Bioxidul de carbon reprezint un produs final major al reaciilor oxidative intracelulare.

Creterea concentraiei sanguine a bioxidului de carbon peste valoarea normal stimuleaz centrul respirator (crete eliminarea prin expiraie a bioxidului de carbon i astfel se ndeprteaz cantitatea n exces din snge i lichidele tisulare).

Reglarea presiunii arteriale

Sistemul baroreceptor este un mecanism de control cu aciune rapid. Baroreceptorii sunt localizai la nivelul pereilor arteriali ai bifurcaiei carotidiene, precum i la nivelul arcului aortei toracice. Baroreceptorii sunt stimulai de ntinderea peretelui arterial. Cnd presiunea arterial crete, atunci baroreceptorii transmit impulsuri nervoase spre trunchiul cerebral (la acest nivel, impulsurile inhib centrul vasomotor, ceea ce determin reducerea numrului de stimuli transmii de la acest nivel prin intermediul sistemului nervos simpatic spre inim i vasele sanguine). Scderea frecvenei descrcrii acestor stimuli determin reducerea activitii de pomp a inimii, precum i dilataia vaselor sanguine periferice, ceea ce permite creterea fluxului sanguin vascular. Ambele efecte restabilesc valoarea normal a presiunii arteriale.

Invers, scderea presiunii arteriale sub nivelul normal relaxeaz receptorii de ntindere, ceea ce permite centrului vasomotor s devin mai activ dect n mod normal, determinnd vasoconstricie i creterea activitii de pomp a inimii, ceea ce duce la creterea presiunii arteriale.

Limite normale i caracteristici fizice ale unor constituieni importani ai lichidului extracelular

Creterea temperaturii organismului cu numai 70C fa de normal poate conduce la un cerc vicios n care creterea metabolismului celular distruge celulele.

Pentru echilibrul acido-bazic al organismului (valoarea normal fiind de 7,4), valorile letale situndu-se cu numai 0,5 uniti de o parte i de alta a acesteia.

Cnd concentraia ionilor de potasiu scade la mai puin de 1/3 fa de normal se poate instala paralizia datorit incapacitii nervilor de a transmite impulsurile nervoase. Invers, cnd concentraia ionilor de potasiu crete de dou ori sau mai mult fa de normal, funcia miocardului poate fi puternic deprimat.

Cnd concentraia ionilor de calciu scade la mai puin de fa de normal, pot s apar contracii musculare de tip tetanic la nivelul corpului datorit generrii spontane de impulsuri nervoase n exces la nivelul nervilor periferici.

Cnd concentraia glucozei scade la mai puin de jumtate fa de normal, se instaleaz iritabilitate psihic intens, uneori chiar convulsii.

Caracteristici ale sistemelor de control

Majoritatea sistemelor de control acioneaz prin mecanismul de feed back negativ

n procesul de reglare a concentraiei de bioxid de carbon, o concentraie ridicat a acestuia n lichidul extracelular determin creterea ventilaiei pulmonare. Aceasta determin la rndul su scderea concentraiei de bioxid de carbon la nivelul lichidului extracelular, deoarece la nivel pulmonar bioxidul de carbon este eliminat cu rat mai mare.

Cnd concentraia bioxidului de carbon scade prea mult, aceasta va reveni la normal prin mecanism de feed back (rspunsul este negativ fa de stimulul iniiator).

Presiunea arterial crescut declaneaz o serie de reacii care determin scderea presiunii, iar presiunea redus declaneaz o serie de reacii care determin creterea presiunii (n ambele situaii exist feed back negativ).

Dac un anumit factor devine crescut sau deficitar, un sistem de control iniiaz un mecanism de feed back negativ (modificri ce au ca scop revenirea la normal, fiind astfel meninut homeostazia).

Eficacitatea unui sistem de control

Nivelul eficacitii (eficacitatea = corecie/eroare) unui sistem de control (ex. sistemului baroreceptor, a sistemului de control a temperaturii organismului) pentru a menine constante anumite condiii este determinat de eficacitatea mecanismului de feed back negativ.

Mecanismul de feed back pozitiv poate iniia uneori un cerc vicios i poate duce la deces

Mecanismul de feedback pozitiv (cerc vicios) nu conduce la stabilitate (stimulul iniiator produce un efect similar, cu amplitudine mai mare).

Uneori mecanismul de feed back pozitiv poate fi util

Coagularea, naterea sunt exemple de feed back pozitiv util.

Mecanismul de feed back pozitiv prezint un rol important n generarea impulsurilor nervoase.

Tipuri mai complexe de mecanisme de control controlul adaptativ

Sistemul nervos dispune de numeroase mecanisme de control interconectate (unele dintre acestea sunt sisteme de feedback).

Creierul utilizeaz un principiu denumit reglare anticipat (control feed-forward). n acest caz creierul ajusteaz impulsurile controlului anticipat. Fenomenul este denumit control adaptativ (reprezint un feed back negativ ntrziat).

n concluzie, organismul reprezint interaciunea complex a unui numr imens de celule (organizate sub forma a diferite structuri funcionale, ex. organe).

Fiecare structur funcional contribuie la meninerea homeostaziei lichidului extracelular (mediul intern al organismului, important pentru meninerea funciei corespunztoare a celulelor).

Fiecare celul beneficiaz de homeostazie i contribuie la meninerea acesteia (interaciunea reciproc asigur automatismul permanent al organismului).

Pierderea capacitii de a ndeplini funcia de meninere a homeostaziei conduce la disfuncii la nivelul tuturor celulelor organismului (disfunciile extreme conduc la deces, disfunciile moderate conduc la apariia strii de boal).

Practica medical se ocup printre altele cu consecinele disfunciei sistemelor de control cu rol n meninerea echilibrului lichidian al organismului.