ORGANIZAREA FUNCTIONALA ORGANISMULUI UMAN SI CONTROLUL HOMEOSTAZIEI

Scopul fiziologiei este de a explica care sunt factorii fizici si chimici responsabili pentru originea, dezvoltarea si evolutia vietii. Fiziologia umana incearca sa explice care sunt caracteristicile si mecanismele specifice care definesc organismul uman ca entitate vie.

Celula

Unitatea vie elementara a organismului este celula. Fiecare organ este alcatuit din numeroase tipuri de celule a caror unitate este mentinuta de structuri intercelulare cu rol de suport. Fiecare tip de celula este special adaptat pentru a indeplini una sau mai multe functii particulare (ex. eritrocitele transporta oxigenul de la plamani la nivel celular).

Lichidul extracelular - "mediul intern"

Utilizat initial de Claude Bernard (1856) pentru a sublinia importanta sangelui si a plasmei interstitiale ca principale punti de legatura intre cellule si mediul extern, "mediul intern" a fost extins ulterior la toate umorile organismului. Astazi mediul intern este definit ca mediul lichidian in care se desfasoara procesele fizico-chimice si biologice caracteristice materiei vii si cuprinde totalitatea lichidelor care asigura transportul de gaze si substante nutritive, consumul acestora si epurarea celulelor organismului de produsii toxici rezultati din combustiile tisulare. Componenta dominanta a materiei vii cat si a tuturor umorilor este apa.

Organismul uman adult contine aproximativ 60% lichid, reprezentat in principal printr-o solutie de ioni si alte substante. Cea mai mare parte a acstui lichid se afla in interiorul celulelor si este denumit lichid intracelular. Aproximativ 1/3 se afla in spatiile din afara celulelor si este denumit lichid extracelular. Lichidul extracelular este in miscare permanenta in interiorul organismului. Acesta este transportat rapid in sangele circulant, fiind ulterior distribuit intre sange si lichidele tisulare consecutiv difuziei prin peretii capilari.

Lichidul extracelular contine ioni si elemente nutritive necesare intretinerii vietii celulei (toate celulele traiesc practic in acelasi mediu, lichidul extracelular.

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

Diferente intre lichidul extracelular si lichidul intracelular.

Lichidul extracelular contine cantitati mari de ioni de sodiu, clor si bicarbonat, precum si elemente nutritive pentru celule (oxigenul, glucoza, acizii grasi si aminoacizii), de asemenea, contine bioxid de carbon (transportat de la nivelul celulei spre plamani pentru a fi eliminat, in care se afla alti produti ai metabolismului celular care sunt transportati de la rinichi pentru a fi excretati).

Lichidul intracelular contine cantitati mari de ioni de potasiu, ioni de magneziu si ioni fosfat in locul ionilor de sodiu si clor aflati in spatiul extracelular.

Mecanisme speciale pentru transportul ionilor prin membranele celulare mentin diferentele intre concentratiile ionilor din lichidul extracelular si cel intracelular.

Mecanismele "homeostatice" ale principalelor sisteme functionale ale organismului

Homeostazia

Stabilitatea relativa a compozitiei lichidelor organismului este foarte importanta, deoarece exista un schimb permanent de lichid si solventi intre organism si mediul extern, precum si intre diferitele compartimente ale organismului.

Homeostazia este mentinerea aproximativ constanta a parametrilor mediului intern. Toate organele si tesuturile indeplinesc functii care ajuta la pastrarea constanta a acestor parametri (plamanii furnizeaza oxigen spatiului extracelular pentru a substitui oxigenul consumat de celule, rinichii mentin constante concentratiile ionilor, tractul gastrointestinal asigura aportul elementelor nutritive).

Sistemul de transport si distributie a lichidului extracelular - sistemul ciculator sanguin

Lichidul extracelular este transportat la nivelul organismului in doua etape: prima etapa este reprezentata de deplasarea sangelui prin organism in interiorul vaselor sanguine, cea de a doua etapa este reprezentata de deplasarea bidirectionala a lichidului intre capilarele sanguine si spatiile intercelulare (la nivelul capilarelor exista un schimb permanent de lichid extracelular intre fractiunea plasmatica a sangelui si lichidul interstitial care umple spatiile intercelulare). Peretii capilarelor sunt permeabili pentru majoritatea moleculelor din plasma sanguina, cu exceptia moleculelor mari ale proteinelor plasmatice (cantitati mari de lichid si constituienti dizolvati difuzeaza bidirectional intre sange si spatiile tisulare, proces de difuziune care este determinat de miscarea moleculelor, atat din plasma cat si din lichidul interstitial. Lichidul si moleculele dizolvate se afla in continua miscare, deplasandu-se in toate directiile in plasma si in fluidul din spatiile intercelulare, precum si prin porii capilari.

Lichidul extracelular din intreg organismul - atat cel din plasma cat si cel din lichidul interstitial - este in permanenta amestecat, fiind astfel mentinuta omogenitatea aproape completa a lichidului extracelular la nivelul organismului.

In concluzie, mentinerea unui volum relativ constant si a unei compozitii stabile a lichidelor organismului este esentiala pentru homeostazie.

Originea elementelor nutritive din lichidul extracelular

Sistemul respirator

Sangele se incarca cu oxigen la nivel alveolar. Membrana care separa alveolele si lumenul capilarelor pulmonare (membrana alveolara) prezinta grosimea de 0,4-2 microni, iar oxigenul difuzeaza in sange prin porii acestei membrane, in acelasi mod in care apa si ionii difuzeaza prin peretii capilarelor.

Tractul gastrointestinal

La acest nivel diferite elemente nutritive dizolvate (carbohidrati, acizi grasi, aminoacizi) sunt absorbite in lichidul extracelular sanguin.

Ficatul modifica structura chimica a multora dintre substantele absorbite, crescandu-le gradul de utilizare.

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

Sistemul musculo-scheletic

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

Epurarea produsilor finali de metabolism

Eliminarea bioxidului de carbon la nivel pulmonar

Simultan cu captarea oxigenului la nivel pulmonar, bioxidul de carbon este eliminat din sange in alveolele pulmonare (dintre toti produtii finali ai metabolismului celular, bioxidul de carbon este cel mai abundent).

Rinichiul

La nivel renal sunt eliminate din plasma majoritatea celorlalte substante (in afara bioxidului de carbon) care nu sunt necesare celulelor (diferiti produsi finali ai metabolismului celular, cum ar fi ureea si acidul uric, de asemenea, sunt eliminati ionii si apa in exces care s-au acumulat in lichidul extracelular). Rinichiul isi indeplineste functia prin filtrarea initiala a unor cantitati mari de plasma la nivel glomerular, iar ulterior prin reabsorbtia in sange a substantelor necesare organismului (glucoza, aminoacizii, cantitati adecvate de apa si ioni).

Majoritatea celorlalte substante care nu sunt necesare oraganismului in special produsii finali de metabolism (ex. ureea) prezinta reabsorbtie minima, fiind eliminati in urina prin tubii renali.

Reglarea functiilor organismului

Sistemul nervos de reglare

Sistemul nervos este alcatuit din trei componente principale: calea senzoriala aferenta, sistemul nervos central (componenta integrativa) si calea motorie aferenta.

Receptorii senzoriali detecteaza starea organismului sau starea mediului inconjurator (ex. receptorii cutanati informeaza persoana de fiecare data cand un obiect atinge tegumentul in orice punct). Sistemul nervos central (SNC) este alcatuit din creier si maduva spinarii. SNC determina reactiile organismului la senzatiile sosite din periferie.

O mare parte a sistemului nervos este denumita sistemul autonom, care controleaza numeroase functii ale organelor interne (ex. activitatea cardiaca, miscarile peristaltice gastrointestinale, secretia glandelor endocrine).

Sistemul nervos regleaza in special activitatile musculara si secretorie ale organismului.

Sistemul hormonal de reglare

Exista opt glande endocrine principale care secreta hormoni, substante chimice transportate prin lichidul extracelular cu rolul de a regla functiile celulei (ex. hormonul tiroidian creste rata majoritatii reactiilor chimice, insulina controleaza metabolismul glucozei, hormonii corticosuprarenali controleaza nivelul sodiului si potasiului, precum si metabolismul proteinelor, hormonul paratiroidian controleaza calciul si fosfatul la nivelul osului).

Sistemul hormonal regleaza in principal functiile metabolice.

Controlul sistemelor organismului

Sistemele de control genetic sunt cele mai complexe (actioneaza in toate celulele pentru a controla atat activitatea inracelulara cat si activitatea extracelulara.

Numeroase alte sisteme de control actioneaza la nivelul organelor (pentru a controla functiile partilor componente ale acestora), altele opereaza la nivelul intregului organism (pentru a controla relatiile dintre organe). Ex. sistemul respirator functioneaza in asociere cu sistemul nervos (regleaza concentratia bioxidului de carbon din lichidul extracelular; ficatul si pncreasul regleaza concentratia glucozei din lichidul extracelular; rinichiul regleaza concentratiile hidrogenului, sodiului, potasiului, fosfatului si a altor ioni din lichidul extracelular.

Exemple de mecanisme de control

Reglarea concentratiei oxigenului si bioxidului de carbon la nivelul lichidului extracelular

Oxigenul reprezinta una dintre substantele principale necesare reactiilor chimice intracelulare (organismul prezinta un mecanism special de control pentru a mentine constanta concentratia oxigenului in lichidul extracelular). Mecanismul se bazeaza pe caracteristicile chimice ale hemoglobinei (continuta in toate eritrocitele). Hemoglobina se combina cu oxigenul cand sangele traverseaza plamanii. Hemoglobina prezinta afinitate crescuta pntru oxigen. Insa, in cazul in care concentratia oxigenului in lichidul tisular este prea mica, se elibereaza suficient oxigen pentru a restabili nivelul adecvat (reglarea concentratiei tisulare a oxigenului se bazeaza pe caracteristicile hemoglobinei). Acest reglare este denumita functia tampon pentru oxigen a hemoglobinei.

Bioxidul de carbon reprezinta un produs final major al reactiilor oxidative intracelulare.

Cresterea concentratiei sanguine a bioxidului de carbon peste valoarea normala stimuleaza centrul respirator (creste eliminarea prin expiratie a bioxidului de carbon si astfel se indeparteaza cantitatea in exces din sange si lichidele tisulare).

Reglarea presiunii arteriale

Sistemul baroreceptor este un mecanism de control cu actiune rapida. Baroreceptorii sunt localizati la nivelul peretilor arteriali ai bifurcatiei carotidiene, precum si la nivelul arcului aortei toracice. Baroreceptorii sunt stimulati de intinderea peretelui arterial. Cand presiunea arteriala creste, atunci baroreceptorii transmit impulsuri nervoase spre trunchiul cerebral (la acest nivel, impulsurile inhiba centrul vasomotor, ceea ce determina reducerea numarului de stimuli transmisi de la acest nivel prin intermediul sistemului nervos simpatic spre inima si vasele sanguine). Scaderea frecventei descarcarii acestor stimuli determina reducerea activitatii de pompa a inimii, precum si dilatatia vaselor sanguine periferice, ceea ce permite cresterea fluxului sanguin vascular. Ambele efecte restabilesc valoarea normala a presiunii arteriale.

Invers, scaderea presiunii arteriale sub nivelul normal relaxeaza receptorii de intindere, ceea ce permite centrului vasomotor sa devina mai activ decat in mod normal, determinand vasoconstrictie si cresterea activitatii de pompa a inimii, ceea ce duce la cresterea presiunii arteriale.

Limite normale si caracteristici fizice ale unor constituenti importanti ai lichidului extracelular

Cresterea temperaturii organismului cu numai 7⁰C fata de normal poate conduce la un cerc vicios in care cresterea metabolismului celular distruge celulele.

Pentru echilibrul acido-bazic al organismului (valoarea normala fiind de 7,4), valorile letale situandu-se cu numai 0,5 unitati de o parte si de alta a acesteia.

Cand concentratia ionilor de potasiu scade la mai putin de 1/3 fata de normal se poate instala paralizia datorita incapacitatii nervilor de a transmite impulsurile nervoase. Invers, cand concentratia ionilor de potasiu creste de doua ori sau mai mult fata de normal, functia miocardului poate fi puternic deprimata.

Cand concentratia ionilor de calciu scade la mai putin de ½ fata de normal, pot sa apara contractii musculare de tip tetanic la nivelul corpului datorita generarii spontane de impulsuri nervoase in exces la nivelul nervilor periferici.

Cand concentratia glucozei scade la mai putin de jumatate fata de normal, se instaleaza iritabilitate psihica intensa, uneori chiar convulsii.

Caracteristici ale sistemelor de control

Majoritatea sistemelor de control actioneaza prin mecanismul de feed back negativ

In procesul de reglare a concentratiei de bioxid de carbon, o concentratie ridicata a acestuia in lichidul extracelular determina cresterea ventilatiei pulmonare. Aceasta determina la randul sau scaderea concentratiei de bioxid de carbon la nivelul lichidului extracelular, deoarece la nivel pulmonar bioxidul de carbon este eliminat cu rata mai mare.

Cand concentratia bioxidului de carbon scade prea mult, aceasta va reveni la normal prin mecanism de feed back (raspunsul este negativ fata de stimulul initiator).

Presiunea arteriala crescuta declanseaza o serie de reactii care determina scaderea presiunii, iar presiunea redusa declanseaza o serie de reactii care determina cresterea presiunii (in ambele situatii exista feed back negativ).

Daca un anumit factor devine crescut sau deficitar, un sistem de control initiaza un mecanism de feed back negativ (modificari ce au ca scop revenirea la normal, fiind astfel mentinuta homeostazia).

Eficacitatea" unui sistem de control

Nivelul eficacitatii (eficacitatea corectie/eroare) unui sistem de control (ex. sistemului baroreceptor, a sistemului de control a temperaturii organismului) pentru a mentine constante anumite conditii este determinat de eficacitatea mecanismului de feed back negativ.

Mecanismul de feed back pozitiv poate initia uneori un cerc vicios si poate duce la deces

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

Uneori mecanismul de feed back pozitiv poate fi util

Coagularea, nasterea sunt exemple de feed back pozitiv util.

Mecanismul de feed back pozitiv prezinta un rol important in 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 utilizeaza un principiu denumit reglare anticipata (control feed-forward). In acest caz creierul ajusteaza impulsurile controlului anticipat. Fenomenul este denumit control adaptativ (reprezinta un feed back negativ intarziat).

In concluzie, organismul reprezinta interactiunea complexa a unui numar imens de celule (organizate sub forma a diferite structuri functionale, ex. organe).

Fiecare structura functionala contribuie la mentinerea homeostaziei lichidului extracelular (mediul intern al organismului, important pentru mentinerea functiei corespunzatoare a celulelor).

Fiecare celula beneficiaza de homeostazie si contribuie la mentinerea acesteia (interactiunea reciproca asigura automatismul permanent al organismului).

Pierderea capacitatii de a indeplini functia de mentinere a homeostaziei conduce la disfunctii la nivelul tuturor celulelor organismului (disfunctiile extreme conduc la deces, disfunctiile moderate conduc la aparitia starii de boala).

Practica medicala se ocupa printre altele cu consecintele disfunctiei sistemelor de control cu rol in mentinerea echilibrului lichidian al organismului.