Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Ιατρικής. Γιώργος Κωστόπουλος Καθηγητής Φυσιολογίας.

Transcript

1 Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Ιατρικής Εργαστήριο Φυσιολογίας Φεβρουάριος 2016 Γιώργος Κωστόπουλος Καθηγητής Φυσιολογίας 1 gkkostop@upatras.gr

2 - Πόση Φυσιολογία πρέπει να μάθω για να γίνω καλός γιατρός; - Πόσο καλός γιατρός θέλεις να γίνεις; 2

3 ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟΙ ΣΤΟΧΟΙ ΕΞΕΤΑΣΤΕΑ ΥΛΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΑΡΑΔΟΣΕΙΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑ 3

4 Βιβλιογραφία: Συγγράμματα Συγγράμματα προηγουμένων ετών (Ανατομία, Βιολογία, Βιοχημεία κ.α.) για προαπαιτούμενες γνώσεις Επισκοπήσεις Μονογραφίες Πρωτότυπες εργασίες Ανακοινώσεις συνεδρίων Συγγράμματα Φυσιολογίας: 1. Berne RM and Levy MN Αρχές Φυσιολογίας. Ελληνική μετάφραση της 6ης έκδοσης. Εκδόσεις Παρισιάνου κεφ. 1-3, σελ DU Silverthorn Human Physiology; An integrated approach chapter. 1, 6, Pearson Education Int.2004, 185 pages. 4. Vander MD, Sherman PhD, Luciano PhD, Tσακόπουλος Μ. Φυσιολογία του Ανθρώπου. Ελλ. Μετάφρ. Εκδ. Πασχαλίδη Despopoulos and S. Silbernagl 2003, Color Atlas of Physiology, Thieme 5th edition. Pages [και Ελληνική μετάφραση της 2ης εκδ], Ιατρικές Εκδόσεις Λίτσα. 1. W. Boron & E. Boulpaep: Medical Physiology. A cellular and molecular approach. Σε Ελληνική μετάφραση, Εκδ. Πασχαλίδη ) + Σημειώσεις διδασκόντων για παραδόσεις ή εργαστήρια 4

5 Η εξεταστέα ύλη καθορίζεται από τους εκπαιδευτικούς στόχους, οι οποίοι αντιστοιχούν στο διεθνώς αποδεκτό επίπεδο κατανόησης της Ιατρικής Φυσιολογίας και συνεπώς μπορεί να μην αντιστοιχούν πλήρως με το περιεχόμενο ενός συγκεκριμένου συγγράμματος ή με αυτό των παραδόσεων, οι οποίες δεν είναι δυνατόν να περιλάβουν τα πάντα. Είναι συνεπώς αποδοτικότερο ο φοιτητής /τρια να μελετά εκ των προτέρων το μάθημα, στο οποίο να έρχεται με τις τυχόν απορίες του/της και φυσικά να τις εκθέτει. Αυτονόητη η δυνατότητα κάθε φοιτητού/τριας να επικοινωνεί με τα μέλη ΔΕΠ Φυσιολογίας για διαδικαστικά θέματα και συμβουλές για πιο εξειδικευμένη βιβλιογραφία έντυπη ή ηλεκτρονική. π.χ. στο «Careers in Physiology» περιγράφονται η ιστορία της Φυσιολογίας, τα θέματα με τα οποία ασχολούνται οι σύγχρονοι φυσιολόγοι και οι βιογραφίες επιφανών φυσιολόγων.] Χρειαζόμαστε τα σχόλιά και τη κριτική σας για να βελτιώσουμε τα μαθήματα Φυσιολογίας Για διαδικαστικά και διδακτικά θέματα επικοινωνήστε αντίστοιχα μέσω e-class ή 5

6 Οι ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟΙ ΣΤΟΧΟΙ περιγράφουν τις αναμενόμενες από την εκπαίδευση ικανότητες, π.χ. για κάποιες από τις γνώσεις που προαπαιτούνται για την εκπαίδευση στη Φυσιολογία: 1. Ζωγραφίστε ένα «κανονικό» κύτταρο με τα οργανίδιά του. Ποιά τα ελεύθερα συστατικά του (κατηγορίες). Σε ποία όρια διαμέτρου κινούνται τα μόρια και τα οργανίδια αυτά; Με τι τεχνικές τα παρατηρούμε; 2. Περιγράψτε την πολική δομή του ύδατος και εξηγήστε πώς ο σχηματισμός των δεσμών υδρογόνου επιτρέπει το διαχωρισμό αλάτων (όπως το NaCl), σακχάρων και άλλων πολικών μορίων. Αντιπαραθέστε τον ορισμό του υδρόφοβου και του υδρόφιλου σε σχέση με την πολικότητα του ύδατος. 2. Περιγράψτε τη σύσταση της μεμβράνης. Κάντε ένα διάγραμμα της διατομής της και εξηγήστε πώς η κατανομή των φωσφολιπιδίων και των πρωτεϊνών επηρεάζει τη διαπερατότητα της μεμβράνης σε ιόντα, υδρόφιλα και υδρόφοβα συστατικά. 3. Χρησιμοποιώντας τη κυτταρική μεμβράνη ως παράδειγμα, ορίσατε τον συντελεστή ανάκλασης και εξηγήστε πώς η σχετική διαπερατότητα ενός κυττάρου στο ύδωρ και τους διαλύτες δημιουργεί την ωσμωτική πίεση. Συγκρίνατε την ΩΠ που δημιουργείται σε κυτταρική μεμβράνη από διάλυμα σωματιδίων που διαπερνούν ελεύθερα τη μεμβράνη προς εκείνη διαλύματος της ίδιας 6 ωσμομοριακότητας αλλά με σωματίδια που δεν διαπερνούν τη μεμβράνη.

7 ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟΙ ΣΤΟΧΟΙ της ΕΙΣΑΓΩΓΗΣ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑ Ορίσατε την Ιατρική Φυσιολογία ως επιστήμη (αντικείμενο, μέθοδοι) Ορίσατε το εσωτερικό περιβάλλον Εξηγήστε με παραδείγματα τη σημασία της ομοιόστασης Περιγράψτε την γενική δράση των κύριων διαιρέσεων του νευρικού συστήματος Συγκρίνατε τις λειτουργίες του νευρικού και του ενδοκρινικού συστήματος Εξηγήστε τους μηχανισμούς αρνητικής ανατροφοδότησης Περιγράψτε τον δυνητικό ρόλο φαρμακευτικής αγωγής στη διατήρηση της ομοιόστασης 7

8 ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΣΤΗ ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑ Τι είναι Φυσιολογία; Επίπεδα οργάνωσης Συστήματα Η επιστήμη Φυσιολογία - Πειραματικός σχεδιασμός - Ανάλυση δεδομένων - Ηθική του πειραματισμού Κύριες έννοιες της Φυσιολογίας ομοιόσταση επικοινωνία ενέργεια 8

9 Tι είναι Φυσιολογία; Ιπποκράτης: Η θεραπευτική ισχύς της φύσης Αριστοτέλης: Γνώση της Φύσης των όντων Claude Bernard ( ): Η σοφία του σώματος Η μελέτη των κανονικών λειτουργιών ενός ζώντος οργανισμού και των μερών που τον συνιστούν (διαδικασίες ζωής που ακολουθούν τους νόμους της φυσικής και της χημείας σε αντίθεση προς τον ιστορικά εγκαταληφθέντα «βιταλισμό») Δομή (Ανατομία) Λειτουργία (Φυσιολογία) 9

10 Η Φυσιολογία είναι εξ ορισμού συνθετική επιστήμη (integrative physiology). Οι φυσιολόγοι ενδιαφέρονται για το πώς τα μόρια, κύτταρα, όργανα και συστήματα συνεργάζονται για την επιβίωση του οργανισμού. Ανιχνεύουν τη σχέση του μέρους με το σύνολο. Σχετικά λίγες ερωτήσεις παραμένουν για το πώς λειτουργεί το σώμα στο επίπεδο συστημάτων και οι περισσότερες αφορούν το νευρικό σύστημα. Τα μεγαλύτερα ερευνητικά μέτωπα είναι σήμερα στο κυτταρικό και μοριακό επίπεδο. Θα πρέπει όμως ο,τι κατανοήσουμε στα επίπεδα αυτά να τα συνδέσουμε πάλι με το τι συμβαίνει στα όργανα και τα συστήματα. Η Φυσιολογία διαφέρει από άλλα μαθήματα π.χ. την Ιστολογία/Ανατομική: Περισσότερες Εννοιες και λιγότερη απομνημόνευση. Πρέπει να καταβάλλετε τη νοητική προσπάθεια που απαιτεί η εξοικείωση με τις έννοιες. Δεν πρόκειται να μάθετε τη Φυσιολογία προσπαθώντας απλά να περάσετε τις εξετάσεις. Περισσότερο δυναμικό παρά στατικό αντικείμενο με δύο έννοιες: (α) Συνεχώς νέες ανακαλύψεις και νέες ιδέες. Ο,τι μαθαίνετε σήμερα θα χρειαστεί να το ανασκευάσετε σε μερικά χρόνια. (β) πολλές φυσιολογικές λειτουργίες διενεργούνται 10 συνήθως παράλληλα και με δυναμική αλληλεπίδραση (βλ. επόμενη σελίδα)

11 Παραδείγματα Φυσιολογικών Λειτουργιών 11 Πηγή:

12 Οι φυσιολογικές λειτουργίες εξελίχθησαν μαζί με τα ζωικά είδη π.χ. Για την προσαρμογή στη ζωή εκτός θάλασσας: εξοικονόμηση ύδατος δέρμα, πνεύμονες, νεφροί αντιμετώπιση της βαρύτητας τροποποίηση σκελετού Για την διαιώνιση ως θηλαστικά: μηχανισμοί κυοφορίας, ανάπτυξη συγκινησιακών αντιδράσεων και δεσμών για την προστασία των νεογέννητων Πολλές λειτουργίες είναι κοινές σε φυτά, ζώα και ανθρώπους, ενώ άλλες είναι εξαιρετικά ειδικές (Εξελικτική και Συγκριτική Φυσιολογία). Η Φυσιολογία είναι ενιαία. 12

13 Η Ιατρική Φυσιολογία καλύπτει τις βασικές κοινές έννοιες στηριζόμενη σε μελέτες όλων των ζώντων οργανισμών, αλλά δίνει έμφαση σε εκείνες τις λειτουργίες, διαταραχή των οποίων οδηγεί σε ασθένειες του ανθρώπου. Επιστημονική Ιατρική = Η διάγνωση αναζητά να βρει από τα συμπτώματα της νόσου ποία φυσιολογική λειτουργία έχει αλλάξει ή καταργηθεί. Ασθένεια = η αποτυχία διατήρησης των συνθηκών ομοιόστασης (βλ. παρακάτω) μπορεί να οφείλεται σε: Παθογόνους οργανισμούς ή παράσιτα Κληρονομούμενες διαταραχές Απώλεια φυσιολογικών ρυθμιστικών μηχανισμών Εκφυλιστικές αλλαγές Τραύμα Τοξίνες Περιβαλλοντικές επιδράσεις, διατροφικοί παράγοντες Τις ασθένειες μελετά η Παθολογία Η Παθοφυσιολογία μελετά τους μηχανισμούς με τους οποίους αλλάζουν οι λειτουργίες κατά την ασθένεια. Συνεπώς: Η ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑ ΕΙΝΑΙ Η ΒΑΣΗ ΤΗΣ ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΗΣ ΙΑΤΡΙΚΗΣ: Η ιατρική προσπαθεί να διορθώσει τις δυσλειτουργίες ή να μετριάσει τις επιπτώσεις τους. Για την προσπάθεια επαναφοράς στην ομοιοστατικά σταθερή κατάσταση (βλ. 13 παρακάτω) απαιτείται η κατανόηση των φυσιολογικών παραμέτρων και

14 Παράδειγμα: Επίλυση Κλινικού Προβλήματος ως εφαρμογή της Ιατρικής Φυσιολογίας Αναγνώριση προβλημάτων ασθενούς Δημιουργία υποθέσεων για α) αίτια β) μηχανισμούς με τους οποίους τα αίτια προκαλούν τα προβλήματα Ιεράρχηση υποθέσεων: διαφορική διάγνωση Δοκιμασία υποθέσεων: με α) υπάρχοντα δεδομένα και γνώσεις, β) νέα δεδομένα και γνώσεις. Επανα-ιεράρχηση υποθέσεων (η πιο πιθανή υπόθεση αποτελεί την προτεινόμενη διάγνωση) Θεραπεία (για αντιμετώπιση των προβλημάτων) Παρακολούθηση (Follow-up) και «εκπαίδευση» του ασθενούς 14

15 Λειτουργία και Διαδικασία Τελεολογική και μηχανιστική προσπέλαση στη Φυσιολογία Ποίος είναι ο σκοπός ή η λειτουργία του; Γιατί υπάρχει ή γίνεται κάτι; Ποίες διαδικασίες ενέχονται σε κάτι; Πώς, με ποίο μηχανισμό γίνεται; Γιατί αναπνέουμε; Γιατί κυκλοφορεί το αίμα; Γιατί τα ερυθροκύτταρα μεταφέρουν Ο2; Πώς αναπνέουμε; Πώς κυκλοφορεί το αίμα; Πώς τα ερυθροκύτταρα μεταφέρουν Ο2; Πρέπει να συνδυαστούν σε μια επιστημονική φυσιολογική προσπέλαση (= υπόθεση που υπόκειται σε πειραματική δοκιμασία 15

16 Χαρτογράφηση εννοιών θεωρητικά ΕΣΩΤΕΡΙΚΗ Η ΕΞΩΤΕΡΙΚΗ ΑΛΛΑΓΗ πρακτικά ΥΠΟΔΟΧΕΑΣ ΠΡΟΣΑΓΩΓΟ ΣΗΜΑ ΑΤΟΜΟ ΕΡΓΑΖΟΜΕΝΟ ΣΤΗΝ ΥΠΑΙΘΡΟ ΧΑΝΕΙ ΥΓΡΑ ΑΠΟ ΕΞΑΤΜΗΑΗ ΕΝΔΟΚΡΙΝΙΚΟ ΚΕΝΤΡΟ ΟΛΟΚΛΗΡΩΣΗΣ ΑΠΑΓΩΓΟ ΣΗΜΑ ΚΑΤΑΛΛΗΛΗ ΑΠΑΝΤΗΣΗ ΚΕΝΤΡΟ ΟΛΟΚΛΗΡΩΣΗΣ ΣΤΟ ΚΕΝΤΡΙΚΟ ΝΕΥΡΙΚΟ ΣΥΣΤ. ΑΠΑΓΩΓΟ ΣΗΜΑ ΕΚΤΕΛΕΣΤΙΚΑ ΟΡΓΑΝΑ ΑΥΞΗΣΗ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗΣ ΣΤΑ ΥΓΡΑ ΤΟΥ ΣΩΜΑΤΟΣ ΥΠΟΔΟΧΕΙΣ ΟΡΓΑΝΩΝ ΔΙΑΠΙΣΤΩΝΟΥΝ ΤΗΝ ΑΥΞΗΣΗ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗΣ ΕΝΕΡΓΟΠΟΙΟΥΝΤΑΙ ΟΔΟΙ ΔΙΨΑΣ ΑΤΟΜΟ ΨΑΧΝΕΙ ΓΙΑ ΝΕΡΟ ΚΑΙ ΠΙΝΕΙ ΠΡΟΣΘΗΚΗ ΥΔΑΤΟΣ ΣΤΑ ΥΓΡΑ ΤΟΥ ΣΩΜΑΤΟΣ ΜΕΙΩΝΕΙ 16 ΤΗ ΣΥΓΚΕΝΤΡΩΣΗ ΤΟΥΣ

17 Η επιστήμη Φυσιολογία Πειραματικός σχεδιασμός Ανάλυση δεδομένων Ηθική του πειραματισμού 17

18 Η Φυσιολογία ακολουθεί τα βασικά βήματα της επιστημονικής μεθόδου: Παρατήρηση (και/η μελέτη υπάρχουσας γνώσης) Υπόθεση Πειραματισμός Συλλογή και ανάλυση δεδομένων (είναι επαναλήψιμα;) Συμπέρασμα: απόρριψη ή αποδοχή της υπόθεσης ΘΕΩΡΙΑ 18

19 Πειραματισμός σε ζώα και ανθρώπους οι περισσότερες γνώσεις μας προέρχονται από μελέτες σε πειραματόζωα. Σε πολλές περιπτώσεις ο πειραματισμός σε ανθρώπους είναι απαραίτητος. Δυσκολίες πειραματισμού σε ανθρώπους (συνήθως μη-επεμβατικά): μεγαλύτερη απόκλιση δεδομένων Ψυχολογικές παράμετροι Ηθικά διλήμματα (π.χ. Είναι δίκαιο να στερήσεις από σοβαρά ασθενείς μια δυνητικά θεραπευτική νέα αγωγή;) Δυσκολίες πειραματισμού σε ζώα (στον οποίο καταφεύγουμε για αποφυγή των παραπάνω προβλημάτων): δεν μπορούν να είναι τέλεια μοντέλα του ανθρώπου Ηθικά διλήμματα (π.χ. βιοποικιλότητα, ταλαιπωρία ζώων) Δυσκολίες πειραματισμού in vitro (στον οποίο καταφεύγουμε για αποφυγή των παραπάνω προβλημάτων): δεν μπορούν να αναπαραστήσουν τις ολοκληρωμένες λειτουργίες του οργανισμού ΚΑΤΑ ΤΙΣ ΕΠΙΣΤΗΜΟΝΙΚΕΣ ΑΝΑΓΚΕΣ ΕΠΙΛΕΓΕΤΑΙ ΤΟ ΚΑΤΑΛΛΗΛΟΤΕΡΟ 19

20 Σχεδιασμός πειραματικών μελετών σε ανθρώπους Τυφλή μελέτη (blind study: τα υποκείμενα δεν γνωρίζουν αν λαμβάνουν πραγματική θεραπέια (ομάδα πειράματος) ή εικονική θεραπεία (placebo, ομάδα μαρτύρων ή ομάδα ελέγχου) Διπλή τυφλή μελέτη (double blind study: υποκείμενα και θεραπευτές δεν γνωρίζουν ποιός λαμβάνει τι) Cross over study (κάθε υποκείμενο συμμετέχει και στις δύο ομάδες) Διπλή τυφλή και cross over 20

21 Ανάπτυξη νέων φαρμάκων In vitro In vivo μελέτες σε πειραματόζωα < 10% In vivo κλινικές μελέτες ανθρώπων (3 φάσεις) FDA approval21

22 Παράμετροι του πειράματος: Ανεξάρτητες vs. εξαρτημένες μεταβλητές Ελέγχονται από τον πειραματιστή Απαντούν στις ανεξάρτητες μεταβλητές: παρέχουν τα αποτελέσματα Ομάδα πειραματισμού vs. Ομάδα μαρτύρων (ελέγχου): διαφέρουν ως προς μόνο μια ανεξάρτητη μεταβλητή. Τα αποτελέσματα των πειραμάτων αναπαρίστανται συχνά σε γραφήματα που δείχνουν με σύμβολα, καμπύλες ή κολώνες τη σχέση ανεξάρτητων και εξηρτημένων μεταβλητών. Τα γραφήματα φέρουν τίτλο και μονάδες μέτρησης σε κάθε άξονα. Πολύ συχνά στη 22

23 Εξαρτημένη μεταβλητή Ανεξάρτητη μεταβλητή 23

24 Εξαρτημένη μεταβλητή Ανεξάρτητη μεταβλητή 24

25 25

26 26

27 Ποιά είναι η ανεξάρτητη μεταβλητή; (= αυτή που εμείς καθορίζουμε και τροποποιούμε) Ποιά είναι η εξηρτημένη μ. (= αυτή που απαντά στην ανεξάρτητη); 27

28 Φυσιολογία: Επίπεδα Οργάνωσης 28

29 Διαστάσεις 29

30 Επίπεδα Οργάνωσης Ατομα ΧΗΜΕΙΑ Μόρια ΜΟΡΙΑΚΗ ΒΙΟΛ. Οργανίδια ΚΥΤΤΑΡΙΚΗ Κύτταρα ΒΙΟΛΟΓΙΑ Ιστοί Όργανα ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑ Συστήματα οργάνων Οργανισμός Πληθυσμός ενός είδους ΟΙΚΟΛΟΓΙΑ Οικοσυστήματα διαφόρων ειδών Βιόσφαιρα 30

31 επαγωγή αναγωγή Επιστημονική Προσπέλαση Επίπεδα Οργάνωσης Ατομα ΧΗΜΕΙΑ Μόρια ΜΟΡΙΑΚΗ ΒΙΟΛ. Οργανίδια ΚΥΤΤΑΡΙΚΗ Κύτταρα ΒΙΟΛΟΓΙΑ Ιστοί Όργανα ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑ Συστήματα οργάνων Οργανισμός Πληθυσμός ενός είδους ΟΙΚΟΛΟΓΙΑ Οικοσυστήματα διαφόρων ειδών Βιόσφαιρα 31

32 Κύτταρο: είναι η μικρότερη δομική μονάδα που είναι ικανή να διεκπεραιώσει όλες τις λειτουργίες της ζωής είναι η βασική μονάδα σε όλα τα φυτά και τα ζώα όλοι οι οργανισμοί αποτελούνται από ένα ή περισσότερα κύτταρα. όλα τα κύτταρα προέρχονται από προϋπάρχοντα κύτταρα τα κύτταρα συμβάλλουν στη διατήρηση της ομοιόστασης. Ιστοί: Συλλογές κυττάρων που διεκπεραιώνουν σχετιζόμενες λειτουργίες (4 βασικοί: συνδετικός,επιθηλιακός, μυϊκός, νευριοκός). Συνδυαζόμενοι δημιουργούν όργανα. Συνδυασμός οργάνων δημιουργεί τα 11 συστήματα. 32

33 Φυσιολογία: Λειτουργίες συστημάτων Καρδιαγγειακό σύστημα Αναπνευστικό σύστημα Πεπτικό σύστημα Ουροποιητικό σύστημα Αναπαραγωγικό σύστημα Μυοσκελετικό σύστημα Νευρικό σύστημα Ενδοκρινικό σύστημα Ανοσοποιητικό σύστημα 33

34 ΣΧΕΣΕΙΣ ΤΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΤΟΥ ΣΩΜΑΤΟΣ Ποιά Συστήματα λείπουν; 34

35 35

36 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΕΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Καρδιαγγειακό σύστημα εσωτερική μεταφορά Αναπνευστικό σύστημα παροχή αέρα εκεί όπου γίνεται η ανταλλαγή των αερίων Πεπτικό σύστημα επεξεργασία των τροφών και απορρόφηση θρεπτικών συστατικών, αλάτων, βιταμινών και ύδατος Ουροποιητικό σύστημα αποβολή περίσσειας ύδατος, αλάτων και άχρηστων ουσιών Αναπαραγωγικό σύστημα παραγωγή φυλετικών κυττάρων και ορμονών Μυϊκό σύστημα στήριξη, κίνηση και παραγωγή θερμότητας Σκελετικό σύστημα στήριξη, προφύλαξη, αποθήκευση αλάτων και δημιουργία αίματος Νευρικό σύστημα απάντηση σε ερεθίσματα και συντονισμός δραστηριοτήτων σε άλλα όργανα Ενδοκρινικό σύστημα ρύθμιση μακροπρόθεσμων λειτουργιών Ανοσοποιητικό/λεμφικό σύστημα άμυνα σε μολύνσεις και νόσους Δέρμα προστασία και έλεγχος θερμοκρασίας 36

37 ΕΡΩΤΗΣΕΙΣ: 1. Σε κάθε κουτί αναγνωρίστε τον όρο που δεν ανήκει εκεί: Άτομο Κύτταρο Ιστός Ζωντανό Όργανο Εγκέφαλος Στόμαχος Καρδιά Ήπαρ Επιθήλιο Επιθήλιο Καρδιά Μυϊκός ιστός Νευρικός ιστός Συνδετικός ιστός Άνθρωπος Άλογο Έλατο Αμοιβάδα Γαστρεντερικό Σύστημα 2. Αναγνωρίστε το φυσιολογικό σύστημα που συνδέεται με κάθε λειτουργία ή όργανο θέτοντας το κατάλληλο γράμμα στην. Κ = καρδιαγγειακό Π = Πεπτικό Ε = ενδοκρινικό Δ = δέρμα (καλυπτικό) ΑΠ = αναπαραγωγικό Α= αναπνευστικό Λ = λεμφικό Μ = Μυϊκό Σ = σκελετικό Ο = ουροποιητικό 37

38 Απαλλάσσει το σώμα από αζωτούχα απόβλητα. Επηρεάζεται από την αφαίρεση του θυρεοειδούς αδένα. Παρέχει στήριξη και μοχλούς επι των οποίων μπορεί να δρά το μυϊκό σύστημα. Περιλαμβάνει την καρδιά. Προστατεύει τους υποκείμενους ιστούς από την αφυδάτωση. Protects the body, destroys bacteria and tumor cells. Διασπά τις τροφές σε μικρά τμήματα, τα οποία μπορούν να απορροφηθούν. Απομακρύνει το διοξείδιο του άνθρακα από το αίμα. Μεταφέρει οξυγόνο και θρεπτικές ουσίες στους ιστούς. Κινεί τα άκρα και επιτρέπει τις εκφράσεις του προσώπου. Συγκρατεί τα υγρά του σώματος και αποβάλλει τα περιττά. Παρέχει τη σύλληψη και την γέννηση παιδιών. Ελέγχει το σώμα με χημικές ουσίες αποκαλούμενες ορμόνες. Υφίσταται βλάβη όταν κόβεται το δάκτυλό σας ή στα εγκαύματά από τον ήλιο. Επαναφέρει τα περισσά υγρά των ιστών στο αίμα Περιλαμβάνει τον στόμαχο, τα έντερα, το ήπαρ, το πάγκρεας, τη χολή 38 κ.α.

39 Physiology: Evolving, Not Declining Dee U. Silverthorn Table 1. Key Concepts in Biology. Scientific Foundations for Future Physicians (Howard Hughes Medical Institute and the Association of American Medical Colleges) (14) Vision and Change (National Science Foundation and American Association for the Advancement of Science) (23) The 2010 Advanced Placement Biology Curriculum (College Board) (9) Structure/function from molecules to organisms Structure and function (anatomy and physiology) Relationship of structure to function Physical and chemical principles applied to living systems Pathways and transformations of energy and matter Energy transfer Biomolecules and their functions Information flow, exchange and storage Continuity and change Organisms sense and control their internal environment and respond to external change. Systems Regulation ( a state of dynamic balance ) Evolution as an organizing principle Evolution Evolution 39

40 Βασικές Αρχές» της Φυσιολογίας» 1: Εξέλιξη. Παρέχει μια επιστημονική εξήγηση για την ιστορία τςη ζωής πάνω στη γή και τους μηχανισμούς με τους οποίους προέκυψαν οι οι αλλαγές στη ζωή. 2: Οικοσυστήματα και περιβάλλοντα. Η ζωή υπάρχει μέσα σε ένα οικοσύστημα αποτελούμενο από το φυσικοχημικό περιβάλλον και άλλους βιολογικούς οργανισμούς. 3: Αιτιακοί μηχανισμοί. Οι ζώντες οργανισμοί είναι αιτιακοί μηχανισμοί των οποίων οι λειτουργίες κατανοούνται με εφαρμογή των νόμων φυσικής και χημείας. 4: Το κύτταρο Είναι η βασική μονάδα ζωής. 5: Σχέσεις δομής/λειτουργίας. Η κατανόηση της συμπεριφοράς ενός οργανισμού απαιτεί κατανόηση της σχέσης δομής/λειτουργίας (σε κάθε ένα από τα επίπεδα οργάνωσης) 6: Επίπεδα οργάνωσης. Οι ζώντες οργανισμοί διεκπεραιώνουν ταυτόχρονα λειτουργίες σε διαφορετικά επίπεδα οργάνωσης 7: Ροή πληροφοριών Η ζωή απαιτεί την ανταλλαγή πληροφοριών μέσα και ανάμεσα στα κύτταρα και ανάμεσα στο περιβάλλον και τους οργανισμούς. 8: μεταφορά ύλης/ενέργειας και μεταμορφώσεις Οι ζωντανοί οργανισμοί πρέπει να προσλαμβάνουν ύλη και ενέργεια από τον εξωτερικό κόσμο και να τα μετασχηματίζουν με ποικίλους τρόπους ώστε να αναπτυχθεί ο οργανισμός και να παράγει έργο. 40 9: Ομοιόσταση. Η ομοιόσταση )και η σταθερότητα γενικότερα διατηρεί

41 Θέματα-κλειδιά στη Φυσιολογία 1. Ομοιόσταση: Διατήρηση των παραμέτρων του εσωτερικού περιβάλλοντος εντός στενών ορίων. Τα συστήματα στο σώμα μας συνεργάζονται ώστε να προστατεύουν την ομοιόσταση από εσωτερικές και εξωτερικές προκλήσεις 2. Επικοινωνία: (από το ενδοκυττάριο και διαμεμβρανικό επίπεδο μέχρι εκείνο του οργανισμού) Είναι ζωτικής σημασίας στην σύνθεση και ολοκληρωση των λειτουργιών και στην ομοιόσταση. Κύτταρα επικοινωνούν με άλλα κύτταρα, ιστούς και όργανα 3. (Διαμερισματοποίηση του σώματος και του κυττάρου και) Ροή ενέργειας και διατήρηση της μάζας 41

42 1. Ομοιόσταση = Η διατήρηση του εσωτερικού περιβάλλοντος σε σχετική σταθερότητα (όμοιος + στάσις). Απουσία ομοιόστασης = ασθένεια. Όρος επινοηθείς το 1929 από τον Walter B. Cannon ( ), Ως έννοια όμως μπορεί να ανιχνευθεί σε πολύ παλαιότερα κείμενα από τον Ιπποκράτη μέχρι τον βυζαντινό ιατροφιλόσοφο Μιχαήλ Ψελλό [ ], ο οποιος έγραψε: «υγείας αίτιον και συνεκτικόν η των δυνάμεων ισονομία... Όταν δε τούτων εν καταδυναστεύση των άλλων, η νόσος γίνεται».. Ο Γάλλος Claude Bernard ( ) (που θεωρείται ο πατέρας της σύγχρονης Φυσιολογίας) παρατήρησε ότι το εσωτερικό μας περιβάλλον παραμένει εξαιρετικά σταθερό παρά τις αλλαγές συνθηκών στο εξωτερικό περιβάλλον. Ο αμερικανός Cannon στη συνέχεια αυτών των ιδεών πρότεινε 4 βασικές έννοιες (1932): οτι το νευρικό σύστημα έχει ρυθμιστικό ρόλο στο εσωτερικό περιβάλλον ότι υπάρχει τονική ρύθμιση συνεχής, όχι δυαδική ότι υπάρχει ανταγωνιστικός έλεγχος π.χ. ινσουλίνη και γλυκαγόνη ότι τα χημικά μηνύματα δυνατόν να έχουν διαφορετικά αποτελέσματα σε42

43 Η Φυσιολογία επικεντρώνεται στην ομοιόσταση, δηλαδή τη δυναμική διαδικασία διατήρησης των παραμέτρων του εσωτερικού περιβάλλοντος εντός στενών ορίων (σε σταθερή κατάσταση, όχι απλή ισορροπία, βλ. παρακάτω). Παραδείγματα ζωτικών παραμέτρων: θερμοκρασία σώματος, αρτηριακή πίεση, όγκος καρδιακού παλμού, χημική σύσταση του σώματος (ιόντα, γλυκόζη, πρωτείνες κ.α.), οσμωτικότητα, περιεκτικότητα ιστών σε Ο2 και CO2, οξεοβασική ισορροπία. Εσωτερικό περιβάλλον του οργανισμού είναι το εξωκυττάριο υγρό. ΕΣΩΤΕΡΙΚΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ 37ο C Χημική σύσταση σταθερή Εντροπία χαμηλή ΕΞΩΤΕΡΙΚΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ 20ο C Χημική σύσταση ποικίλη Εντροπία υψηλή 43

44 Υλικά εισέρχονται και εξέρχονται του σώματος Τα περισσότερα κύτταρα δεν επικοινωνούν απ ευθείας με το εξωτερικό περιβάλλον. Περιβάλλονται από το εξωκυττάριο υγρό = ΕΣΩΤΕΡΙΚΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ Εξωτερικό περιβάλλον κ. ανταλλαγής Ενδοκυττάριο υγρό Εξωκυττάριο υγρό ΤΟ ΕΣΩΤΕΡΙΚΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ Προστατευτικά κ. 44

45 ΤΟ ΕΣΩΤΕΡΙΚΟ 45 ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ

46 Συστήματα σώματος Συ να πο ΟΜΟΙΟΣΤΑΣΗ Επιτυγχάνουν την τε λο ύν τα ν ε ί ε ρ η τ τα ή ζω Δι α κύτταρα Η ομοιόσταση είναι απαραίτητη για την επιβίωση των κυττάρων και κάθε κύτταρο μέσω των ειδικών δράσεών του συμβάλλει ως μέρος ενός συστήματος του οργανισμού στη διατήρηση του εσωτερικού περιβάλλοντος, το οποίο απολαμβάνουν όλα τα κύτταρα. Κυτταρική ομοιόσταση = διατήρηση της σύστασης του ενδοκυττάριου υγρού Ομοιόσταση οργανισμού διατήρηση της σύστασης του εξωκυττάριου υγρού Παράδειγμα: Αύξηση εξωκυττάριου [Κ+] εκπόλωση καρδιακών κυττάρων 46 ινιδισμοί και υπέρμετρη ταχυ-αρρυθμία κίνδυνος θανάτου

47 Συστατικά ενός φυσιολογικού συστήματος: αισθητήρες, κέντρο ελέγχου, εκτελεστές εκτελεστές Ολοκλήρωση πληροφοριών. Κέντρο ελέγχου /ανατροφοδότησης αισθητήρες εκτελεστές Αύξηση Φυσιολογική Διακύμανση Μείωση 47

48 Απαντήσεις σε ερεθίσματα: τοπικές (παρακρινείς, αυτοκρινεις) αντανακλαστικές μέσω απομακρυσμένων κέντρων (νευρικό, ενδοκρινικό, κυτταροκίνες) 48

49 ΥΠΟΔΟΧΕΙΣ Διαφοροποιημένες πρωτεινες μέσα σε κύτταρα ή στις μεμβράνες τους. Διαφοροποιημένα κύτταρα ή τμήματά τους. Για τη μεταγωγή διάφορων ερεθισμάτων σε νευρικά σήματα οφθαλμοί Χημειο-υποδοχείς (ph, αέρια, ουσίες) Οσμο-υποδοχείς Θερμο-υποδοχείς Βαρο-υποδοχείς Ιδιο-υποδοχείς Αλλοι μηχανο-υποδοχείς (πόνου, ταλάντωσης, αφής) 49

50 Οι πιγκουίνοι συναθροίζονται για να ζεσταθούν... Εμείς; 50

51 Ομοιοστατικός Έλεγχος Θερμοκρασίας Θερμοϋποδοχείς στον υποθάλαμο (ανιχνεύουν τη θ. του αίματος) Θερμοϋποδοχείς στο δέρμα (ανιχνεύουν τη θ. περιβάλλοντος) Θερμορυθμιστικό κ. υποθαλάμου Λείοι μύες αρτηριδίων Ιδρωτοποιοί αδένες Ανορθωτήρες τριχών Σκελετικοί μύες Επινεφρίδια, Συστολή ή διαστολή Εφίδρωση Ανατρίχιασ μα τρόμος Μεταβολισμός 51 θυρεοειδής

52 Γλυκογόνο η ν ί λ υ ο Ινσ Γλυκόζη στο αίμα Αν αυξηθεί πολύ η γλυκόζη του αίματος, η ινσουλίνη μετατρέπει μέρος της σε γλυκογόνο 52

53 Γλυκογόνο Γλυκαγόνη Γλυκόζη στο αίμα Αν ανεπαρκεί η γλυκόζη στο αίμα, η γλυκαγόνη μετατρέπει μέρος του γλυκογόνου σε γλυκόζη 53

54 ΟΜΟΙΟΣΤΑΣΗ ΤΗΣ ΓΛΥΚΟΖΗΣ 54

55 Διαβήτης Μερικοί άνθρωποι δεν παράγουν αρκετή ινσουλίνη Όταν λαμβάνουν τροφή τα επίπεδα γλυκόζης στο αίμα τους δεν μπορούν να μειωθούν. Αυτή η κατάσταση ονομάζεται ΔΙΑΒΗΤΗΣ. Οι διαβητικοί ίσως απαιτείται να ενέσουν ινσουλίνη στο αίμα τους. Πρέπει να προσέχουν τη δίαιτά τους. 55

56 Συγκέντρωση γλυκόζης Τα επίπεδα γλυκόζης αυξάνουν μετά ένα γεύμα Παράγεται ινσουλίνη και τα επίπεδα γλυκόζης επανέρχονται στο φυσιολογικό. Φυσιολογικά γεύμα Χρόνος 56

57 Συγκέντρωση γλυκόζης Τα επίπεδα γλυκόζης αυξάνουν μετά ένα γεύμα Διαβήτης Δεν παράγεται ινσουλίνη και τα επίπεδα γλυκόζης παραμένουν υψηλά Χρόνος γεύμα 57

58 Γλυκογόνο η ν ί λ υ ο Ινσ Γλυκόζη στο αίμα But there is no Χωρίς insulin to convert ινσουλίνη η it into glycogen. συγκέντρωση γλυκόζης ανέρχεται σε επικίνδυνα επίπεδα 58

59 Όργανα συμμετέχοντα στην ομοιόσταση του ασβεστίου και ημερήσιος κύκλος των επιπέδων του 8 6 Ca++ Mm Hour

60 Η Ομοιόσταση 1. είναι δυναμική ισορροπία παρά την πληθώρα ερεθισμάτων διατηρούμενη με (συνήθως) αρνητική ανατροφοδότηση (και σπανιότερα θετική) 60

61 ΒΑΣΙΚΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ ΕΝΟΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΑΝΑΤΡΟΦΟΔΟΤΗΣΗΣ 1. Ενας υποδοχέας ανιχνεύει αλλαγές (ερεθίσματα) παραμέτρους του σώματος 2. Ενα κέντρο ελέγχου καθορίζει ένα σημείο και τα όρια φυσιολογική διακύμανσης, διαπιστώνει αν η αλλαγή ξεπέρασε τα όρια και επιλέγει την απάντηση που θα επαναφέρει τη παράμετρο στα όρια 3. Ενας εκτελεστής που θα προκαλέσει την επαναφορά στα όρια 61

62 Αρνητική ανατροφοδότηση Θετική ανατροφοδότηση Αρχικό ερέθισμα Αρχικό ερέθισμα απάντηση απάντηση + ερεθίσματος ερεθίσματος Εξωτερικός Παράγων που τερματίζει τον 62 +

63 Αρνητική ανατροφοδότηση Μειονεκτήματα αρνητικής ανάδρασης Ο έλεγχος ξεκινά μετά την αλλαγή της μεταβλητής μικρή καθυστέρηση Η διόρθωση βασίζεται στο μήνυμα λάθους και έτσι μπορεί να είναι ατελής ή και υπέρμετρη ταλαντώσεις της μεταβλητής. 63

64 Αρνητική ανατροφοδότηση: Αλλαγές στην αρτηριακή πίεση παρακολουθούνται από τους τασεοϋποδοχείς στις μεγάλες αρτηρίες και μέσω ελέγχου του ΝΣ κατάλληλες αλλαγές στη καρδιά τείνουν να τις ανατρέψουν και να διατηρήσουν την ομοιόσταση 64

65 Αρνητική ανατροφοδότηση: ρυθμιστικός μηχανισμός κατα τον οποίο μια αλλαγή σε μια ελεγχόμενη παράμετρο προκαλεί μια απάντηση η οποία αντιρροπεί την αλλαγή. 65

66 Αρνητική ανατροφοδότηση: ρύθμιση των επιπέδων γλυκόζης στο αίμα 66

67 Θετική ανατροφοδότηση: Ρυθμιστικός μηχανισμός κατά τον οποίο η απάντηση σε ένα ερέθισμα προκαλεί παραπέρα απομάκρυνση της αλλαγμένης παραμέτρου από τα τεθέντα όρια. Θετικές ανατροφοδοτήσεις σπάνια συμμετέχουν στην ομοιόσταση. Συνήθως υποστηρίζουν ειδικούς μηχανισμούς, οι οποίοι είναι βραχύβιοι: τερματίζονται από ειδικό γεγονός που προκαλούν, όταν αυτό υπερβεί ένα τεθέν όριο. 67

68 1. Σχάση του αγγειακού τοιχώματος Θετική Ανατροφοδότηση Αιμοπετάλεια κολλούν στο εκτεθειμένο κολλαγόνο πήγμα και 3. απελευθερώνουν ουσίες που προσελκύουν και άλλα αιμοπετάλια μέχρι που 4. Το τραύμα του αγγείου κλείνει και σταματά το ερέθισμα που προσήλκυε τα αιμοπετάλια 68

69 Θετική ανατροφοδότηση - 2 διέγερση ουδός Δυναμικό ηρεμίας επαναπόλωση 69

70 Θετική Ανατροφοδότηση

71 ΚΝΣ ερέθισμα Προσαγωγοί νευρώνες ΕΛΕΓΧΟΣ ΟΜΟΙΟΣΤΑΣΗΣ ΑΠΟ ΤΟ ΝΕΥΡΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ Απαγωγοί νευρώνες Νευρώνες ΑΝΣ Αισθητικοί υποδοχείς Σωματικοί κινητικοί νευρώνες Συμπαθητικό Σ Παρασυμπαθητικό Σ ερ έθι σ μα Λείοι μύες Καρδιακός μύς Εξοκρινείς αδένες Ενδοκρινείς αδένες Λιπώδεις ιστοί ΕΝΤΕΡΙΚΟ Σ. Απαντήσεις ιστών Σκελετικοί μύες 71

72 ΤΟΝΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΟΜΟΙΟΣΤΑΣΗΣ (της διαμέτρου των αγγείων και άρα της αρτηριακής πίεσης, της θερμορύθμισης κ.α.) Ηλεκτρικά μηνύματα από το νευρώνα χρόνος Μέτρια συχνότητα μηνύματος Αλλαγή συχνότητας Αγγειοσύσπαση χρόνος Αυξημένη συχνότητα χρόνος Μειωμένη συχνότητα Αγγειοδιαστολή 72

73 Παρασυμπαθητικός νευρώνας ΑΝΤΑΓΩΝΙΣΤΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ Συμπαθητικός ΟΜΟΙΟΣΤΑΣΗΣ νευρώνας (του καρδιακού ρυθμού) Συμπαθητικός νευρώνας Παρασυμπαθ. νευρώνας Μείωση καρδιακού ρυθμού Αύξηση καρδιακού ρυθμού 73

74 Έλεγχος προς τα πρόσω: Επιτρέπει στο σώμα να προβλέπει την έλευση μιας αλλαγής. Η διαδικασία απάντησης αρχίζει περιμένοντας την αλλαγή π.χ. Όραση, οσμή ή σκέψη τροφής Έγκαιρη έναρξη διεργασιών ομοιόστασης ΣΥΝΤΟΝΙΣΜΟΣ ΤΗΣ ΟΜΟΙΟΣΤΑΣΗΣ Βιολογικοί ρυθμοί Ημερήσιος κύκλος εξελικτική προσαρμογή στην ημέρα των 24 ωρών και στις εποχές του έτους. Προβλεπτικός μηχανισμός Ετοιμάζει τον οργανισμό για ένα αναμενόμενο stress Βηματοδοτείται ενδογενώς αλλά υπόκειται σε τροποποίηση από σήματα του περιβάλλοντος (φως). Βηματοδότες: υπερχιασματικός πυρήνας, κωνάριο και μελατονίνη 74

75 Χαρακτηριστικά Συστημάτων Ελέγχου Ειδικότητα μεγαλύτερη στο νευρικό από ότι στο ενδοκρινικό tissues can respond simultaneously. Φύση του μηνύματος ηλεκτρικό ή χημικό στο νευρικό, χημικό στο ενδοκρινικό. Ταχύτητα Ταχύτατα τα νευρικά αντανακλαστικά (μέχρι120 m/s). Αργά του ενδοκρινικού (min έως hr). Διάρκεια δράσης Συντομότερη στο νευρικό όπου οι νευροδιαβιβαστές απενεργοποιούνται ταχύτατα ώστε τα σήματα επαναλαμβάνονται πολλαπλώς. Κωδικοποίηση της έντασης του ερεθίσματος συχνότητα του σήματος στο νευρικό, επίπεδα ορμονών στο ενδοκρινικό. 75

76 Οργανισμός σε ομοιόσταση Εξωτερική Αλλαγή Εσωτερική αλλαγή Εσωτερική αλλαγή οδηγεί σε απώλεια της ομοιόστασης Ο οργανισμός προσπαθεί να αντιρροπήσει Η αντιρρόπηση αποτυγχάνει ασθένεια η αντιρρόπηση επιτυγχάνει υγεία 76

77 2. Eπικοινωνία Υπάρχουν δύο βασικοί τύποι φυσιολογικών σημάτων διακυτταρικής επικοινωνίας: ηλεκτρικά χημικά Υπάρχουν τρείς τρόποι διακυτταρικής επικοινωνίας: 1. Αμεση μεταφορά μέσω χασματικών συνδέσεων 2. Τοπική χημική επικοινωνία (παρακρινή μηνύματα απο νευροτροποποιητές, κυτταροκίνες, εικοσανοειδή κ.α.) 3. Επικοινωνία απο απόσταση 77

78 Διακυτταρική επικοινωνία Χασματοσυνδέσεις ορμόνη άμεση Αυτοκρινή και παρακρινή σήματα τοπική υποδοχέας νευροδιαβιβαστής Νευροορμόνη Απο απόσταση 78

79 Κυτταρικοί υποδοχείς - στόχοι 79

80 4 κατηγορίες μεμβρανικών υποδοχέων Υποδοχέας διαθέτων ιονοφόρο Υποδοχέας συνδεδεμένος με Υποδοχέας επηρεάζων το μεταβολισμό Υποδοχέας 80 συνδεδεμένος με

81 Μεμβρανική μεταγωγή σήματος 81

82 ΑΝΤΑΓΩΝΙΣΤΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ Κύριος (Ενδογενής) δεσμευτής Απάντηση Αγωνιστής Ανταγωνιστής Μη-απάντηση 82

83 Η ΑΠΑΝΤΗΣΗ ΤΟΥ ΣΤΟΧΟΥ ΕΞΑΡΤΑΤΑΙ ΑΠΟ ΤΟΥΣ ΥΠΟΔΟΧΕΙΣ ΤΟΥ Το αγγείο συσπάται α-υποδοχέας Επινεφρίνη β-υποδοχέας Αιμοφόρα αγγεία Το αγγείο διαστέλλεται 83

84 Κίνηση ιόντων δημιουργεί ηλεκτρικά σήματα που επάγουν λειτουργικές αλλαγές 84

85 Εμμεση αλλαγή της διαβατότητας διαύλων 85

86 Ενδοκυττάρια ενίσχυση του σήματος 86

87 87

88 Ενδοκυττάριος «καταρράκτης» αντιδράσεων σε ένα σήμα 88

89 Ενδοκυττάριοι δεύτεροι και τρίτοι μηνύτορες 89

90 Πολλαπλές δράσεις εξω- και ενδοκυττάριου μηνύτορα 90

91 Συνδυασμός μηνυμάτων. Σύγκλιση και απόκλιση. 91

92 Φυσικό ανάλογο ποίας επικοινωνίας; - νευρωνικής; - ορμονικής; 92

93 3. Eνέργεια Ροή ενέργειας και ο νόμος διατήρησης της μάζας Όλες οι διαδικασίες επιβίωσης απαιτούν σταθερή εισροή ενέργειας. Από πού; Πώς αποθηκεύεται; Πώς χρησιμοποιείται για την παραγωγή έργου; Ποιές οι κύριες πηγές εισροής; Κύριες οδοί εκροής; Συνολικό ποσό μιας ουσίας στο σώμα = εισροές + παραγωγή εκροές Δώστε παραδείγματα ουσιών που διατηρούνται σε σταθερά ποσά 93

94 Σωματικοί Παράγοντες Δίαιτα Φύλλο & ηλικία Μέγεθος σώματος Υγεία Κιρκαδικό στάδιο Φύση του Έργου Ένταση Διάρκεια Τεχνική Θέση Ρυθμός Πρόγραμμα Εκπαίδευση / Προσαρμογή Υποστηρικτικές λειτουργίες 1. Καύσιμα α) εισροή β) εκροή γ) κινητοποίηση 2. Πρόσληψη οξυγόνου α) αερισμός πνευμόνων β) καρδιακή εξώθηση γ) εξαγωγή οξυγόνου 3. Συστήματα Ελέγχου Ψυχικοί Παράγοντες Διάθεση Εγρήγορση κινητοποίηση Περιβάλλον Υψόμετρο Υψηλό βαρομετρικό Ψύχος Ζέστη Υγρασία Βαρύτης Διαδικασίες που αποδίδουν ενέργεια Φυσική απόδοση / επιβίωση 94

95 1. Καύσιμα α) εισροή β) εκροή γ) κινητοποίηση 2. Πρόσληψη οξυγόνου α) αερισμός πνευμόνων β) καρδιακή εξώθηση γ) εξαγωγή οξυγόνου Διαδικασίες που αποδίδουν ενέργεια Η ικανότητα των μυών να μετατρέπουν χημική ενέργεια σε μηχανική ενέργεια στηρίζεται στην ικανότητα των ολοκληρωμένων φυσιολογικών 95 συστημάτων να αποδίδουν οξυγόνο στα μυϊκά κύτταρα

96 Η ικανότητα των μυών να μετατρέπουν χημική ενέργεια σε μηχανική ενέργεια στηρίζεται στην ικανότητα των ολοκληρωμένων φυσιολογικών συστημάτων να αποδίδουν οξυγόνο στα μυϊκά κύτταρα. Ενέργεια Χωρίς καταλύτη Με καταλύτη ΔG = Ενέργεια Ενεργοποίησης Οδός βιοχημικής αντίδρασης 96

97 Ενεργειακός Μεταβολισμός στα κύτταρα Υδατάνθρακες Λίπη Πρωτείνες Σάκχαρα Λιπαρά οξέα Αμινοξέα ATP ATP + H2O ADP + Pi + H+ + 7 kcal/mole Αναερόβιος μεταβολισμός Γλυκόλυση γλυκόζη γλυκόζη-6-φωσφορικό 2 πυροσταφιλικό Οι αντιδράσεις γίνονται στο κυτταρόπλασμα Απουσία O2 αποδίδει 2 ATP μόρια/γλυκόζη + 2 ATP Αερόβιος μεταβολισμός Οξυδωτική φωσφορυλίωση Οι αντιδράσεις γίνονται στα μιτοχόνδρια παρουσία O2 Σχηματισμός H2O from H+ (κύκλος Krebs) και O2 ATP Αποδίδει 38 ATP μόρια/γλυκόζη 97

98 10 μ. συστολές 50 μ. συστολές 400 μ. συστολές 98 απεριόριστες

99 ΑΛΛΑΓΗ, ΙΣΟΡΡΟΠΙΑ και ΣΤΑΘΕΡΗ ΚΑΤΑΣΤΑΣΗ Στη σύγκλιση των εννοιών της ομοιόστασης και της ροής της ενέργειας στον οργανισμό θα πρέπει να διευκρινίσουμε δύο ακόμη έννοιες που συχνά συγχέονται. Κατ αρχάς και η ισορροπία (equilibrium, balance) και η σταθερή κατάσταση (steady state) δεν νοούνται ως έλλειψη μεταβολής. [Ισα-ίσα η Ηρακλείτεια συνεχής μεταβολή αποτελεί προϋπόθεση και χαρακτηριστικό της ζωής που την ξεχωρίζει από το θάνατο.] Σε μια σταθερή κατάσταση ναι μεν δεν υπάρχει με το χρόνο αλλαγή στις συγκεντρώσεις των ειδικών συστατικών του συστήματος, αλλά αυτό συμβαίνει επειδή παράγονται και καταβολίζονται με σταθερές ταχύτητες. Για παράδειγμα η συγκέντρωση του ΑΤΡ σε ένα κύτταρο παραμένει σταθερή γιατί παράγεται και καταβολίζεται με σταθερές ταχύτητες και όχι επειδή υπάρχει σε χημική ισορροπία. Σε μια ισορροπία μια διεργασία ή αντίδραση συμβαίνει με την ίδια ταχύτητα και προς τις δύο κατευθύνσεις της, έτσι ώστε στο χρόνο δεν υπάρχει καθαρή αλλαγή στη σύσταση του συστήματος. Για παράδειγμα το ύδωρ μπορεί να ευρίσκεται σε ισορροπία με τους ηλεκτρολύτες του και επίσης κατά το δυναμικό ισορροπίας του Κ+ μιας κυτταρικής μεμβράνης (~80mV) το ρεύμα από την έξοδο Κ+ από το κύτταρο λόγω της χημικής του κλίσης ισούται προς το αντιθέτου φοράς ρεύμα εισόδου του Κ+ λόγω της ηλεκτρικής του κλίσης. Χημική Ισορροπία ύδατος Σταθερή κατάσταση ΑΤΡ 99

100 Χημική ισορροπία (Chemical equilibrium). Ενα βάζο με απεσταγμένο νερό έχει τα μόρια ύδατος και των ιοντικών προϊόντων του σε μια χημική ισορροπία. Χωρίς την παροχή ενέργειας στο σύστημα, παραμένει αμετάβλητο. Αλλάξτε το σύστημα προσθέτοντας HCl και η ισορροπία θα αλλάξει. Ομως σε βραχύ χρονικό διάστημα συμβαίνει πλήρης ιονισμός του HCl και έχετε ξανά μια χημική ισορροπία (με υψηλότερη συγκέντρωση ιόντων υδρογόνου, δηλαδή χαμηλότερο ph). Η έννοια κλειδί εδώ είναι ότι κάθε σύστημα είναι στην πλέον σταθερή κατάσταση όταν η ελεύθερη ενέργεια υπό τρέχουσες συνθήκες είναι χαμηλότερη. Όταν επιτευχθεί η κατάσταση αυτή, το σύστημα είναι σε ισορροπία. Σταθερή κατάσταση (Steady state, dynamic equilibrum) Σε μια σταθερή κατάσταση αντίθετα ενέργεια εισάγεται συνεχώς στο σύστημα με σκοπό να το διατηρήσει σε υψηλότερη ελεύθερη ενέργεια από ότι σε ισορροπία. Ενας οργανισμός λέγεται συχνά οτι ευρίσκεται σε σταθερή κατάσταση και ο όρος χρησιμοποιείται εναλλακτικά με αυτόν τη ομοιόστασης. Ομως ενώ ο όρος ομοιόσταση αναφέρεται σε ολόκληρο το εσωτερικό περιβάλλον του οργανισμού, ό όρος σταθερή κατάσταση μπορεί και να περιοριστεί στην περιγραφή ειδικών μηχανισμών. Ενα κύτταρο είναι σε ομοιόσταση επειδή κάθε μηχανισμός που το κρατά ζωντανό ευρίσκεται σε σταθερή κατάσταση. Για παράδειγμα το ένζυμο Να+ - Κ+ AΤΡάση (η αντλία νατρίουκαλίου) χρησιμοποιεί ενέργεια από τη διάσπαση του ΑΤΡ για να ανταλλάξει Να+ με Κ+, κρατώντας έτσι σταθερά την (υψηλή) συγκέντρωση του Κ+ εντός του κυττάρου. Η [Κ+]εντός λέμε οτι βρίσκεται σε σταθερή κατάσταση. 100

101 Συνοπτικά: Χαρακτηριστικά χημικής ισορροπίας: Οι συνθήκες εντός του συστήματος είναι σταθερές Ελεύθερη ενέργεια ούτε εισέρχεται ούτε εξέρχεται από το σύστημα Διαχρονικά η ό,ποια διαφορά στην εντροπία (κατάσταση αταξίας) ανάμεσα στο σύστημα και το εξωτερικό περιβάλλον τείνει να εξαφανιστεί. Χαρακτηριστικά σταθερής κατάστασης: Οι συνθήκες εντός του συστήματος είναι σταθερές Ελεύθερη ενέργεια συνεχώς παρέχεται στο σύστημα Διαχρονικά το σύστημα διατηρείται σε κατάσταση υψηλότερης τάξης (μικρότερης εντροπίας) σε σύγκριση με το περιβάλλον του. 101

102 Τι είναι Ζωή; ΖΩΗ είναι η ιδιότητα ή ικανότητα που ξεχωρίζει τους έμβιους οργανισμούς από τους άβιους ή νεκρούς και από την αδρανή ύλη και η οποία εκφράζεται με ενδογενείς λειτουργίες όπως: Ο μεταβολισμός Η ανάπτυξη Η αναπαραγωγή Η απάντηση σε ερεθίσματα Η προσαρμογή στο περιβάλλον 102

103 Τι είναι Φυσιολογία; Φυσιολογία είναι: η μελέτη των διεργασιών της ζωής του πώς οι ζωντανοί οργανισμοί λειτουργούν σε πολλά επίπεδα: μορίων, κυττάρων, οργάνων, συστημάτων και οργανισμού του πώς απαντούν σε φυσικές δραστηριότητες και αλλαγές στο περιβάλλον του πώς το γονιδίωμα μεταφράζεται σε λειτουργία σε διαφορετικά επίπεδα 103