ΕΙΣΑΓΩΓΗ στη ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑ

Πανεπιστήμιο Πατρών Τμήμα Ιατρικής Εργαστήριο Φυσιολογίας 13.02.2013 ΕΙΣΑΓΩΓΗ στη ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑ Φ. Αγγελάτου Καθηγήτρια Φυσιολογίας rangel@med.upatras.gr 1

ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑ Ι Διδακτέα Ύλη Διδάσκοντες Εισαγωγή στη Φυσιολογία (2h) Μεμβρανικά Δυναμικά (8h) & Διεγερσιμότητα Φυσιολογία Μυϊκού Κυττάρου Φυσιολογία Μεμρανών (2h) Φ. Αγγελάτου Κ. Παπαθεοδωρόπουλος Στ. Ταραβήρας Φυσιολογία Αίματος (8h) Στ. Ταραβήρας Καρδιαγγειακό σύστημα (28h) Φ. Αγγελάτου Αναπνευστικό σύστημα (18h) Γ. Σταθόπουλος

Βιβλιογραφία: Προαπαιτούμενες γνώσεις Συγγράμματα προηγουμένων ετών (Ανατομία, Βιολογία, Βιοχημεία κ.α.) Συγγράμματα Πρωτότυπες εργασίες Ανακοινώσεις συνεδρίων Συγγράμματα Φυσιολογίας: 1. W. Boron & E. Boulpaep: Ιατρική Φυσιολογία, (Κυτταρική και Μοριακή Προσέγγιση) Εκδ. Πασχαλίδη ) 2. Berne RM and Levy MN Αρχές Φυσιολογίας. Ελληνική μετάφραση. Παν Εκδόσεις Κρήτης κεφ. 1-3, σελ. 3-52 3. 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 2001 5. Despopoulos and S. Silbernagl 2003, Color Atlas of Physiology, Thieme 5 th edition. Pages 1-41. [και Ελληνική μετάφραση της 2 ης εκδ], Ιατρικές Εκδόσεις Λίτσα. + Σημειώσεις διδασκόντων για παραδόσεις ή εργαστήρια 3

ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟΙ ΣΤΟΧΟΙ ΕΞΕΤΑΣΤΕΑ ΥΛΗ ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ ΠΑΡΑΔΟΣΕΙΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑ 4

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» www.faseb.org/aps/careerfi.htm 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 με: Γραμματεία Φυσιολογίας Κα Γ. Παπασπύρου: 2610-969155 Φ. Αγγελάτου rangel@med.upatras.gr 5

6

7

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

Tι είναι Φυσιολογία; Ιπποκράτης (460-377πχ): Η θεραπευτική ισχύς της φύσης Αριστοτέλης(384-322πχ): Γνώση της Φύσης των όντων Claude Bernard (1813-1878): 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

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. 10

Παραδείγματα Φυσιολογικών Λειτουργιών 11 Πηγή: http://www.willamette.edu/~stas/physiology/handouts/

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 : 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. 12

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. παρακάτω) απαιτείται η κατανόηση των φυσιολογικών παραμέτρων και μηχανισμών οι οποίοι μπορούν να τροποποιηθούν 13

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

Επίπεδα Οργάνωσης του ζώντος οργανισμού ΧΗΜΕΙΑ ΜΟΡΙΑΚΗ ΒΙΟΛ. ΚΥΤΤΑΡΙΚΗ ΒΙΟΛΟΓΙΑ ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑ Άτομα Μόρια Οργανίδια Κύτταρα Ιστοί Όργανα Συστήματα οργάνων Οργανισμός Πληθυσμός ενός είδους ΟΙΚΟΛΟΓΙΑ Οικοσυστήματα διαφόρων ειδών Βιόσφαιρα 15

Κύτταρο: μικρότερη δομική μονάδα που είναι ικανή να διεκπεραιώσει. όλες τις λειτουργίες της ζωής 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, νευρικός). Συνδυαζόμενοι δημιουργούν όργανα. Συνδυασμός οργάνων δημιουργεί τα Συστήματα. 16

Φυσιολογία: Επίπεδα Οργάνωσης 17

Φυσιολογία: Λειτουργίες συστημάτων Καρδιαγγειακό σύστημα Αναπνευστικό σύστημα Πεπτικό σύστημα Ουροποιητικό σύστημα Αναπαραγωγικό σύστημα Μυοσκελετικό σύστημα Νευρικό σύστημα Ενδοκρινικό σύστημα Ανοσοποιητικό σύστημα 18

ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΕΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ Καρδιαγγειακό σύστημα μεταφορά ουσιών σε όλο το σώμα Αναπνευστικό σύστημα ανταλλαγή των αερίων Ο2 και CO2μεταξύ εσωτερικού και εξωτερικού περιβάλλοντος Πεπτικό σύστημα επεξεργασία των τροφών και απορρόφηση θρεπτικών συστατικών, αλάτων, βιταμινών και ύδατος Ουροποιητικό σύστημα Διατήρηση ύδατος και αλάτων στο εσωτερικό περιβάλλον. Αποβολή περίσσειας ύδατος και άχρηστων ουσιών Αναπαραγωγικό σύστημα παραγωγή φυλετικών κυττάρων και διατήρηση του είδους Μυϊκό σύστημα στήριξη, κίνηση και παραγωγή θερμότητας Σκελετικό σύστημα στήριξη, αποθήκευση αλάτων και δημιουργία αιμοποιητικών κυττάρων Νευρικό σύστημα απάντηση σε εξωτερικά ερεθίσματα και συντονισμός δραστηριοτήτων σε άλλα όργανα Ενδοκρινικό σύστημα ρύθμιση μακροπρόθεσμων λειτουργιών μέσω έκκρισης ορμονών Ανοσοποιητικό/λεμφικό σύστημα άμυνα σε μολύνσεις και νόσους Δέρμα προστασία και έλεγχος θερμοκρασίας 19

ΣΧΕΣΕΙΣ ΤΩΝ ΣΥΣΤΗΜΑΤΩΝ ΤΟΥ ΣΩΜΑΤΟΣ Νευρικό --------- Ενδοκρινικό Ποιά Συστήματα λείπουν; Πλάσμα +Μεσοκυττάριο υγρό = Εξωκυττάριο Υγρό 20

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. Ροή ενέργειας και διατήρηση της μάζας (Διαμερισματοποίηση του σώματος και του κυττάρου) 21

1. Ομοιόσταση = Η διατήρηση του εσωτερικού περιβάλλοντος σε σχετική σταθερότητα (όμοιος + στάσις). Απουσία ομοιόστασης = ασθένεια. Όρος επινοηθείς το 1929 από τον Walter B. Cannon (1871-1945), Ως έννοια όμως μπορεί να ανιχνευθεί σε πολύ παλαιότερα κείμενα από τον Ιπποκράτη μέχρι τον βυζαντινό ιατροφιλόσοφο Μιχαήλ Ψελλό [1018-1081], 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 (1813-1878) (που θεωρείται ο πατέρας της σύγχρονης Φυσιολογίας) παρατήρησε ότι το εσωτερικό μας περιβάλλον παραμένει εξαιρετικά σταθερό παρά τις αλλαγές συνθηκών στο εξωτερικό περιβάλλον. 22

Ο αμερικανός Walter B. Cannon (1871-1945), 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 σε διάφορους ιστούς του σώματος. 23

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 37 ο C Χημική σύσταση σταθερή Εντροπία χαμηλή ΕΞΩΤΕΡΙΚΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ 20 ο C Χημική σύσταση ποικίλη Εντροπία υψηλή 24

Υλικά εισέρχονται και εξέρχονται του σώματος Εξωτερικό περιβάλλον κ. ανταλλαγής Τα περισσότερα κύτταρα δεν επικοινωνούν απ ευθείας με το εξωτερικό περιβάλλον. Περιβάλλονται από το εξωκυττάριο υγρό = ΕΣΩΤΕΡΙΚΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ Ενδοκυττάριο υγρό Εξωκυττάριο υγρό ΤΟ ΕΣΩΤΕΡΙΚΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ Προστατευτικά κ. 25

26 ΤΟ ΕΣΩΤΕΡΙΚΟ ΠΕΡΙΒΑΛΛΟΝ

Συστήματα σώματος Επιτυγχάνουν την ΟΜΟΙΟΣΤΑΣΗ 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 ινιδισμοί και υπέρμετρη ταχυ-αρρυθμία κίνδυνος θανάτου 27 Η [Κ+]ο πρέπει να ελέγχεται σε αυστηρά στενά όρια

Συστατικά ενός φυσιολογικού συστήματος: αισθητήρες, κέντρο ελέγχου, εκτελεστές εκτελεστές Αύξηση Ολοκλήρωση πληροφοριών. Κέντρο ελέγχου /ανατροφοδότησης αισθητήρες Φυσιολογική Διακύμανση εκτελεστές Μείωση 28

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 29

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, θυρεοειδής Συστολή ή διαστολή Εφίδρωση Ανατρίχιασ μα τρόμος Μεταβολισμός 30

NEYPOEΠIΣTHMH KAI ΣYMΠEPIΦOPA ΠANEΠIΣTHMIAKEΣ EKΔOΣEIΣ KPHTHΣ Θερμορρύθμιση: Eλέγχεται από δύο περιοχές του Υποθαλάμου Αποτέλεσμα ολοκλήρωσης Αυτόνομων, Ενδοκρινικών και Σκελετοκινητικών αποκρίσεων Περιφερικοί Θερμοϋποδοχείς Δέρμα,Σπλάχνα, Ν.Μυελός Κεντρικοί Υποδοχείς:Υποθάλαμος Νευρώνες Υποθαλάμου :ρυθμός εκφόρτισης εξαρτάται από τοπική θερμοκρασία(θερμοευαίσθητοι, ψυχροευαίσθητοι) Αύξηση Θερμοκρασίας Ελάττωση Θερμοκρασίας Ηλεκτρικός Ερεθισμός ΠρόσθιoςΥ. :Αγγειοδιαστολήκαταστολή ρίγους (Διάχυση Θερμοκρασίας) Οπίσθιος Υ :Αγγειοσυστολή, ρίγος (Διατήρηση Θερμοκρασίας) Βλάβες Πρόσθιο Υ:Υπερθερμία Οπίσθιο ΥΠ :Υποθερμία (Ψύχος) Ψύχος παρατεταμένο:έκκριση Θυροξίνης εκούσιες αποκρίσε

NEYPOEΠIΣTHMH KAI ΣYMΠEPIΦOPA ΠANEΠIΣTHMIAKEΣ EKΔOΣEIΣ KPHTHΣ ΥΠΟΘΑΛΑΜΟΣ Ολοκληρωτής πληροφορίας Ρυθμιστής Θερμοκρασίας Θερμοκρασία Σώματος Φ.Τ 37 0 C Περιφερικοί Κεντρικοί Υποδοχείς(Υποθάλαμος)

Οι πιγκουίνοι συναθροίζονται για να ζεσταθούν... Εμείς; 33

Ομοιοστατικός Έλεγχος Γλυκόζης Ομοι Γλυκογόνο Αν αυξηθεί πολύ η γλυκόζη του αίματος, η ινσουλίνη μετατρέπει μέρος της σε γλυκογόνο Γλυκόζη στο αίμα 34

Γλυκογόνο Αν ανεπαρκεί η γλυκόζη στο αίμα, η γλυκαγόνη μετατρέπει μέρος του γλυκογόνου σε γλυκόζη Γλυκόζη στο αίμα 35

Αρνητική ανατροφοδότηση: ρύθμιση των επιπέδων γλυκόζης στο αίμα 36

ΟΜΟΙΟΣΤΑΣΗ ΤΗΣ ΓΛΥΚΟΖΗΣ 37

Γλυκογόνο But there is no Χωρίς ινσουλίνη η insulin to convert συγκέντρωση it into glycogen. γλυκόζης ανέρχεται σε επικίνδυνα επίπεδα Γλυκόζη στο αίμα 38

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. 39

Συγκέντρωση γλυκόζης Τα επίπεδα γλυκόζης αυξάνουν μετά ένα γεύμα Διαβήτης Δεν παράγεται ινσουλίνη και τα επίπεδα γλυκόζης παραμένουν υψηλά γεύμα Χρόνος 40

Η Ομοιόσταση 1. είναι δυναμική ισορροπία 2.... παρά την πληθώρα ερεθισμάτων 3.... διατηρούμενη με (συνήθως) αρνητική ανατροφοδότηση (και σπανιότερα θετική) 41

Απαντήσεις σε ερεθίσματα: τοπικές (παρακρινείς, αυτοκρινεις) αντανακλαστικές μέσω απομακρυσμένων κέντρων (νευρικό, ενδοκρινικό, κυτταροκίνες) 42

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 Αντανακλαστικό των Τασεουποδοχέων Ρύθμιση της Αρτηριακής Πίεσης 43

Παρασυμπαθητικός νευρώνας Συμπαθητικός νευρώνας ΑΝΤΑΓΩΝΙΣΤΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΟΜΟΙΟΣΤΑΣΗΣ (του καρδιακού ρυθμού) Συμπαθητικός νευρώνας Παρασυμπαθ. νευρώνας Μείωση καρδιακού ρυθμού Αύξηση καρδιακού ρυθμού 44

Η Βραχυπρόθεσμη Ρύθμιση της Αρτηριακής Πίεσης γίνεται μέσω Νευρικών Αντανακλαστικών Καρδιαγγειακό Κέντρο Προμήκους Αντανακλαστικό Τασεουποδοχέων (Υψηλής Πίεσης) Ρύθμιση της Αρτηριακής Πίεσης(ΑΠ) μέσω Τασεουποδοχέων και του ΑΝΣ (Συμπαθητικής και Παρασυμπαθητικής Μοίρας) Καρδιαγγειακό Κέντρο Προμήκους C.Heymans Nobel Ιατρικής 1938 Τάσεουποδοχείς Υψηλής πίεσης στον Καρωτιδικό Κόλπο και στο Αορτικό Τόξο : Υποδοχείς διάτασης. Αντιλαμβάνονται μεταβολές της Μέσης Αρτηριακής

ερέθισμα Προσαγωγοί νευρώνες ΚΝΣ ΕΛΕΓΧΟΣ ΟΜΟΙΟΣΤΑΣΗΣ ΑΠΟ ΤΟ ΝΕΥΡΙΚΟ ΣΥΣΤΗΜΑ Απαγωγοί νευρώνες Αισθητικοί υποδοχείς Νευρώνες ΑΝΣ Σωματικοί κινητικοί νευρώνες Συμπαθητικό Σ Παρασυμπαθητικό Σ Λείοι μύες Καρδιακός μύς Εξοκρινείς αδένες Ενδοκρινείς αδένες Λιπώδεις ιστοί Σκελετικοί μύες ΕΝΤΕΡΙΚΟ Σ. Απαντήσεις ιστών 46

Αρνητική ανατροφοδότηση Αρχικό ερέθισμα Θετική ανατροφοδότηση Αρχικό ερέθισμα απάντηση απάντηση - + Εξωτερικός ερεθίσματος ερεθίσματος Παράγων που τερματίζει τον 47 +

Αρνητική ανατροφοδότηση: ρυθμιστικός μηχανισμός κατα τον οποίο μια αλλαγή σε μια ελεγχόμενη παράμετρο προκαλεί μια απάντηση η οποία αντιρροπεί την αλλαγή. 48

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. 49

Θετική 1. Σχάση του αγγειακού τοιχώματος Ανατροφοδότηση - 1 2. 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 50

Θετική Ανατροφοδότηση - 3 51

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 52

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. 53

Οργανισμός σε ομοιόσταση Εξωτερική Αλλαγή Εσωτερική αλλαγή Εσωτερική αλλαγή οδηγεί σε απώλεια της ομοιόστασης Ο οργανισμός προσπαθεί να αντιρροπήσει Η αντιρρόπηση αποτυγχάνει η αντιρρόπηση επιτυγχάνει ασθένεια υγεία 54

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 55

Χασματοσυνδέσεις άμεση Διακυτταρική επικοινωνία ορμόνη Αυτοκρινή και παρακρινή σήματα τοπική νευροδιαβιβαστής υποδοχέας Νευροορμόνη Απο απόσταση 56

Κυτταρικοί υποδοχείς - στόχοι 57

4 κατηγορίες μεμβρανικών υποδοχέων Υποδοχέας διαθέτων ιονοφόρο Υποδοχέας συνδεδεμένος με κυτταροσκελετό Υποδοχέας επηρεάζων το μεταβολισμό Υποδοχέας 58 συνδεδεμένος με

Μεμβρανική μεταγωγή σήματος 59

ΑΝΤΑΓΩΝΙΣΤΙΚΟΣ ΕΛΕΓΧΟΣ Κύριος (Ενδογενής) δεσμευτής Αγωνιστής Ανταγωνιστής Απάντηση Μη-απάντηση 60

Η ΑΠΑΝΤΗΣΗ ΤΟΥ ΣΤΟΧΟΥ ΕΞΑΡΤΑΤΑΙ ΑΠΟ ΤΟΥΣ ΥΠΟΔΟΧΕΙΣ ΤΟΥ α-υποδοχέας Το αγγείο συσπάται Επινεφρίνη Αιμοφόρα αγγεία β-υποδοχέας Το αγγείο διαστέλλεται 61

Κίνηση ιόντων δημιουργεί ηλεκτρικά σήματα που επάγουν λειτουργικές αλλαγές 62

Εμμεση αλλαγή της διαβατότητας διαύλων 63

Ενδοκυττάρια ενίσχυση του σήματος 64

65

Ενδοκυττάριος «καταρράκτης» αντιδράσεων σε ένα σήμα 66

Ενδοκυττάριοι δεύτεροι και τρίτοι μηνύτορες 67

Πολλαπλές δράσεις εξω- και ενδοκυττάριου μηνύτορα 68

Συνδυασμός μηνυμάτων. Σύγκλιση και απόκλιση. 69

Φυσικό ανάλογο ποίας επικοινωνίας; - νευρωνικής; - ορμονικής; 70

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; Κύριες οδοί εκροής; Ποιές οι κύριες πηγές εισροής; Συνολικό ποσό μιας ουσίας στο σώμα = εισροές + παραγωγή εκροές Δώστε παραδείγματα ουσιών που διατηρούνται σε σταθερά ποσά 71

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 Διαδικασίες που αποδίδουν ενέργεια Ψυχικοί Παράγοντες Διάθεση Εγρήγορση κινητοποίηση Περιβάλλον Υψόμετρο Υψηλό βαρομετρικό Ψύχος Ζέστη Υγρασία Βαρύτης Φυσική απόδοση / επιβίωση 72

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 73 συστημάτων να αποδίδουν οξυγόνο στα μυϊκά κύτταρα

Ενέργεια Η ικανότητα των μυών να μετατρέπουν χημική ενέργεια σε μηχανική ενέργεια στηρίζεται στην ικανότητα των ολοκληρωμένων φυσιολογικών συστημάτων να αποδίδουν οξυγόνο στα μυϊκά κύτταρα. Χωρίς καταλύτη ΔG = Ενέργεια Ενεργοποίησης Με καταλύτη Οδός βιοχημικής αντίδρασης 74

Ενεργειακός Μεταβολισμός στα κύτταρα Υδατάνθρακες Σάκχαρα Λίπη Λιπαρά οξέα ATP Πρωτείνες Αμινοξέα ATP + H 2 O ADP + P i + H + + 7 kcal/mole Αναερόβιος μεταβολισμός Γλυκόλυση γλυκόζη γλυκόζη-6-φωσφορικό 2 πυροσταφιλικό Οι αντιδράσεις γίνονται στο κυτταρόπλασμα Απουσία O 2 αποδίδει 2 ATP μόρια/γλυκόζη Αερόβιος μεταβολισμός Οξυδωτική φωσφορυλίωση Οι αντιδράσεις γίνονται στα μιτοχόνδρια παρουσία O 2 Σχηματισμός H 2 O from H + (κύκλος Krebs) και O 2 ATP Αποδίδει 38 ATP μόρια/γλυκόζη + 2 ATP 75

10 μ. συστολές 50 μ. συστολές 400 μ. συστολές απεριόριστες 76

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 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. Σε μια σταθερή κατάσταση επίσης 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 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. Αντίθετα η συγκέντρωση του ΑΤΡ σε ένα κύτταρο παραμένει σταθερή γιατί παράγεται και καταβολίζεται με σταθερές ταχύτητες και όχι επειδή υπάρχει σε χημική ισορροπία. Σταθερή κατάσταση ΑΤΡ Χημική Ισορροπία ύδατος 77

Σταθερή κατάσταση (Steady state, dynamic equilibrum) 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 νατρίου-καλίου) 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. Ο όρος δυναμική ισορροπία χρησιμοποιείται επίσης ως συνώνυμο με την σταθερή κατάσταση, αλλά η χρήση αυτού του όρου μπορεί να προκαλεί σύγχυση. Μια δυναμική ισορροπία δεν είναι το ίδιο με μια χημική ισορροπία. 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. Σε μια σταθερή κατάσταση αντίθετα ενέργεια εισάγεται συνεχώς στο σύστημα με σκοπό να το διατηρήσει σε υψηλότερη ελεύθερη ενέργεια από ότι σε ισορροπία. 78

Συνοπτικά: Χαρακτηριστικά σταθερής κατάστασης: Οι συνθήκες εντός του συστήματος είναι σταθερές Ελεύθερη ενέργεια συνεχώς παρέχεται στο σύστημα Διαχρονικά το σύστημα διατηρείται σε κατάσταση υψηλότερης τάξης σε σύγκριση με το περιβάλλον του. Χαρακτηριστικά 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. 79

ΕΚΠΑΙΔΕΥΤΙΚΟΙ ΣΤΟΧΟΙ της ΕΙΣΑΓΩΓΗΣ ΣΤΗΝ ΙΑΤΡΙΚΗ ΦΥΣΙΟΛΟΓΙΑ Ορίσατε την Ιατρική Φυσιολογία ως επιστήμη 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 80