Homeostāze un vielmaiņa: kā tās ir saistītas

Ikvienai homeostāzes sistēmai ir viena un tā pati uzbūve. Ir regulējamais rādītājs, ir tā vēlamā vērtība, ir sensors, kas mēra faktisko stāvokli, ir vadības centrs, kas salīdzina, un ir efektors, kas rīkojas.

Lielākā daļa šo cilpu ir negatīvas atgriezeniskās saites: jebkura novirze rada reakciju pretējā virzienā. Tieši tāpēc rādītājs nevis stāv nekustīgi, bet nedaudz svārstās ap vēlamo vērtību, un šīs svārstības ir normālas.

Vēlamā vērtība nav akmenī cirsta. Slimības laikā hipotalāms apzināti paceļ ķermeņa temperatūras mērķi augstāk, un rodas drudzis; grūtniecības un augšanas laikā mainās gan siltuma, gan enerģijas mērķlielumi. Spēju mainīt pašu mērķi apstākļiem pielāgojoties dažkārt sauc par alostāzi.

1. Sensors nolasa faktisko vērtību, piemēram, glikozes koncentrāciju asinīs.
2. Vadības centrs to salīdzina ar vēlamo vērtību un aprēķina novirzi.
3. Centrs raida signālu efektoram, visbiežāk ar hormonu vai nerva impulsu.
4. Efektors maina rādītāju pretējā virzienā, piemēram, šūnas uzņem glikozi.
5. Izmaiņu atkal nolasa sensors, un cilpa aizveras.

Vielmaiņas reakcijas istabas apstākļos notiktu nepieļaujami lēni. Fermenti tās paātrina par daudzām kārtām, pazeminot reakcijas aktivācijas enerģiju, un tieši tāpēc dzīvība ir iespējama ķermeņa temperatūrā, nevis tikai karstumā.

Katram fermentam ir savs optimālais pH un temperatūra. Kuņģa pepsīns strādā spēcīgi skābā vidē, aizkuņģa dziedzera fermenti sārmainā divpadsmitpirkstu zarnas saturā, bet lielākā daļa šūnas iekšējo fermentu tuvu neitrālam pH. Ja iekšējā vide nobīdās, ferments zaudē formu un darbība krīt.

Šeit saikne kļūst acīmredzama. Skābekļa trūkums vai smaga infekcija izjauc skābju un bāzu līdzsvaru, tas nomāc fermentus, vielmaiņa palēninās, un samazinātā enerģijas ražošana vēl vairāk pasliktina spēju uzturēt homeostāzi. Tā ir apburtā loka shēma, kas ir daudzu kritisku stāvokļu pamatā.

Organismā vienlaikus darbojas desmitiem regulācijas cilpu. Dažas no tām ir noderīgi zināt, jo tieši tās mēra ikdienas analīzēs.

Miera stāvoklī cilvēka enerģijas patēriņu galvenokārt nosaka nevis kustības, bet pastāvīgais uzturēšanas darbs. Šo līmeni sauc par pamata vielmaiņas ātrumu, un to mēra pēc nakts miega, tukšā dūšā, siltā telpā, pilnīgā mierā.

Lielāko daļu no šīs enerģijas patērē šūnu membrānu jonu gradienti, olbaltumvielu nepārtraukta nomaiņa, smadzeņu darbība un iekšējo orgānu funkcijas. Tieši tāpēc slaidam un korpulentam cilvēkam pamata patēriņš atšķiras mazāk, nekā varētu domāt: to nosaka galvenokārt tievo audu masa, nevis kopējais svars.

Šeit ir arī atbilde uz ikdienišķu jautājumu par lēnu vielmaiņu. Ievērojamas atšķirības starp līdzīga auguma un muskuļu masas cilvēkiem ir mazākas, nekā parasti iedomājas, un lielākā daļa svara izmaiņu skaidrojama ar uzņemto enerģiju un kustību apjomu, tostarp neapzinātām ikdienas kustībām.

• Tievo audu masa: muskuļi, iekšējie orgāni un smadzenes patērē daudz vairāk nekā taukaudi.
• Vairogdziedzera hormonu līmenis: tas nosaka šūnu enerģijas patēriņa pamattoni.
• Vecums: ar gadiem mainās ķermeņa sastāvs, un uzturēšanas patēriņš pakāpeniski samazinās.
• Ķermeņa temperatūra un vide: drudzis un aukstums patēriņu palielina.
• Fizioloģiski stāvokļi: augšana, grūtniecība, zīdīšana un atlabšana pēc traumas.

Jaundzimušajam homeostāzes rezerve ir maza. Ķermeņa virsma attiecībā pret masu ir liela, svīšanas spēja ierobežota, bet siltuma ražošanai kalpo galvenokārt brūnie taukaudi, kas ar īpašu olbaltumvielu ļauj mitohondrijiem ražot siltumu, nevis ATF. Tieši tāpēc mazs bērns atdziest un pārkarst daudz ātrāk nekā pieaugušais.

Bērnībā un pusaudža gados vielmaiņa ir novirzīta uz augšanu, un enerģijas patēriņš uz ķermeņa masas vienību ir augstāks nekā pieaugušajam. Ar gadiem samazinās muskuļu masa, ja to mērķtiecīgi neuztur, mainās hormonu līmenis un sarūk kopējais enerģijas patēriņš.

Vecāka gadagājuma cilvēkam sarūk arī regulācijas rezerve. Slāpju sajūta kļūst blāvāka, nieru spēja koncentrēt urīnu samazinās, un siltuma regulācija ir lēnāka. Tāpēc karstuma viļņi un caurejas slimības šai vecuma grupai ir daudz bīstamākas nekā jauniem cilvēkiem.

Cukura diabēts ir mācību grāmatas piemērs. Insulīna trūkums vai tā darbības traucējums nozīmē, ka glikozes regulācijas cilpa vairs nenoslēdzas: glikoze asinīs paliek augsta, bet šūnas tai netiek klāt un pāriet uz tauku sadalīšanu. Rodas vienlaikus gan homeostāzes, gan vielmaiņas traucējums.

Vairogdziedzera darbības pavājināšanās nozīmē pazeminātu enerģijas patēriņu, aukstuma nepanesību, lēnu sirdsdarbību un nogurumu. Pastiprināta darbība dod pretējo ainu: svara zudums pie normālas ēšanas, siltuma nepanesība, trauksme un sirdsklauves. Abus stāvokļus ārstē endokrinologs, bet atklāj visbiežāk ģimenes ārsts.

Sepsē un smagos traumas gadījumos organisms pāriet uz izteiktu katabolismu: sadala muskuļu olbaltumvielas, paaugstina asins glikozi un maina siltuma regulāciju. Tā ir īslaicīgi lietderīga reakcija, kas, ilgstoši turpinoties, pati kļūst par bojājuma cēloni.

Atsevišķi minams stāvoklis, kad izbadējies cilvēks sāk atkal ēst pārāk strauji. Vielmaiņa pēkšņi pārslēdzas uz anabolismu, šūnas uzņem fosforu, kāliju un magniju, un asinīs to līmenis strauji krīt. Tāpēc smagu nepietiekama uztura gadījumu atbarošana notiek slimnīcā un pakāpeniski.

Nav vienas analīzes, kas parādītu homeostāzi. Praksē ārsts skatās uz vairākiem rādītājiem kopā un vērtē, vai kāda no regulācijas cilpām ir izsista no sliedēm.

Pamata izmeklējumi ietver glikozi tukšā dūšā un glikētā hemoglobīna rādītāju, elektrolītus, kreatinīnu, vairogdziedzeri stimulējošā hormona līmeni un pilnu asinsainu. Smagos stāvokļos pievieno arteriālo asiņu gāzu analīzi, kas vienlaikus parāda skābekļa piesātinājumu, ogļskābās gāzes daudzumu un skābju un bāzu stāvokli.

Enerģijas patēriņu var izmērīt tieši ar netiešo kalorimetriju, nosakot patērēto skābekli un izelpoto ogļskābo gāzi. To izmanto galvenokārt intensīvajā terapijā un pētniecībā, nevis ikdienas praksē, jo aprēķinu formulas lielākajai daļai cilvēku ir pietiekami precīzas.

Vispirms homeostāzi jauc ar ķīmisko līdzsvaru. Ķīmiskajā līdzsvarā neto pārmaiņu nav un enerģija netiek patērēta; homeostāzē turpretī pastāvīgi plūst vielas un tiek tērēta enerģija, lai koncentrācijas paliktu nevienādas abpus membrānai. Ja šūnā iestātos īsts līdzsvars, tā būtu mirusi.

Otrkārt, vielmaiņu jauc ar pamata vielmaiņas ātrumu. Metabolisms ir visu reakciju kopums, bet pamata ātrums ir tikai miera stāvokļa enerģijas patēriņš, viens no šī kopuma mērījumiem.

Treškārt, homeostāzi jauc ar alostāzi. Homeostāze nozīmē atgriešanos pie iepriekšējās vēlamās vērtības, bet alostāze nozīmē pašas vēlamās vērtības pārvietošanu, lai pielāgotos ilgstošai slodzei. Hroniska stresa gadījumā šī pārvietošana kļūst par slodzi, ko dēvē par alostātisko nastu, un tā ir viens no skaidrojumiem, kā ilgstošs stress kaitē sirdij un asinsvadiem.