субота, 11 лютого 2017 р.

Обмін речовин і гомеостаз. Матеріал для учнів 10 класу.



  


                         Гомеостаз та адаптація організмів.




1. Гомеостаз (др.-грец. – саморегуляція) - здатність відкритої системи зберігати постійність свого внутрішнього стану за допомогою скоординованих реакцій, направлених на підтримку динамічної рівноваги. Прагнення системи відтворювати себе, відновлювати втрачену рівновагу, долати опір зовнішнього середовища.
Американський фізіолог Уолтер Кеннон (Walter B. Cannon) у 1932 році у своїй книзі «The Wisdom of the Body» («Мудрість тіла») запропонував цей термін як назву для «координованих фізіологічних процесів, які підтримують більшість стійких станів організму». Надалі цей термін  розповсюдився на здатність динамічно зберігати постійність свого внутрішнього стану будь-якої відкритої системи. Проте уявлення про постійність внутрішнього середовища було сформульоване ще в 1878 році французьким вченим Клодом Бернаром.
Термін «гомеостаз» найчастіше застосовується в біології. Багатоклітинним організмам для існування необхідно зберігати постійність внутрішнього середовища. Багато екологів переконано, що цей принцип застосовний також і до зовнішнього середовища. Якщо система нездатна відновити свій баланс, вона може у результаті перестати функціонувати.
Комплексні системи - наприклад, організм людини - повинні володіти гомеостазом, щоб зберігати стабільність і існувати. Ці системи не тільки повинні прагнути вижити, їм також доводиться адаптуватися до змін середовища і розвиватися.
2. Властивості гомеостазу
Гомеостатичні системи володіють наступними властивостями:
ü  Нестабільність системи: випробовує, яким чином їй краще пристосуватися.
ü  Прагнення до рівноваги: вся внутрішня, структурна і функціональна організація систем сприяє збереженню балансу.
ü  Непередбачуваність: результуючий ефект від певної дії часто може відрізнятися від того, який очікувався.

Приклади гомеостазу у ссавців:
ü  Регуляція кількості мікронутрієнтів і води в тілі - осморегуляція. Здійснюється в нирках.
ü  Видалення відходів процесу обміну речовин - виділення. Здійснюється екзокринними органами - нирками, легенями, потовими залозами і шлунково-кишковим трактом.
ü  Регуляція температури тіла. Зниження температури через потовиділення, різноманітні терморегулюючі  реакції.
ü  Регуляція рівня глюкози у крові. В основному здійснюється печінкою, інсуліном і глюкагоном, що виділяються підшлунковою залозою.
Важливо відзначити, що хоча організм знаходиться в рівновазі, його фізіологічний стан може бути динамічним. Так, навіть знаходячись в гомеостазі, температура тіла, кров'яний тиск, частота серцевих скорочень і більшість метаболічних  індикаторів не завжди знаходяться на постійному рівні, але змінюються протягом часу.
Механізми гомеостазу
Коли відбувається зміна змінної, спостерігаються два основні типи зворотного зв'язку, на яких реагує система:
1.   Негативний зворотний зв'язок, що виражається в реакції, при якій система відповідає так, щоб змінити напрям зміни на протилежне. Оскільки зворотний зв'язок служить збереженню постійності системи, це дозволяє дотримувати гомеостаз.
Наприклад, коли концентрація вуглекислого газу у організмі людини збільшується, легенею приходить сигнал до збільшення їх активності і видихання більшого кількість вуглекислого газу.
Терморегуляція - інший приклад негативного зворотного зв'язку. Коли температура тіла підвищується (або знижується) терморецептори  у шкірі реєструють зміни, викликаючи сигнал з мозку. Даний сигнал, у свою чергу, викликає відповідь - пониження температури (або підвищення).
2.   Позитивний зворотний зв'язок, яка виражається в посиленні зміни змінній. Вона надає дестабілізуючий ефект, тому не приводить до гомеостазу. Позитивний зворотний зв'язок рідше зустрічається в природних системах, але також має своє застосування.
Наприклад, в нервах пороговий електричний потенціал викликає генерацію набагато більшого потенціалу дії. Зсідання крові і події при народженні можна привести як інші приклади позитивного зворотного зв'язку.
Стійким системам необхідні комбінації з обох типів зворотного зв'язку. Тоді як негативний зворотний зв'язок дозволяє повернутися до гомеостатичного стану, позитивний зворотний зв'язок використовується для переходу до абсолютно нового (і, цілком може бути, менш бажаного) стану гомеостазу, - така ситуація називається «метастабільною». Такі катастрофічні зміни можуть відбуватися, наприклад, із збільшенням живильних речовин у річках з прозорою водою, що приводить до гомеостатичного стану високої евтрофікації (заростання русла водоростями  і помутнінням).
Види гомеостазу
Біологічний гомеостаз. Гомеостаз виступає в ролі фундаментальної характеристики живих організмів і розуміється як підтримка внутрішнього середовища в допустимих межах.
Внутрішнє середовище організму включає організмені рідини - плазму крові, лімфу, міжклітинна речовина і цереброспінальну рідину. Збереження стабільності цих рідин життєво важливе для організмів, тоді як її відсутність приводить до пошкодження генетичного матеріалу.
Відносно будь-якого параметра організми діляться на конформаційні і регуляторні. Регуляторні організми зберігають параметр на постійному рівні, незалежно від того, що відбувається в середовищі. Конформаційні організми дозволяють навколишньому середовищу визначати параметр. Наприклад, теплокровні тварини зберігають постійну температуру тіла, тоді як холоднокровні демонструють широкий діапазон температур.
Мова не йде про те, що конформаційні організми не володіють поведінковими  пристосуваннями, що дозволяють їм в деякій мірі регулювати узятий параметр. Рептилії, наприклад, часто сидять на нагрітих каменях вранці, щоб підвищити температуру тіла.
Перевага гомеостатичної регуляції полягає в тому, що вона дозволяє організму функціонувати ефективніше. Наприклад, холоднокровні тварини, як правило, стають млявими при низьких температурах, тоді як теплокровні майже так само активні, як і завжди. З іншого боку, регуляція вимагає енергії. Причина, чому деякі змії можуть харчуватися тільки раз на тиждень, полягає в тому, що вони витрачають набагато менше енергії для підтримки гомеостазу, чим ссавці.
Клітинний гомеостаз. Регуляція хімічній діяльності клітини, серед яких особливе значення має зміна структури самої цитоплазми, а також структури і активності ферментів. Авторегуляція залежить від температури, ступені кислотності, концентрації субстрату, присутність деяких макро- і мікроелементів.
Гомеостаз в організмі людини. Різні чинники впливають на здатність рідин організму підтримувати життя. У їх числі такі параметри, як температура, солоність, кислотність і концентрація поживних речовин - глюкози, різних іонів, кисню, і метаболітів - вуглекислого газу  і сечі. Оскільки ці параметри впливають на хімічні реакції, які зберігають організм живим, існують вбудовані фізіологічні механізми для підтримки їх на необхідному рівні.
Гомеостаз не можна вважати за причину процесів цих несвідомих адаптацій. Його слід сприймати як загальну характеристику багатьох нормальних процесів, що діють спільно, а не як їх першопричину. Більш того, існує безліч біологічних явищ, які не підходять під цю модель  - наприклад, анаболізм.
Екологічний гомеостаз.  Гомеостаз спостерігається в клімаксових співтовариствах з максимально можливою біорізноманітністю за сприятливих умов середовища.
3. Біологічна адаптація (від латів. adaptatio - пристосування) - пристосування організму до зовнішніх умов в процесі  еволюції, включаючи морфофізіологічну і поведінкову складові. Адаптація може забезпечувати виживання в умовах конкретного місця проживання, стійкість до дії чинників абіотичного і біологічного характеру, а також успіх в конкуренції з іншими видами, популяціями, особами. Кожен вид має власну здібність до адаптації, обмежену фізіологією (індивідуальна адаптація), межами прояву материнського ефекту і модифікацій, епігенетичною різноманітністю, внутрішньовидовою мінливістю, мутаційними можливостями, коадаптаційними характеристиками внутрішніх органів і іншими видовими особливостями.
Пристосованість живих істот до природних умов зовнішнього середовища була усвідомлена людьми ще в античні часи. Аж до середини XIX століття це пояснювалося початковою доцільністю природи. У теорії еволюції Чарльза Дарвіна було запропоновано наукове пояснення адаптаційного процесу на основі природнього відбору.
Адаптації видів в рамках одного біоценозу часто тісно зв'язані один з одним (одним з найбільш вражаючих прикладів міжвидової коадаптації є жорстка прив'язка будови органів деяких видів квіткових рослин і комах один до одного з метою запилення і живлення). Якщо адаптаційний процес у якого-небудь вигляду не знаходиться в рівноважному стані, то еволюціонувати може весь біоценоз (іноді - з негативними наслідками) навіть в стабільних умовах навколишнього середовища.
Філософ Ю. Урманцев указував на те, що за об'ємом і змістом «адаптація» - поняття не тільки міждисциплінарне, але і вельми складне.
Процес розвитку життя на землі припускає наявність адаптації у організмів. Починається ця адаптація з найпримітивніших видів - пристосування до навколишнього середовища і до існуючих умов. Виникнення і виживання організмів можливе тільки при відповідності організмів навколишньому середовищу. Виживають ті організми, які виробляють кращі форми свого збереження. Їх розвиток, перехід організмів на вищий ступінь обумовлені необхідністю адаптації. Таким чином, еволюція і адаптація по суті процеси, невіддільні один від одного.
Під адаптацією можна розуміти так само здатність будь-якої системи отримувати нову інформацію для наближення своєї поведінки і структури до оптимальних. Системи адаптивні, якщо при зміні в їх оточенні або внутрішньому стані, що знижує їх ефективність у виконанні своїх функцій, вони реагують або відгукуються, змінюючи свій власний стан або стан навколишнього середовища так, щоб їх ефективність збільшилася. Термін адаптація можна розглядати в трьох аспектах:
адаптація як властивість системи пристосовуватися до можливих змін функціонування - система адаптації;
адаптація як сам процес пристосування адаптивної системи - власне, адаптація;
адаптація як метод, заснований на обробці інформації, що поступає, і пристосований для досягнення деякого критерію оптимізації, - адаптаційні алгоритми.
У ширшому сенсі, адаптаціями в біології називають виникнення і розвиток певних, конкретних морфофізіологічних властивостей, значення яких для організму пов'язані з тими або іншими загальними або конкретними умовами його абіотичного і біотичного середовища.
4. Адаптація, як адаптаційна відповідь, може здійснюватися на різних рівнях:
1.   на рівні клітини у вигляді функціональних або морфологічних змін;
2.   на рівні органу або групи клітин, що мають однакову функцію;
3.   на рівні організму як морфологічного так і функціонального цілого, такого, що є сукупністю всіх фізіологічних функцій, направлених на збереження життєвих функцій і самого життя.
З урахуванням цього H. Hensel виділяє різні рівні адаптаційних процесів:
1.   звикання - початковий процес адаптації під впливом короткочасної дії стрессора
2.   функціональну адаптацію - тривалий стан, що виникає під впливом певних подразників, що приводять до фізіологічних змін гомеостазу людини
3.   трофо-пластичну адаптацію - подальший ступінь адаптаційних процесів, не належить до терапевтичної області реабілітаційної медицини, оскільки при ній наступають морфологічні зміни органів і систем людського організму.
Головний зміст адаптації, на думку Т. Пілата, - це внутрішні процеси в системі, які забезпечують збереження її зовнішніх функцій по відношенню до середовища. Якщо структура системи забезпечує їй нормальне функціонування в даних умовах середовища, то таку систему слід вважати за адаптовану до цих умов. На цій стадії встановлюється динамічна рівновага, при якій відбувається зміна фізіологічних показників у межах норми. Організм клінічно здорової людини з високими адаптивними здібностями володіє значним потенціалом саморегуляції і самовідновлення. Для підтримки здоров'я йому досить вести здоровий спосіб життя, дотримувати принципи збалансованого харчування.
При цьому, на думку Ю. Малова, здоров'я або норма - стан відносно стабільний, але воно не може зберігатися протягом всього життя, бо в природі не існує абсолютно адаптованих до даного середовища індивідів. Тривале перебування в одних і тих же умовах все ж таки рано чи пізно приведе до розвитку якої-небудь хвороби, яка є механізмом елімінації індив

Тема: Регуляція процесів на рівні клітини.

1. Внутрішньоклітинний рівень регуляції процесів відбувається на метаболітичному мембранному рівнях.

2. Метаболічна регуляція:

а) контроль за активністю ферментів
                           

         ізостерична                                                        алостерична регуляції

         каталітичні центри                                   білкова субодиниця, яка 
         ферментів, активність яких                      взаємодіє з активаторами,
         залежить від рН, концентрація               та інгібіторами (ефекторами)
субстратів, іонне оточення                      гормони, метаболіти

б) модифікація ферментів через
фосфорилювання;
ацетилування;
розрив дисульфідних мостків

в) трансформація латентної форми
фермента в активну форму

Метаболітичні цикли, які регулюються ферментами за рахунок прямих і обернених зв’язків становлять суть метаболітичної регуляції.

3. Мембранна регуляція в основі має незрівноважений стан який забезпечується різноманітними фото-, хемо- та механорецепторами мембран.

В основі мембранної регуляції

1) динамічна рівновага (іонні насоси, олсобливо Н+-АТФ-ази які створюють мембранний потенціал (на плазмалемі 100-200 мВ), енергія якого використовується для поглинання клітиною катіонів, аніонів, цукрів та ін. Мембранний потенціал – складова частина гомеостаза)

2) мембранна регуляція впливає на зміну концентрації внутрішньоклітинного кальцію, який впливає на активність Са2+ – залежних протеїнкіназ, фосфорилювання білків, стан цитоскелету, секреторну, мітотичну активність;


3) в ролі регуляторної системи функціонує фосфоінозитольний цикл, який:
                                      а) сприяє звільненню Са2+ із ендоплазматичного ретикулума
                                      б) за участю Са2+ активує протеїнкіназу в плазмалемі

4) значну роль в мембранній регуляції виконують ГТФ-зв’язуючі сигнальні білки, які складаються з гетеротримерних ГТФ – зв’язуючі регуляторні протеїни та з малих  γ-протеїнів

5) практично всі функції мембран – бар’єрна, транспортна, енергетична, осмотична, структурна, біосинтетична, електрична, рецепторна – відіграють певну роль у регуляторних процесах. При чому особливе значення рецепторів, які дозволяють клітині відповідно оцінювати зміни як внутрішнього, так і зовнішнього середовища і відповідно на них реагувати



2. Генетична регуляція внутрішньоклітинних процесів.

1. Генетична регуляція забезпечує:
а) збереження та реплікацію інформації про індивідуальну будову конкретного організму, послідовність процесів морфогенезу, які  зашифровані в хроматині ядра та кільцевих ДНК пластид, мітохондрій у вигляді триплетного коду;
б) регулює процеси зчитування(транскрипцію) даної інформації, процесинг синтезованих РНК і їх транспорт, збереження мРНК в латентній формі у вигляді інформосом та їх активацію;
в) контроль за збиранням рибосом, полірибосом та відповідним синтезом поліпептидів (трансляцію)

2. Ріст органа або організму складається:
         а) з росту його клітин;
б) морфогенез відбувається за участю морфогенетичної РНК. Детермінація шляхів розвитку є основою фізіології розвитку.

3. Включення диференціальної активності генів відбувається за участю фітогормонів та світла. Для збудження однієї реакції треба кілька сигналів, наприклад, двох фітогормонів.
Вирішальним є не стільки діючий фактор, скільки генна модель тієї клітини, що його приймає, а саме набір регульованих генів, що є в розпорядженні даних клітин.

4. Координована активація генів проявляється в тому, що гени об’єднанні в функціональні одиниці, які виконують роль програм. Геном містить обмежену кількість програм, які можуть бути запущені відповідними факторами; відповідно для кожної генетичної прогами існує конкретна молекулярна конструкція.

5. В процесі розвитку гени активуються один за одним у певній послідовності, причому детермінація обмежується першими кроками процесу розвитку. Подальші зміни генної моделі координуються внутрішніми механізмами.

3.  Трофічна регуляція в міжклітинній регуляції процесів.

1. Забезпечення цілістності рослинного організму, регуляція його гомеостазу визначається трофічною регуляцією між клітинами.

2. Взаємодія за допомогою поживних речовин – найбільш простий спосіб зв’язку між клітинами, тканинами та органами.

3. Система живлення рослин:







 




листки                                                       коріння
поглинають СО2, Н2О                              поглинають Н2О,
і з допомогою світла                                мінеральні речовини
утворюють продукти                                                
фотосинтезу


4. Ріст пагонів залежить не лише від притоку мінеральних речовин, а від надходження із кореневої системи специфічних метаболітів, які там синтезуються.

5. Обмін поживними речовинами постійно відбувається між кореневою системою та надземними органами і досить часто трофічна регуляція має кількісний характер.

6. За умови недостачі мінеральних речовин або при низкій інтенсивності фотосинтезу закладається менше метамерних органів, сповільнюються ростові процеси. Різні співвідношення елементів мінерального живлення впливають на процеси корелятивного росту (приклади).































Тема 4.  Трофічна регуляція в міжклітинній регуляції процесів.

1. Забезпечення цілістності рослинного організму, регуляція його гомеостазу визначається трофічною регуляцією між клітинами.

2. Взаємодія за допомогою поживних речовин – найбільш простий спосіб зв’язку між клітинами, тканинами та органами.

3. Система живлення рослин:







 




листки                                                       коріння
поглинають СО2, Н2О                              поглинають Н2О,
і з допомогою світла                                мінеральні речовини
утворюють продукти                                                
фотосинтезу


4. Ріст пагонів залежить не лише від притоку мінеральних речовин, а від надходження із кореневої системи специфічних метаболітів, які там синтезуються.

5. Обмін поживними речовинами постійно відбувається між кореневою системою та надземними органами і досить часто трофічна регуляція має кількісний характер.

6. За умови недостачі мінеральних речовин або при низкій інтенсивності фотосинтезу закладається менше метамерних органів, сповільнюються ростові процеси. Різні співвідношення елементів мінерального живлення впливають на процеси корелятивного росту (приклади).

Мінілексикон: гомеостаз, поживні речовини, обмін речовин.


Немає коментарів:

Дописати коментар