Ugrás a tartalomhoz

Az orvosi élettan tankönyve

Attila, Fonyó (2011)

Medicina Könyvkiadó Zrt.

4. fejezet - I. rész - Általános élettani és sejtélettani alapelvek

4. fejezet - I. rész - Általános élettani és sejtélettani alapelvek

Tartalom

1. fejezet - A belső környezet és a homeosztázis
A belső környezet
A homeosztázis fogalma és a szabályozási folyamatok alapjai
2. fejezet - A sejtmembrán molekuláris fiziológiája
A plazmamembrán szerkezete
A plazmamembrán permeabilitása és transzportrendszerei
Vesicularis transzport: endo- és exocytosis, membránkörforgás
3. fejezet - Celluláris elektrofiziológia; a nyugalmi membránpotenciál
Az ioncsatornák elektrofiziológiája
A sejtek nyugalmi (membrán-) potenciálja
4. fejezet - Transzportfolyamatok a hámsejtekben
Luminalis (apicalis) és basolateralis membrán
5. fejezet - Jelzőmolekulák, receptorok és jelátvitel (szignáltranszdukció)
Extracelluláris jelzőmolekulák
Receptorok
Intracelluláris receptorokhoz kapcsolódó jelátvitel
Plazmamembrán-receptorokhoz kapcsolódó jelátvitel
Az intracelluláris Ca2+-szint szerepe a sejtműködés szabályozásában
Intercelluláris mediátorok
Jelátvitel a gyulladásos és szövetproliferációs folyamatokban
6. fejezet - A neuronműködés alapjai
Helyi potenciálváltozások a neuronokban
Akciós potenciál az axonokban: a tovavezetődő ingerület
Neurotranszmitterek
Neurotranszmitter-receptorok
A neuromuscularis synapsis („neuromuscularis junkció”)
Az autonóm idegrendszer
Synapticus áttevődés a központi idegrendszeri neuronokban
7. fejezet - Az izomműködés
Az izom-összehúzódás molekuláris mechanikája
A vázizom (harántcsíkolt izom)
A szívizom-kontrakció molekuláris élettana
A simaizmok működése

1. fejezet - A belső környezet és a homeosztázis

HARVEY korszakot jelentő felfedezése óta az élettani tudományok exponenciális léptékben fejlődnek. Az új tények áradásával folyamatosan új felfogások váltják fel a régieket. Ennek ellenére a 19. század második és a 20. század első felében két olyan alapvető koncepció alakult ki, amelyek változatlanul élettani gondolkodásunk alapját képezik: ezek a “belső környezet” és a “homeosztázis” fogalmai.

A belső környezet

A belső környezet fogalma a 19. század derekán élt francia fiziológus, Claude BERNARD nevéhez fűződik, aki kifejtette, hogy “... az élő szervezet voltaképpen nem a külső környezetében (milieu exterieur) létezik (a légkörben, ha lélegzik, a tengerben vagy édesvízben, ha ebben a környezetben él), hanem egy folyékony belső környezetben (milieu intérieur), amelyet a keringő folyadék alkot, amely körülveszi valamennyi szöveti elemét. Ez a folyadék a nyirok vagy a plazma, a vér folyékony alkotórésze, amely a magasabb fejlettségű állatokban a szövetekben diffundál, és a sejtek közötti folyadékot képezi. A belső környezet stabilitása az elsődleges feltétele a létezés szabadságának és függetlenségének”.

Az első egysejtű élőlények 3 milliárd évvel ezelőtt az őstengerben keletkeztek, környezetük (külső környezet) az akkori tengervíz volt. Az állandó összetételű tengervíz a sejtek számára stabil környezetet bizosított. Minden egyes sejt közvetlenül a tengervízzel állt folyamatos kapcsolatban, egyes anyagokat onnan vett fel, másokat pedig oda adott le. A sejtekben lévő intracelluláris folyadék összetétele alapjában különbözött a tengervíz összetételétől. Az evolúció során soksejtű szervezetek jelentek meg, amelyek legtöbb sejtje már nem érintkezett közvetlenül a külső környezettel. Megjelent a keringési rendszer: a vérkeringés kötötte össze az egyes sejteket, ill. szerveket egymással, és biztosította az összeköttetést a külső környezettel. Ezen fejlődési folyamat eredményeként az egyes sejtek már a velük közvetlenül érintkező belső környezetben élnek, és ezzel állnak ugyanolyan folyamatos kapcsolatban, mint eredetileg az egysejtűek álltak az őstengerrel.

A belső környezetre vonatkozó fizikai-kémiai alapfogalmak

A testnedvek alkotórészeinek mértékegységei

A testnedvek élettanának megértése a nedvek összetételének megismerésével vette kezdetét. A kémiában a tömegegység a mol. A fizikai kémiában a koncentrációk helyes megjelölése az egy kg oldószerben oldott molok mennyisége, mol/kg oldószer (molális koncentráció, molalitás). Biológiai rendszerekben az oldószer a víz, a molális koncentráció a molban kifejezett oldott anyag/kg H2O. A biológiai tudományokban, beleértve az élettant és az orvostudományt, a koncentrációkat gyakran mol/liter dimenzióban adjuk meg (moláris koncentráció, molaritás), vagy gyakrabban mmol/liter (= 10–3 mol/liter) dimenzióban. Híg oldatokban a molális és a moláris koncentrációk csak kis mértékben térnek el egymástól; a vérplazma nagy szárazanyag-tartalma miatt a molális és a moláris koncentrációk különböznek.

Ionizált anyagok koncentrációját vagy mmol/literben adjuk meg, vagy az ionizációt figyelembe véve mval/liter értékben. (Az angol szakirodalom a milliekvivalens/liter elnevezést használja, rövidítése mEq/liter; az SI-ben nem használatos sem a mval, sem a mEq mértékegység, és ez – pl. a 17. fejezetben – bizonyos elfogadott pontatlanságokat eredményez.) Egyértékű ionok esetében (mint a Na+, K+, Cl, HCO3, H2PO4) a mmol/literben megadott koncentrációk számszerűen megegyeznek a mval/literben megadott koncentrációkkal. Kétértékű ionok (mint a Ca2+, Mg2+, HPO42–) esetében a mmol/liter értéket a töltések számával (a példákban kettővel) kell megszorozni a mval/liter érték megadásához. A fehérjék polielektrolitok számos ionizációra képes csoporttal; a fehérjék a szervezetben többségükben polianionok (fehérjen–, ahol n a negatív töltések száma, amelyet sav-bázis titrálással állapítunk meg): a fehérjék esetében a mol/l érték jelentősen eltér a mval/l értéktől.

Ozmózis

Vizes oldatokban egy vagy több oldott anyag jelenléte csökkenti a víz kémiai potenciálját. Ennek látható következményeit először olyan rendszerben tapasztalták, amelyben két eltérő összetételű kompartmentet (vizes oldatot) egy határoló membrán választott el. A membrán átjárható volt a víz, de átjárhatatlan az oldott anyagok számára: az ilyen membránokat féligáteresztő, szemipermeábilis membránoknak nevezzük. A vízmolekulák nettó mozgása a membránon keresztül a hígabb oldat felől a koncentráltabb oldat felé irányult (ozmózis, ozmotikus vízáramlás). Ha a két oldat nyitott térben helyezkedett el (pl. egy pohárban, amelyet szemipermeábilis membrán osztott ketté), akkor a koncentráltabb oldat térfogata növekedett és a hígabb oldat térfogata ugyanannyival csökkent.

Ozmotikus nyomás

Ha a két eltérő koncentrációjú folyadék egy U alakú cső két szárában membránnal elválasztva foglalt helyet, láthatóvá vált, hogy a koncentráltabb oldatot tartalmazó szárban a folyadékszint (a folyadékoszlop magassága) emelkedett: ez nyomáskülönbséget jelzett, amelyet a két oldat közötti nettó vízmozgás hozott létre. A koncentráltabb oldatra nehezedő hidrosztatikus nyomás megszünteti az ozmotikus vízáramlást. Az a hidrosztatikus nyomás, amely éppen megállítja az ozmotikus vízáramlást, a koncentráltabb oldat ozmotikus nyomása a hígabb oldatéval szemben. Az ozmotikus nyomást (mint nyomás, erő jellegű) az élettanban Hgmm-ben vagy kilopascalban (kPa) mérjük.

Ozmolalitás és ozmolaritás

Az ozmotikus nyomás az oldott részecskék (molekulák vagy ionok) számának függvénye. Ideálisan, nem elektrolit oldatokban az ozmotikus nyomás (π) = R × T × molális koncentráció: ez van't Hoff törvénye. (R a gázállandó, T a Kelvin fokban megadott abszolut hőmérséklet.) Disszociáló oldott anyagok (elektrolitek) esetében az oldott elektrolit molális koncentrációját szoroznunk kell a disszociációval keletkezett ionok számával (azaz NaCl esetében kettővel, Na2SO4 esetében pedig hárommal). Ebben az esetben π = R × T × n × molális koncentráció, n egyenlő a keletkezett ionok számával. [Pontos számításokban egy további faktort, az ozmotikus koefficienst (Φ) is tekintetbe kell vennünk, a jelen fejezetben ezt elhanyagoljuk.] Az ozmolalitás (a koncentráció egysége, rövidítése Osm/kg H2O) valamennyi oldott részecske molális koncentrációinak összege. Az élettanban mértékegységünk 10–3 Osm/kg H2O, azaz mOsm/kg H2O. Esetenként az ozmolalitás helyett az ozmolaritás értékét adják meg az ozmotikus koncentráció értékeként. Az ozmolaritás = Osm/liter oldat, illetve biológiai folyadékokban gyakrabban mOsm/liter oldat. Amennyiben két olyan biológiai folyadék ozmotikus koncentrációit kell összehasonlítanunk, amelyekben a fehérjekoncentráció jelentősen különbözik (pl. az interstitialis és az intracelluláris folyadék közötti ozmózist vizsgáljuk), akkor az ozmolalitás megadása a helyes.

A víz kémiai potenciáljának az oldott anyagok hatására bekövetkező változása az oldat fagyáspontjának változásában is megnyilvánul (fagyáspontcsökkenés). Annak a vizes oldatnak a fagyáspontja, amelynek ozmotikus koncentrációja egy Osm/kg H2O = –1,86 °C. Az oldat ozmolalitását többnyire az oldat fagyáspontcsökkenése alapján mérjük. Az azonos fagyáspontcsökkenésű oldatok izozmotikus oldatok. A vérplazma, az interstitialis és az intracelluláris folyadék izozmotikus folyadékok. Ha valamely oldat ozmolalitása az említetteknél alacsonyabb, akkor ezt hipozmotikus oldatként említjük; az izozmotikusnál magasabb ozmolalitású oldatok hiperozmotikusak.

Rejekciós hányados

Ha a kompartmenteket elválasztó membrán nemcsak vízre permeábilis, de részlegesen átjárható valamelyik oldott anyagra is, ezt a rejekciós hányados, a σ érték jellemzi. A σ értéke 1 és 0 között változhat: az érték akkor 1, ha a membrán az oldott anyagot egyáltalán nem engedi át, és akkor 0, ha a membrán az oldott anyagot teljesen átengedi. Ha a σ < 1, akkor az ozmotikus nyomás, π már nem számítható ki a fagyáspontcsökkenés alapján. A kompartmentek közötti ozmotikus nyomás kialakulása a σ értékkel együtt csökken.

Az élettanban a membrán permeabilitását figyelembe véve az ozmózis, ozmotikus vízáramlás jellemzésére a tonicitás fogalmát használjuk. Ha a σ értéke 1, akkor az ozmolalitás egyenlő a tonicitással, és az ozmotikus nyomást az ozmolalitás alapján számíthatjuk. Ha azonban a σ értéke kisebb mint 1, akkor a tonicitás kisebb, mint az ozmolalitás. Minthogy a biológiai membránok esetében a σ érték 0 és 1 közé esik, az ozmotikus vízáramlást az elválasztott oldatok tonicitása határozza meg. Az izotóniás, hipertóniás és hipotóniás fogalmakra a továbbiakban térünk vissza.

Az extracelluláris folyadék

Az extracelluláris folyadék részben az ereken belül (intravascularisan), részben az ereken kívül (extravascularisan) helyezkedik el. Az ereken belüli és kívüli kompartmenteket a kapillárisok membránja (endothelium és bazális membrán, l. a 9. fejezetet) választja el.

Az extracelluláris folyadék ereken belüli kompartmentje a vérplazma: ez az extracelluláris folyadéknak mintegy negyedét teszi ki. A vérplazma a vér folyékony része. A vér heterogén rendszer: a folyékony fázisban különböző sejtes elemek [vörösvérsejtek (erythrocyták), vérlemezkék (thrombocyták), lymphocyták, granulocyták és monocyták] szuszpenziót képeznek.

A sejtes elemek a vér 44-46%-át, a vérplazma pedig 54-56%-át teszi ki. A sejtes elemek aránya a teljes véren belül a hematokritérték, amelyet ma frakcionális értékben fejezünk ki (számszerűen tehát 0,44-0,46). A sejtes elemek legnagyobb részét a vörösvérsejtek teszik ki, a 0,44-es hematokritértékből a vörösvérsejtek részesedése 0,43.

Az extracelluláris folyadék érpályán kívüli kompartmentje az interstitialis folyadék. A sejtek szövetekké szerveződnek. A szövetekben a sejtek felületük egy részével egymáshoz tapadnak, míg felszínük másik része a szövetközti, más néven interstitialis térrel érintkezik (1-1. ábra). Az interstitialis térben a mechanikai stabilitást a szilárd rostok (kollagén- és más rostok) jelenléte biztosítja. A rostok között a folyékony fázist az interstitialis folyadék, a sejtek közvetlen környezete képezi.

1-1. ábra. Az intercelluláris és az intravasalis folyadék elhelyezkedése

Az extracelluláris folyadék ozmolalitása

Az emlősök extracelluláris folyadékának ozmotikus koncentrációja kb. 290 mOsm/kg H2O. A teljes ozmolalitásból a nátriumionok részesedése mintegy 140 mOsm/kg H2O, a kloridionoké kb. 100 mOsm/kg H2O és a bikarbonátionoké 24 mOsm/kg H2O. A teljes ozmolalitásból tehát több mint 260 mOsm/kg H2O-t a nátrium-, a klorid- és a bikarbonátionok fedeznek: ez a három ion teszi ki gerincesekben az extracelluláris folyadék ozmotikus vázát, míg a többi oldott anyag (kalcium-, magnézium- és foszfátionok, glukóz, urea és más szerves vegyületek) fiziológiásan csak kisebb szerepet játszanak (1-2. ábra).

1-2. ábra. A vérplazma ozmolalitását meghatározó tényezők: ionok és nem ionizált összetevők

A sejtek és az extracelluláris folyadék közötti vízmegoszlás

A sejtek nagy részében a plazmamembrán csak kevéssé áteresztő nátriumionokra; a vízpermeabilitás viszont sokkal nagyobb (l. a 2. fejezetet). A sejteken belüli – intracelluláris – folyadék ozmotikusan aktív részecskéi a kálium, a szervetlen foszfát, különböző szerves foszfátvegyületek és más szerves anionok. A felsorolt anionokra nézve a plazmamembrán – első megközelítésben – nem permeábilis. A korlátozott ionpermeabilitás és a nagyságrendileg nagyobb vízpermeabilitás következtében a plazmamembrán megközelíti a már említett szemipermeábilis membránok tulajdonságait. Mivel a víz viszonylag szabadon áramlik a membránon keresztül, a membrán két oldala között nincs ozmotikus koncentráció különbség, az extracelluláris és az intracelluláris folyadék izozmotikus.

A plazmamembrán szemipermeabilitása azt jelenti, hogy a sejtek térfogatát a sejteken belüli és kívüli ozmotikusan aktív részecskék száma határozza meg. A sejtek nagy része ozmométerként viselkedik: ha az ozmolalitás akár a sejteken belül, akár a sejteken kívül változik, a sejtek térfogata is megváltozik. Ezekben az esetekben a víz a plazmamembránon keresztül a hígabb oldatból a koncentráltabb oldat irányába áramlik (ozmotikus vízvándorlás, a vízpermeabilitás mechanizmusait a 2. fejezetben írjuk le).

A sejttérfogat nő, sejtduzzadás következik be:

  • ha a sejten belüli ozmotikus ekvivalensek száma növekszik (intracelluláris hiperozmózis);

  • ha az extracelluláris ozmotikus koncentráció csökken (extracelluláris hipozmózis).

A sejttérfogat csökken sejtzsugorodás jön létre:

  • ha a sejteken kívüli ozmotikus ekvivalensek száma nő (extracelluláris hiperozmózis);

  • ha a sejteken belüli ozmotikusan aktív részecskék száma csökken (intracelluláris hipozmózis, ami a sejtek aktív térfogatszabályoza során fordul elő, l. a 2. fejezetet).

Bár az extracelluláris ozmotikus koncentráció nagy része a nátrium-, klorid- és bikarbonátionok ozmotikus aktivitásából adódik össze, egyes kóros állapotokban a glukóz magas koncentrációja az extracelluláris ozmolalitás jelentős tényezőjévé válhat. Ilyen állapot fordulhat elő a cukorbetegség súlyos formájában (l. a 23. fejezetet), amikor a magas plazmaglukózszint jelentősen megnöveli az extracelluláris ozmolalitást.

Az extracelluláris folyadék ozmolalitását általában 290 mOsm/kg H2O-nak vesszük. Az értéket a vérplazma fagyáspontcsökkenésének mérésével határozhatjuk meg. Az orvosi és élettani szóhasználatban az extracelluláris folyadék ozmolalitásával azonos ozmolalitású oldatokat izozmotikus oldatoknak nevezzük. Az orvostudományban és az élettanban azonban gyakrabban használjuk az izotóniás oldat kifejezést. Valamely izozmotikus oldat akkor izotóniás a vérplazmával, ha oldott anyagai nem hatolnak át a sejtmembránon, azaz az oldott anyagok σ értéke közel 1. Mivel a Na+- és a Cl-ok σ értéke valamivel kisebb mint 1, csak a 154 mM koncentrációjú NaCl oldat izotóniás – ezt fiziológiás sóoldatnak nevezzük, és nap mint nap alkalmazzuk az orvoslásban. A hipertóniás és a hipotóniás oldat elnevezést a vérplazma tonicitására vonatkoztatjuk. A nyál hipotóniás szekréciós termék, a vizelet vagy hipertóniás, vagy hipotóniás lehet.

Különleges extracelluláris folyadékkompartmentek

Egyes sejtcsoportok szekréciós vagy felszívó működésükkel jelentősen módosítják a közvetlen környezetükben lévő interstitialis folyadék összetételét. A keletkező szubkompartmentek egyedi ionösszetételűek, lényegében el vannak választva mind az érrendszeren belüli plazmától, mind az extracelluláris folyadék fő tömegétől. Ilyen speciális szubkompartmentet képez a cerebrospinalis folyadék (liquor cerebrospinalis, CSF, l. a 13. fejezetet), a szem csarnokvíze (l. a 35. fejezetet), a belső fül endolymphája (l. a 36. fejezetet), valamint a pleuraűr, a hasüreg és a pericardialis tér folyadéktartalma. Ezeket a szubkompartmenteket “transzcelluláris folyadék”-ként is szokásos említeni.

Egyes könyvekben transzcelluláris folyadékként említik azokat a szekrétumokat is, amelyeket az emésztőmirigyek választanak el, és amelyek rövid időn belül visszaszívódnak a vérkeringésbe (nyál, gyomor- és bélnedv, pancreasnedv, epe).

A vérplazma

Az erekben keringő vérplazma a kapillárisok membránján keresztül az interstitialis folyadékkal érintkezik, a két kompartment között anyagok cserélődnek ki (1-3. ábra). Az extracelluláris folyadék két fő kompartmentje közül a vérplazma van gyors mozgásban: bármely, az érpályába beadott anyag mintegy 5 perc alatt a teljes érpályában egyenletesen oszlik meg. A molekulák helyváltoztatása az interstitialis térben lényegesen lassabb. Az ereken belüli és az interstitialis kompartmentek között a kis molekulák diffúziós kiegyenlítődése órákat vesz igénybe.

A szervezet és a külvilág (külső környezet) között határfelületek vannak, amelyeken keresztül anyagok és hő cserélődhetnek ki. Tudatában kell lennünk, hogy az egész tápcsatorna lumene, az egész légzőrendszer gáztere és a vizeletelvezető rendszer valójában “külvilág”: a határfelületet a bélelő, ill. borító hámrétegek képezik. A keringő vérplazma csak közvetve, az interstitialis folyadékon és a felszíni hámokon keresztül érintkezik a külvilággal.

A vérplazma a szállítója a víznek, szervetlen ionoknak, sav-bázis puffereknek, tápanyagoknak, fehérjéknek, hormonoknak és más jelzőmolekuláknak, anyagcsere végtermékeknek és a hőnek; a benne oldott gázok révén részt vesz a gázok szállításában. A vérplazmában oldott anyagok részben diffuzíbilis kis molekulák, részben nem diffuzíbilis makromolekulák. Az 1-1. táblázatban tüntettük fel a vérplazma fontosabb ionos összetevőinek koncentrációit. A legfontosabb tápanyagok a glukóz, laktát, piruvát, aminosavak, szabad zsírsavak, lipoproteinek és ketontestek (acetoacetát, β-hidroxi-butirát); a vérplazmában szállított bomlástermékek (anyagcsere-végtermékek) a bilirubin, kreatinin, urát és urea. Egészséges egyénekben a legtöbb összetevő koncentrációja szűk határok között mozog: egyeseket az anyagcsere folyamatai, másokat hormonok szabályoznak. Az egyes összetevők koncentrációinak meghatározása a klinikai orvosi gyakorlat állandó része; amenyiben jelentős eltérés mutatkozik a normálértékektől, az értékek helyreállítására orvosi beavatkozás válhat szükségessé.

Az 1-1. táblázatban a belső környezet ionösszetételét mutattuk be: ebben a táblázatban az átlagos értékek szerepelnek. Az “átlag” annyit jelent, hogy ha egészséges emberek megfelelően nagy létszámú populációjának vérmintáit ismételten vizsgáljuk, valamennyi vizsgálatsorozat eredményének átlaga közel esik az 1-1. táblázat A részében közölt értékekhez. Az 1-1. táblázat B része részletezi négy fontos ion (Na+, K+, Cl és HCO3) koncentrációjának szóródását. Ha az adatokat egészséges egyedek nagy populációjában határozzuk meg, akkor az egyedek 95%-ában (de csak 95%-ában) a mérési értékek a táblázatban bemutatott határok közé esnek. A szabályozás arra irányul, hogy a felsorolt ionok koncentrációi ezen határok között maradjanak.

1-3. ábra. A szervezet folyadékkompartmentjei és érintkezésük a külső környezettel . (B. Folkow és E. Neil: Circulation, Oxford University Press, New York-London-Toronto, 1971. könyve alapján)

4.1. táblázat - 1-1. táblázat. Az emberi vérplazma főbb ionjai. A) Átlagos koncentrációk. (R. Greger és U. Windhorst: Comprehensive Human Physiology, Springer, 1996 alapján)

Kationkoncentráció

(mmol/l)

Anionkoncentráció

(mmol/l)

Na+

142

Cl

106

K+

4

HCO3

25

Ca2+*

1,25

H2PO4 +HPO42–

1

Mg2+

1


* A vérplazma teljes kalciumkoncentrációja a diffuzíbilis és a nem diffuzíbilis (fehérjékhez kötött) kalciumfrakciók összege, 2,5 mmol/l (l. a 16. fejezetet). A vérplazma ionizált kalcium koncentrációja 1,25 mmol/l.

4.2. táblázat - 1-1. táblázat. Az emberi vérplazma főbb ionjai. B) A legfontosabbak koncentrációtartományai

Ion

95%-os tartomány

(mmol/l)

Na+

K+

Cl

HCO3

138-151

3,4-5,2

101-111

21,0-28,5


Ozmolalitás: 290 mOsm/kg H2O (95%-os tartomány 281–297 mOsm/kg H2O)

A plazmafehérjék

A vérplazma literenként mintegy 60-80 g fehérjét tartalmaz. Molekulatömegük (M 70 kDa) és geometriai méreteik (aszimmetrikus, elnyújtott alakjuk) következtében a plazmafehérjék nehezen hatolnak át a kapillárismembránon (a részleteket illetően l. a 9. fejezetet): a plazmafehérjék képezik a vérplazma oldott anyagainak nem diffuzíbilis frakcióját. A plazmafehérjék közvetlenül érintkeznek a kapillárisok endotheljével és a vérsejtekkel, de a sejtek túlnyomó többségével ez az érintkezés korlátozott.

A fehérjefrakcionálási eljárások alapján – a klasszikus módszer az elektroforézis – hat fő plazmafehérje-frakciót különböztetünk meg (1-2. táblázat): ezek az albumin, az α1-, az α2-, a β- és a γ-globulin, valamint a fibrinogén. A hat frakció közül az albumin és a fibrinogén egységes (homogén), egy fehérje alkotja. A többi 4 frakció heterogén, mindegyikük különböző fehérjék keveréke, amelyeknek csak elektroforetikus mobilitása hasonló.

A fehérjék funkciói közé tartozik a vérplazma kolloidozmotikus, más néven onkotikus nyomásának fenntartása [ezzel a fehérjék meghatározzák az extracelluláris folyadék megoszlását az éren belüli (intravasalis) és az éren kívüli (extravasalis) folyadékterek között]. A fehérjék – ionizáló csoportjaik révén – részei a sav-bázis pufferrendszereknek. A fehérjék szerepelnek a tápanyagok belső transzportjában. A fehérjék résztvevői az érfal sérüléseit követő vérzéscsillapodás folyamatainak, továbbá a szervezet immunvédekezésének.

A fehérjék részben specifikusan, részben aspecifikusan kötnek különböző diffuzíbilis anyagokat (ionokat és hormonokat). A plazmafehérjék egyes diffuzíbilis anyagokkal adszorpciós kötést létesíthetnek: az adszorpciós kötés reverzíbilis, a szabad és a kötött forma egyensúlyban van. A fehérjekötés lassítja egyes anyagok vesén keresztüli ürítését, de csökkenti egyes hírvivő molekulák (pl. hormonok és citokinek) hozzáférését az érpályán kívüli célsejtjeikhez. Egyes kis molekulájú anyagok, közöttük fémionok, hormonok, hormonelőanyagok és vitaminok specifikus, nagy affinitású transzportfehérjékhez kötődve szállítódnak. Ilyen nagy affinitású transzportfehérjék a vasat szállító transzferrin, a rezet kötő cöruloplazmin, a pajzsmirigyhormonokat szállító tiroxinkötő globulin, a glukokortikoid hormonokat szállító transzkortin, néhány növekedési faktor (pl. IGF-1 és IGF-2) kötőfehérjéje, a B12-vitamint szállító transzkobalamin és a szabad hemoglobinnal komplexet képző haptoglobin (szabad hemoglobin csak vörösvérsejt-szétesés után jelenik meg a vérplazmában). Az említett specifikus szállítófehérjék mellett mind a hormonok, mind más, idegen anyagok, gyógyszerek aspecifikusan, kis affinitással is kötődnek különböző plazmafehérjékhez, főként albuminhoz.

4.3. táblázat - 1-2. táblázat. A vérplazmafehérjék

Frakció

M r (kDa)

Koncentráció (g/l)

Funkció(k)

Albumin

66

35–45

Onkotikus nyomás

Hidrofób anyagok transzportja (bilirubin, szabad zsírsavak)

α1-globulinok

21−64

3–6

Retinol, tiroxin, kortizol transzportja

α2-globulinok

100–400

4–9

Réztranszport

Szabad hemoglobin megkötése

β-globulinok

12–118

6–11

Vastranszport

γ-globulinok

M 150

7–15

Antitestek

Fibrinogén

340

3

Véralvadás


A táblázat nem tünteti fel, hogy a kolloidozmotikus nyomás létrehozásában, moláris koncentrációjának megfelelően, valamennyi plazmafehérje részt vesz, csak a legjelentősebb tényezőt, az albumint emeli ki.

A vérplazma fehérjéi között találunk enzimeket (plazmaenzimek vagy szérumenzimek), amelyeket különböző sejtek szintetizálnak, és ezekből mintegy “véletlenül” kerültek az érpályába, nincs ismert funkciójuk. Az enzimek meghatározása része a diagnosztikának, mért aktivitásuk meghatározott sejtek fokozott működésre vagy sérülésére utal. Igy az ún. alkalikus foszfatáz (azaz alkalikus pH-optimumon működő foszfatáz) a csont oszteoblastjainak fokozott működését jelzi (l. a 16. fejezetet). Más enzimek, pl. a kreatin-foszfokináz akkor kerülnek a keringésbe, ha a szívizomsejtek vérellátásuk megszűnése miatt károsodnak (a. coronaria elzáródás, szívizominfarktus). Egyes, enzimaktivitással nem rendelkező fehérjék, pl. kollagénlebontási termékek megjelenése is jellemzője lehet a csont anyagcseréjében bekövetkezett változásnak (l. a 16. fejezetet).

A diffuzíbilis ionok megoszlása a vérplazma és az interstitialis folyadék között

Ha összehasonlítjuk az 1-1. táblázatban közölt pozitív és negatív ionok töltésenek összegezett koncentrációit, kitűnik, hogy a Na+, a K+, a Ca2+ és a Mg2+ pozitív töltéseit nem kompenzálja teljesen a diffuzíbilis anionok (Cl, HCO3, HPO42–/H2PO4 (továbbá néhány szerves anion, mint a piruvát és a laktát) negatív töltéseinek összege. A negatív töltések deficitjét a vérplazma nem diffuzíbilis fehérje anionjai egyenlítik ki (1-4. ábra).

A fehérjék ionizációra képes csoportjainak disszociációja a környezet pH-értékétől függ. A vérplazma pH-értékén (≈ 7,4) valamennyi plazmafehérjének nettó negatív töltése van (azaz az összegezett negatív töltések száma meghaladja a pozitív töltésekét), a plazmafehérjék multivalens anionok.

Mind a vérplazmában, mind az interstitialis folyadékban valamennyi kation diffuzíbilis. A kapillárismembrán nagyrészt átjárhatatlan a negatív töltésű fehérjék számára (l. a 9. fejezetet). A nem diffuzíbilis anionok koncentrációja sokkal kisebb az interstitialis folyadékban, mint a vérplazmában. A nem diffuzíbilis anionok koncentrációkülönbsége a kapillárismembrán két oldalán a diffuzíbilis ionokban is koncentrációkülönbséget hoz létre: az eredmény a diffuzíbilis ionokegyensúlyra vezető Gibbs–Donnan-megoszlásaa membrán két oldalán (gyakran említik Donnan-megoszlásként is). A diffuzíbilis anionok és kationok között a membrán két oldalán kialakuló koncentrációkülönbség azonban kisebb, mint 5%. Az élettan közelítő számításaiban a Donnan-megoszlásból eredő ionkoncentráció-különbségeket nem mindig vesszük figyelembe.

1-4. ábra. Az emberi vérplazma kation- és anion-összetevőinek diagramja. (J. L. Gamble: Chemical anatomy, physiology and pathology of extracellular fluid, 5. kiadás, Harvard University Press, Cambridge, MA 1950. műve alapján készült diagram)

A folyadékkompartmentek térfogatának meghatározása

Első megközelítésben a szervezet két folyadékkompartmentje az extracelluláris és az intracelluláris folyadékok (“folyadéktér”) ; az extracelluláris kompartment tovább oszlik az érpályán belüli (vérplazma) és az érpályán kívüli (interstitialis folyadék) folyadékterekre (l. az 1-2. ábrát). Az éren belüli és az extracelluláris folyadékterek, valamint a szervezet teljes víztartalmának mérése a hígítási elven alapul: egy keringésbe juttatott indikátor (pl. festék) koncentrációja (hígulása) egyenletes eloszlás után megadja annak a térnek a térfogatát, amelyben az adott indikátor megoszlott:

megoszlási tér = beadott indikátor mennyisége / megoszlás utáni indikátorkoncentráció.

Ha a hígítási elvet élő szervezetben szeretnénk alkalmazni, az indikátor néhány feltételnek meg kell feleljen: nem szabad elhagynia a szervezetet a mérési időszak alatt, vagy – ha kiválasztásra kerül – ismernünk kell a kiürített mennyiséget; nem bomolhat le a szervezetben, és az alkalmazott mennyiségben nem idézhet elő változást a folyadékterekben (azaz az indikátoroknak nem lehet sem ozmotikus, sem diuretikus hatása); természetesen nem lehet mérgező a szervezetre.

Az egyes megoszlási terek mérésére alkalmazott indikátorok elvben nem léphetnek át a teret határoló membránon. A plazmatérfogat meghatározására szolgáló indikátor nem hatolhat át a kapillárismembránon; az extracelluláris tér meghatározására szolgáló indikátor nem hatolhat át a sejtek plazmamembránján. (Ezt az utóbbi feltételt azonban nehéz maradéktalanul teljesíteni.)

A plazmatérfogat mérése. A plazmatérfogatot olyan indikátorok segítségével mérjük, amelyeknek vagy nagy a molekulatömege (pl. valamely sugárzó izotóppal in vitro jelzett humán plazmaalbumin), vagy festékek, amelyek gyorsan és szorosan kötődnek a plazmafehérjékhez (ilyen festék az Evans-kék). Az intravénásan beadott indikátorok mintegy 10 percen belül egyenletesen oszlanak meg a vérplazmában. A plazma térfogata a test tömegének mintegy 4,5-5%-a, azaz egy 70 kg tömegű (“súlyú”) fiatal férfi plazmatérfogata 3-3,5 liter.

Az extracelluláris folyadék térfogatának mérése. Az extracelluláris folyadékot a sejtek belső terétől a sejtek plazmamembránja választja el. Az extracelluláris térfogat meghatározására olyan indikátort kell alkalmaznunk, amely méreténél fogva akadálytalanul átjut a kapillárisok membránján, de a sejtmembránon nem képes áthatolni: megoszlási tere így az extracelluláris tér. Az egyenletes megoszlás azonban órákat vesz igénybe. Az extracelluláris folyadék elfogadott értéke a test tömegének mintegy 20%-a, azaz egy 70 kg-os fiatal férfiban 14 liter.

Az interstitialis folyadék térfogatának számítása. Az interstitialis folyadék térfogata az extracelluláris tér és a plazmatérfogat különbsége. A már megadott értékek alapján:

14 liter extracelluláris térfogat – 3 liter plazmatérfogat = 11 liter interstitialis folyadék térfogat.

A szervezet teljes víztartalmának mérése. A szervezet teljes víztartalma a teljes testtömeg kb. 60%-a, azaz egészséges felnőtt fiatal férfiban mintegy 42 liter. A meghatározáshoz használt indikátor deutérium-oxid (D2O) vagy triciummal jelzett víz (3H2O). A teljes víztartalomból kivonva az extracelluláris folyadék mennyiségét kapjuk meg az intracelluláris víz térfogatát, ez – az előző példa adatai szerint – 28 liter.

A zsírmentes testtömeg. A zsírszövet csak nagyon kevés extra- és intracelluláris vizet tartalmaz, ezért a teljes víztartalom abszolút értéke mind az elhízott, mind a sovány testalkatú egyedekben közel azonos (ugyanez vonatkozik az extracelluláris víz térfogatára is). Egy elhízott egyénben az extra- és az intracelluláris folyadéknak a testtömeghez viszonyított százalékos aránya kisebb, mint egy nem elhízott egyénben. Az extra- és az intracelluláris folyadék térfogata egyenesen arányos a zsírmentes testtömeggel (angolul lean body mass): a zsírmentes testtömeget a test sűrűségének mérésével határozhatjuk meg.

A homeosztázis fogalma és a szabályozási folyamatok alapjai

A homeosztázis fogalmának bevezetése az amerikai fiziológus, Walter Bradford CANNON érdeme. Cannon megfogalmazásában a homeosztázis a szervezetnek az a képessége, hogy megőrzi belső állapotának szükséges állandóságát. Ilyen értelemben említjük a folyadékforgalom, nátriumforgalom, káliumforgalom stb. homeosztázisát: ez annyit jelent, hogy a bevitel megfelel az ürítésnek, és ennek következtében a testnedvek ozmotikus, nátrium- és káliumkoncentrációja állandó; a glukózforgalom homeosztázisa annyit jelent, hogy a glukóz keletkezése és felhasználása egyensúlyban van, a vér glukózkoncentrációja adott határokon belül állandó; a vérkeringés homeosztázisa az artériás vérnyomás, szívfrekvencia stb. állandóságában nyilvánul meg. A homeosztatikus működés tehát az ún. “normális érték” fenntartására irányuló tevékenység.

A “normális érték” fogalma

A szervezet kifogástalan vagy hibás működését gyakran valamely számszerűen meghatározható paraméterrel (koncentráció, keringési paraméter, mint pl. pulzusszám) jellemezzük. Ilyen paramétereket tartalmaz pl. az 1-1. táblázat. Megfigyelhető, hogy a táblázat ‘A’ része egy ionra csak egyetlen adatot, az ún. “normális átlagérték”-et tartalmazza. Megegyezés szerint a normális átlagérték (röviden normális érték) egészséges emberek nagyobb csoportjából vett minta számtani átlagértéke. A ‘B’ rész már az ún. “normális koncentrációtartomány”-t tünteti fel. A normális koncentrációtartomány – amint az előzőekben említettük – azt jelenti, hogy ha egy adott egészséges (“normális”) egyedet vizsgálunk, akkor 95% annak a valószínűsége, hogy a vérében meghatározott érték a megadott koncentrációtartományba esik, viszont a teljesen egészséges emberek 5%-ának vérében mért érték a normális(nak tartott) koncentrációtartományon kívül esik.

Az egészséges emberekben mért érték csak meghatározott feltételek között esik a normális tartományba: a feltétel lehet egy adott napszak, éhomi állapot, testi, ill. lelki nyugalom, meghatározott külső hőmérséklet stb. A felsorolt példákban az értékek a körülményeknek megfelelően egy kiindulási érték körül ingadoznak.

A dinamikus egyensúly (steady state)

Az élő szervezetek nyílt rendszerek: anyagaik állandó kicserélődésben állnak külső környezetükkel. Ép körülmények között a szervezet összetevői dinamikus egyensúlyban vannak (angolul a steady state kifejezés világítja meg a fogalmat). Az anyagok állandó koncentrációi (az előbb említett normális értékei) úgy alakulnak ki, hogy bevitt plusz keletkezett mennyiségük összege megegyezik lebomlott és esetleges kiürült mennyiségük összegével (vagyis az anyagmérleg pozitív és negatív összetevőinek algebrai összege zérus). A dinamikus egyensúly állapota viszonylag hosszabb időtartamra vonatkozik (pl. órákra); rövidebb időszakokra (percekre) vonatkozóan a dinamikus egyensúly feltételei nem adottak.

A homeosztatikus szabályozások paradigmái

Az említett stabilitás (pl. a dinamikus egyensúly vagy a vérkeringés stabilitása) szabályozó mechanizmusokat igényel; az evolúció során csak azok az élőlények maradtak fent, amelyek a stabilizáló mechanizmusokat biztosítani tudták. A stabilizálás általában a negatív visszacsatolás alapján működik: a szabályozandó érték eltér a “kívánatos”-tól, az eltérést a szabályozástechnikából átvett kifejezéssel “hibajel”-nek nevezzük, a hibajel megindítja a kompenzáló reakciót, ami helyreállítja az eltérést, ezzel megszűnik a kompenzációt kiváltó inger.

A hibajel és érzékelése

Lényeges, hogy a hibajel nem a normális értéktől való eltérés, hanem a megelőző, jól szabályozott paramétertől való eltérés (ezt az értéket a szabályozástechnika “set point”-nak nevezi). Hibajel keletkezése nem kóros, hanem a normális szabályozás elengedhetetlen része. Az anyagok (pl. elektrolitok, víz) felvétele a szervezetbe nem folyamatos, hanem alkalomszerű, a szabályozott paraméter is ennek megfelelően ingadozik. A paraméter változását a szervezetben lévő érzékelő vagy közvetlenül észleli – erre példa lehet káliumbevitel fokozódása után a vér káliumkoncentrációjának emelkedése, amit egyes mellékvesekéreg-sejtek érzékelnek –, vagy közvetetten jut el a szabályozáshoz – erre példa lehet a nátriumbevitel csökkenése, amikor is az extracelluláris folyadék következményes csökkenése jelent ingert egyes, erre érzékeny struktúráknak. A vízfelvétel többletét vagy hiányát a központi idegrendszer erre érzékeny sejtjei detektálják.

A hibajel megfelelő szenzor általi “észlelése” váltja ki a kompenzációs mechanizmust. A kompenzációs mechanizmusok tárgyalása foglalja el az élettan tankönyvek terjedelmének jelentős részét.

A homeosztázis fenntartásának különböző paradigmái vannak. Az észlelt hibajel megváltoztathatja valamely hormon elválasztását. Így vízhiány esetén (az extracelluláris folyadék ozmolalitása növekszik) fokozódik a vazopresszin (antidiuretikus hormon) elválasztása, csökken a vesében a vízkiválasztás; nátriumhiány esetében fokozódik a vesében a reninelválasztás, ez – több áttétel után – csökkenti a vesében a nátriumkiválasztást. A hibajel más esetekben egyszerű reflexeket vált ki, amelyek a nyúltvelőben csatolódnak át: erre példa a keringésszabályozásban a nyomásszabályozó reflexek működése. Így az artériás vérnyomás emelkedését a szívfrekvencia reflexes csökkenése és a kis osztóerek tágulása követi, ezek eredményeképpen helyreáll a kiindulási vérnyomásérték. Kiemelt szerepe van a homeosztatikus szabályozásokban a hypothalamusnak, ahol az azonos célt szolgáló visszacsatolások integrálódnak. Így a testhőmérsékletnek a normálistól való eltérése megindítja a hőszabályozás reakcióit: emelkedés esetén fokozódik a hőleadás, csökkenés esetén csökken a hőleadás, és ezzel egyidejűen fokozódik a hőtermelés.

A negatív visszacsatolásos szabályozások minden fajtájában az elsődleges esemény a szabályozott paraméter eltérése a beállítási ponttól, a hibajel megjelenése. A hibajelre adott válaszként indul meg a kompenzációs reakció. A kompenzációs reakció azonban csak ritkán marad a minimálisan szükséges szinten, általában intenzívebb, mint amekkora éppen szükséges lenne a változás kompenzálására, azaz a reakció “túllő a célon”. Az élettani paraméterek homeosztatikus korrekciója a szabályozott paraméter ingadozásaival jár (oszcilláló jellegű).

A szervezetnek arra az esetre is van stratégiája, ha a homeosztázis fenntartása hátrányos lenne: ebben az esetben kikapcsolódnak a negatív visszacsatolású kompenzációs reakciók (a homeosztázis felülírása). Így nagyobb megterhelésekre adott válasz esetén (stresszreakció) a vér glukózszintje emelkedik, aminek a helyreállítása csökkentené a szervezet védekezési kapacitását. Ebben az esetben a hyperglykaemiára nem jön létre az egyébként szokásos kompenzációs reakció (azaz az inzulinelválasztás fokozódása). Ehhez teljesen hasonlóan kapcsolódnak ki stresszállapotban az említett vérnyomást szabályozó reflexek, fenyegető körülmények között a hypothalamus “felülírja” a vérnyomás agytörzsi szabályozási mechanizmusát, és a nyomás magasabb szinten stabilizálódik.

A homeosztatikus szabályozás hibái

A homeosztatikus szabályozások a szervezet legfontosabb állandóit a fiziológiás határok közötti tartományban tartják. Ha a külső környezet részéről a szervezetre nehezedő terhelés túlságosan nagy (pl. vízhiány a sivatagban, fizikai munkavégzés forró környezetben stb.), a szabályozó mechanizmusok nem képesek teljesen kompenzálni a változásokat, a szabályozott paraméterek kívül esnek a normáltartományon, és kóros tünetek léphetnek fel. Ezekben az esetekben a normális környezetbe való visszatérés (vízhez jutás, normális klimatikus körülmények) segítenek az egyén állapotának helyreállításában. Ha a homeosztatikus mechanizmusok csődje nem vezetett visszafordíthatatlan folyamatokhoz (mint pl. az agysejtek vagy a szívizom ártalmához), a fiziológiás állapot helyreállhat. A tartós változások azonban betegsége(ke)t okozhatnak.

A betegségek gyakori oka magának a szabályozó mechanizmusnak a hibája. Az emberi megbetegedések jelentős hányada a különböző homeosztatikus mechanizmusok veleszületett vagy szerzett elégtelensége. A homeosztázis akkor is felborulhat, ha maga az effektorszerv működése válik elégtelenné.

Mérföldkövek

1878: Claude Bernard utolsó, csak halála után megjelent művében (Le?ons sur les phénomenes de la vie communs aux animaux et aux vegetaux, Paris) megalkotja a belső környezet, a “milieu intérieur” fogalmát. Bár Bernard tekintélye óriási volt, főműve (Introduction á l'etude de la médecine expérimentale Paris, 1865) széles körben ismert, ezen korszakalkotó meglátásának jelentőségét csak a következő évszázadban ismerték el.

1883: Sidney Ringer felfedezi, hogy az izolált békaszív működésének fenntartásához a Na+-ok mellett K+- és Ca2+-ok jelenléte és meghatározott aránya is szükséges.

1926: megjelenik A. B. MacCallum összefoglaló közleménye (The palaeochemistry of the body fluids), amelyben párhuzamot von az evolúció és a környezet változásai között.

1926: Walter Bradford Cannon először fogalmazza meg feltevéseit a biológiai homeosztázist illetően. Nézeteit 1929-ben foglalja össze Organization for physiological homeostasis címmel. A “homeosztázis” fogalma azonban csak két egymást követő kiadást megért (1932, bővített kiadása 1939) könyvével válik ismertté: The Wisdom of the Body, a könyv még ma is nagy hatással van a fiziológiára és a fiziológusokra.

1920-as évek: a kutató gyermekgyógyász James L. Gamble Jr. és munkatársai megkezdik az extracelluláris folyadék elektrolitjeire vonatkozó alapvető fogalmak kialakítását. 1942-ben jelenik meg Gamble alapvető, mindmáig idézett monográfiája (Chemical Anatomy, Physiology and Pathology of Extracellular Fluid, Harvard University Press, Cambridge, MA. 1942).