Grundlagen und Methoden der Physiologie; molekulare und zelluläre Aspekte

 
Homöostase, Steuerung, Rückkopplung, Adaptation

 
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© H. Hinghofer-Szalkay

Adaptation: ad-aptare = anpassen
Allostase:
ἄλλως = anders, στάσις = Stand
Barorezeptor: βαρύς = schwer, recipere = behalten, erlangen, aufnehmen
Homöostase: ὁμοιοστάσις = Gleichstand
Kybernetik: κυβερνήτης = Steuermann
postprandial: post = nach, prandium = zweites Frühstück
Resilienz: resilire = abprallen
zirkadian: circa = um herum, ungefähr, dies = Tag

Homöostase bedeutet die Stabilisierung von Zustandsvariablen im Organismus, sie hält bestimmte Größen in einem definierbaren Bereich. Durch Regelung werden Abweichungen bestimmter "Istwerte" (z.B. des Blutdrucks) von erwünschten "Sollwerten" durch "Fühler" ("Rezeptoren") erfasst, "Stellglieder" ("Effektoren" - z.B. Herz, Blutgefäße) korrigieren darauf die "Regelgröße" (z.B. den Blutdruck).

Adaptation bedeutet die Anpassung an sich ändernde Umgebungsbedingungen. Sie führt ein System - wenn die Notwendigkeit dafür auftritt - zu einem neuen Zustand, in dem die physiologisch optimale Funktion besser erhalten werden kann als unter vorherigen Bedingungen (die sich verändert haben).

Rückkopplung (feedback) ist das Prinzip, Zustandsgrößen zu messen und das Ergebnis - z.B. in Form einer Erregungsgröße (Aktionspotentialmuster) - so an ein regulierendes Zentrum zu melden, dass dieses eine entsprechende Veränderung der Zustandsgröße herbeiführt (es vergleicht Istwert und Sollwert und reagiert auf Differenzen im Sinne eines negativen Feedbacks).

Positives Feedback vergrößert eine Abweichung (z.B. selbstverstärkender Natrium-Einstrom zu Beginn eines Aktionspotentials), negatives minimiert bzw. korrigiert sie.

Ziel solcher Mechanismen ist es, das jeweilige (z.B. kardiovaskuläre, metabolische, neuronale..) System in einem Zustandsbereich zu halten, der (unter gegebenen Bedingungen) optimal funktionsfähig ist.


Homöostase
physiologische Einflussgrößen
Regelkreis und feedback


>Abbildung: Ein einfacher Regelkreis


Störung der Homöostase (hier: Blutdruckabfall) bewirkt über negative Rückkopplung (hier: hormoneller Regelkreis) eine Korrektur zurück zum gewünschten Zustandsbereich der "überwachten" Variablen (hier: Blutdruck). Kombiniertes Rückkopplungsmodell s. dort

Physiologische Systeme  halten ihre Zustandswerte in einem optimalen, physiologischen Bereich. Ohne die Fähigkeit, diese Werte fortlaufend zu messen (Rezeptoren) und in Komparator-Zentren mit "Sollwerten" zu vergleichen sowie dann allenfalls entsprechende Korrekturen vorzunehmen, könnte sich keine Stabilität ergeben. Lebende Systeme verhalten sich darüber hinaus nicht nur stabil, sondern auch adaptiv, d.h. sie sind in der Lage, ihre Funktionen an wechselnde Umgebungsbedingungen laufend anzupassen.

Unter Homöostase versteht man die Fähigkeit des Organismus, bestimmte Zustandsgrößen (z.B. Blutdruck, Blutzuckerspiegel...) in einem physiologisch vernünftigen Bereich (klinisch: Referenzbereich) zu halten (z.B. Ruheblutdruck nicht über 140/90, Nüchtern-Blutglukose zwischen 3,3 und 6,0 mM/l...).

Geregelt werden - direkt oder indirekt - so gut wie alle physiologischen Größen, Systeme und Zustände. Dabei sind die jeweiligen Werte nicht rigide fixiert, sondern sie schwanken um einen - meist - optimalen ("Soll-") Wert. Die Amplitude dieser Oszillationen hat dabei eine Größe, welche die Stabilität der Systeme nicht gefährdet, sind aber ausreichend, diese ständig heruszufordern bzw. ihre Funktion zu überprüfen und zu trainieren.

Beispiele: Körpergewicht, Blutdruck, Körpertemperatur, Blutzuckerspegel, Osmolalität, Energieumsatz, Hormonkonzentrationen, Blutverteilung - sie alle verändern sich ständig, aber ihre Schwankungsbreite (manchmal gering, z.B. Osmolalität, manchmal beträchtlich, z.B. Hormonkonzentrationen) erreicht kein destabilisierendes Ausmaß.

Hier liegt eine der Kernbotschaften der Physiologie (bezüglich die Stabilität von Lebensvorgängen): Lebende Systeme verhalten sich nicht statisch, sondern dynamisch; stabil, aber anpassungsfähig; die Zustände sind veränderlich, vermeiden aber üblicherweise gefährliche Schwankungen oder unangemessene Reaktionen. Das verleiht ihnen die für das Überleben in einer sich ebenfalls in Grenzen ständig verändernden Umwelt notwendige Widerstandsfähigkeit (Resilienz
).
 
Der berühmte Physiologe Claude Bernard entwickelte um 1860 das Konzept des 'Milieu intérieur', dessen Stabilität Voraussetzung für "freies und unabhängiges" Leben sei ("La fixité du milieu intérieur est la condition d'une vie libre et indépendante") - heute würde man vielleicht eher den Begriff life support system mit Spekulationen über "unabhängiges" Leben assoziieren. Der Amerikaner Walter B. Cannon prägte den Begriff Fight-or-flight-response und entwickelte das Konzept der Homöostase in seinem 1932 erschienenen Buch "The Wisdom of the Body".
 

<Abbildung: Komplexe Regelung
Nach: Gosman GG et al, Obesity and the role of gut and adipose hormones in female reproduction. Hum. Reprod. Update 2006; 12: 585-601

Weiteres s. unter  InsulinAppetitkontrolleFettgewebeKörpergewichtOrgankooperation

  Physiologische Einflüsse auf die jeweilige Messgröße bestehen z.B. über

  Stoffwechselzustand (z.B. nüchtern vs. postprandial )

  körperliche Aktivität (z.B. Sauerstoffverbrauch, Blut-pH, Laktatspiegel, Temperatur, Herzfrequenz, Blutdruck, Blutzuckerspiegel, Hormonwerte...)

  Tageszeit (zirkadiane Rhythmen)

  Umweltfaktoren (z.B. Indifferenztemperatur)

  Körperlage (z.B. sitzend) sind dabei ebenso zu berücksichtigen wie

  Alter

  Geschlecht

  Körpergröße

Methodische Fehler: Auch die Methode der Erhebung des Messwertes kann das Ergebnis beeinflussen (z.B. Art des labormedizinischen Verfahrens, nichtinvasive Blutdruckmessung vs. Kathetermessung).


>Abbildung: Aufbau eines Regelkreises

Begriffsbestimmungen s. Text

Regelsysteme sind ein Konzept der Kybernetik (Wissenschaftliche Untersuchung von Steuerung und Regelung). Die Zustandsgröße (aktueller Betrag) einer Variablen (z.B. Blutdruck) wird als Regelgröße bezeichnet, diese soll innerhalb des "Regelbereichs" entsprechend stabil gehalten oder entsprechend angepasst werden (Allostase ). Der angestrebte Betrag wird als Sollgröße bezeichnet.



  Messfühler (measuring element, z.B. Barorezeptor ) ermitteln den aktuellen Wert (Istwert) der

  Regelgröße (actual value - status, z.B. arterieller Blutdruck) und senden die Information (afferentes Aktionspotentialmuster) an einen

  Regler (controller, der eine Abweichung vom Sollwert (error) erkennt - in diesem Beispiel der nucleus tractus solitarii, der für die Blutdruckregulation eine zentrale Rolle spielt). Der Regler wird vom

  Sollwert (set point) einer Führungsgröße (z.B. aus dem Hypothalamus) gesteuert und sendet ein

  Steuersignal (Stellgröße, command, z.B. Sympathikusaktivität oder hormonelle Antwort) zu einem

  Stellglied (effector, z.B. Gefäße, Herz, Niere), wo die betreffende Regelgröße beeinflusst werden kann.


<Abbildung: Stabilisierung der Körpertemperatur
Nach einer Vorlage bei Pearson Education (2013)

Der Effektor entspricht dem "Stellglied" der kybernetischen Nomenklatur: Er beeinflusst die Regelgröße (in diesem Fall die Körpertemperatur). Der Regler liegt im Hypothalamus; er vergleicht Sollwerte (neuronale Vorgaben) mit Istwerten (aktuelle Temperatur an Wärme- und Kälterezeptoren in ZNS und an der Körperoberfläche).

Die <Abbildung macht das Prinzip der negativen Rückkopplung am Beispiel der Regulation der Körpertemperatur deutlich: Hitze- bzw. kälteempfindliche Rezeptoren in Gehirn und Haut messen den aktuellen Wert der Zustandsvariablen, also der Temperatur (Istwerte). Die Information wird kodiert (Aktionspotentiale) an das Zentrum geleitet (Afferenz).

Das Zentrum liegt in diesem Fall im Hypothalamus. Dieser gleicht die Eingangsgrößen mit neuronalen "Sollwerten" ab. Liegt eine Diskrepanz vor (zu kalt oder zu warm), werden Efferenzen an den entsprechenden Effektor gesendet: Ist der Körper zu warm, wird z.B. die Sudomotorik aktiviert - Schweiß tritt aus und kühlt die Haut durch Verdampfung ab. Ist er unterkühlt, wird Kältezittern aktiviert, was die Körpertemperatur ansteigen lässt.

Ein weiteres Beispiel (Details s. dort):

    Regelgröße: Thyroxinspiegel im Blutplasma

    Störgrößen: Anstieg / Abfall der Thyroxinfreisetzung

    Regler: hypothalamisch-hypophysäres System

    Stellglied: Achse TRH - TSH - Schilddrüse

  Auf diese Weise wird die jeweilige Regelgröße stabilisiert; die zirkuläre Verschaltung (daher Regelkreis) soll Änderungen der Regelgröße durch Störgrößen kompensieren.

Negative Rückkopplung im Regelkreis ermöglicht, dass ein Regler (z.B. das Kreislaufzentrum) auf eine Störung hin (z.B. Blutdruckanstieg) die Regelgröße (z.B. den Blutdruck) wieder normalisiert (formal: Vorzeichenumkehrung, daher "negatives" Feedback).

Zur (begrenzten) Verstärkung von Vorgängen kann positive Rückkopplung genutzt werden. Hier ist das Ziel nicht die Stabilisierung einer Regelgröße, sondern das rasche Erreichen eines neuen Bereichs der Zustandsgröße - zum Beispiel bei der Beschleunigung des Natriumeinstroms in der ersten Phase eines Aktionspotentials. (Dies ist dann kein Endzustand, sondern ist transient, in diesem Beispiel durch anschließendes Erlöschen des Natriumeinstroms.)



Eine Reise durch die Physiologie


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