83. Hőszabályozás, a bőr vérkeringése

Átírás

1 83. Hőszabályozás, a bőr vérkeringése Domoki Ferenc 2019 március 8. Mottó: Mindenki másképp csinálja Poikilotherm (ectotherm) hüllő és homeotherm (endotherm) emlős testhőmérsékletének függése a környezeti hőmérséklettől 1

2 Homeothermia és poikilothermia A madarak és az emlősök maghőmérséklete relatíve magas és állandó (melegvérűek), hőszabályozásuk alapja magas anyagcseréjük és hőtermelésük a többi állatcsoport is szabályozza testhőjét, de testhőmérsékletüket a környezet nagyobb mértékben befolyásolja, mert hőtermelésük alacsonyabb (hidegvérűek) Hibernáció: átkapcsolás poikiloterm szabályozásra A kolibrik nem élnék túl az éjszakát táplálkozás nélkül, minden éjjel poikilotermekké válnak (torpor) 2

3 Homeosztázis + viselkedés: téli szőrzet + zsírfelhalmozás +téli álom + fészeképítés + táplálékfelhalmozás +testhelyzet + szociális kapcsolat = sikeres túlélés Mogyorós pele Testhőmérséklet: Hol? Mennyi? = fül (timpanikus) = szublingvális = rektális = hónalj Test mag és köpeny hőmérséklet Csak a maghőmérséklet relatíve állandó! 3

4 Testhőmérséklet: cirkadián ritmus alvás Pozitív családtervezésben fontos! átlag Posztovulációs átlag Az alvás REM fázisában nincs hőszabályozás Ovuláció előtt Idő Testhőmérséklet: a tények Napi minimum: 36.2 C (97.3 F) Napi maximum: 37.1 C (98.8 F) Átlag: 36.6 C (98.0 F) Fiziológiás maximum (nehéz munka): 40.0 C (104.0 F) Fiziológiás minimum (úszás hideg vízben) 34 C (93.2 F) Posztovulációs emelkedés: C ( F) 4

5 Az állandó testhőmérséklet feltétele a hőegyensúly Hőtárolás = 0 Metabolikus hőtermelés Sugárzás* Vezetés* Áramlás* Sugárzás* Vezetés* Áramlás* Párolgás Hőnyereség Hővesztés *Ezek a mechanizmusok kétirányúak és kollektíven hőcserélő mechanizmusoknak nevezhetők! Belső és külső hőcsere a hőtermelő szövetek és a BŐR közötti véráramlás (konvekció), a fehér zsírszövet szigetelése miatt a közvetlen hővezetés (kondukció) kicsi A bőrből a környezetbe hővesztés kondukcióval, konvekcióval, sugárzással és párolgással Hőnyereség: napsugárzás, talajsugárzás stb, 5

6 Hőcserélő folyamatok: Sugárzás (Radiáció) a Stefan-Boltzman egyenlet írja le S (W)= δxe1xe2x(t 14 -T 24 )xa ahol δ a Stefan Boltzman konstans (5.67x10-8 (Wxm -2 xk -4 ), T a hőmérséklet (K), e a felszín emisszivitás és A a sugárzó felszín sugárzással sok hőt nyerhetünk/veszthetünk: (pl. napozás ill. hideg falú szobában fázunk, ha a levegő hőmérséklete megfelelő is) anti-hipotermia takarók visszaverik a hősugarakat (vékony aranyfóliát tartalmaznak) Hőcserélő folyamatok: Vezetés (Kondukció) Vezetés jön létre, amikor a testfelszín direkt kontaktusba kerül a vezető médiummal (levegő, víz v. szilárd test) V=(T 1 -T 2 )xr (R termális ellenállás) hideg felszínen (kövön) ülés jelentős hővesztéshez vezethet a víz sokkal jobb hővezető mint a levegő, hőcsere sokkal gyorsabb víznek, mint a levegőnek 6

7 Hőcserélő folyamatok: Áramlás (Konvekció) Az áramlásos hőcserét a médium (levegő) áramlatai hozzák létre, amelyeket a vezetéses hőcsere hoz létre. Á=(T 1 -T 2 )xh c (h c áramlásos hőátadási koefficiens) szél fokozza az áramlásos hőleadást, ami gyors hővesztést eredményezhet a szőrzet ill. a piloerekció a prémes állatokban, valamint a ruházat levegőt zár a test köré, és így akadályozza a vezetéses/áramlásos hővesztést. A nedves ruházat nem véd a lehűléstől! Egyirányú hővesztés: Párolgás (Evaporáció) Minden a bőrfelszínről elpárolgó ml víz 2.41 kj hőt von el a párolgó felszíntől (bőr és tüdő). Az egyetlen hővesztő mechanizmus, ami akkor is működik, ha a környezet a testnél melegebb Perspiratio insensibilis: a bőrön és a tüdőn keresztüli szabályozatlan vízleadás (5-600ml/nap), magas lehet, ha a levegő száraz, és ha hiperventillálunk (hegymászás). A felső légutakból történő párolgás fontos hőleadó mechanizmus lehet (pl. lihegés kutyákban) Perspiratio sensibilis: a verejték párolgása 7

8 Az állandó testhőmérséklet feltétele a hőegyensúly Hőtárolás = 0 Metabolikus hőtermelés Sugárzás* Vezetés* Áramlás* Sugárzás* Vezetés* Áramlás* Párolgás Energiaigényes! Vízigényes! Hőnyereség Hővesztés *Ezek a mechanizmusok kétirányúak és kollektíven hőcserélő mechanizmusoknak nevezhetők! Termoneutrális komfortzóna Az a környezeti hőmérséklet, ahol sem homeosztatikus hőtermelési/hőkonzerválási sem pedig hőleadási mechanizmusok NEM aktiválódnak. Ruhátlan emberben ez kb C. Az alapanyagcserét ilyen hőmérsékleten lehet meghatározni. 8

9 Hőmérsékletszabályozás egyensúlyban: M±S±V±Á-P=0 Termoneutrális komfortzóna: C M Metabolikus zóna S+V+Á Vazomotor zóna P Szudomotor zóna Metabolikus hőtermelés 1. Vázizomzat (shivering) 2. Non-shivering termogenezis (BAT) Maximális vazokonstrikció Vazokonstrikcióvazodilatáció Viselkedési termoreguláció Vazodilatáció+ verejtékezés Hőtermelés Intakt hőszabályozás Szabályozott hőtermelés Van t Hoff törvény! Felfüggesztett hőszabályozás (narkózis) Rektális hőmérséklet 9

10 Metabolikus hőtermelés I. A sejtek által felszabadított kémiai energia túlnyomó többsége hővé alakul (kivétel a külső munka). A hőtermelés kémiai reakciók eredménye, ezért a hőmérséklet maga hatással van a hőtermelésre, mert: A van't Hoff törvény szerint egy reakció sebessége megduplázódik minden 10K hőmérséklet-emelkedéssel! Jacobus Henricus van 't Hoff , Nobel-díj 1901 A van t Hoff törvény a hőszabályozás céljai ELLEN hat. Metabolikus hőtermelés II. A különböző szervekben a hőtermelés egyenes arányban van oxigénfelhasználásukkal (nyugalomban főleg a máj, agy, szív termelik a legtőbb hőt). a vérkeringés egyik fontos funkciója a hőtranszport: a melegebb szerveket hűti, a hűvösebbeket melegíti az artériás vér. 10

11 Metabolikus hőtermelés III. Alapanyagcsere hőtermelése BMR=7500kJ/day (~ 80W (J/s)) specifikus dinámiás hatás +1000kJ/day (~ 12W) a vázizomműködés rengeteg hőt termel, ezért a napi hőtermelés a fizikai aktivitástól függően nagymértékben változik (és az akaratlan reszketéstől is függ shivering) non-shivering termogenezis: különleges barna zsírszövet! (emberben csak újszülöttben!) 11

12 Hőtermelés Intakt hőszabályozás Szabályozott hőtermelés Felfüggesztett hőszabályozás (narkózis) Rektális hőmérséklet Fehér zsírszövet (WAT) - nagy zsírcseppek - kevés mitokondrium - mérsékelt vérellátás energiaraktár és szigetelőréteg! Barna zsírszövet (BAT) - kis zsírcseppek - rengeteg mitokondrium (barna szín) - gazdag vérellátás - szimpatikus beidegzés (NA, β 3 -receptorok, camp ) hőtermelés! 12

13 BAT biokémia A BAT-ban a terminális oxidáció szétkapcsolódik az ATP szintézistől BAT mitokondriumok különleges szétkapcsoló uncoupling proteineket tartalmaznak (UCP-1) amelyek lerontják a H + grádiens ATP termelés nélkül az összes kémiai energia hővé alakul életfontos mechanizmus a valódi téli álmot alvó állatokban, újszülöttekben is fontos Az UCP termogenetikus hatása 13

14 Viselkedési hőszabályozás: öltözködés Társas kapcsolatok a hőszabályozásban Császárpingvin 14

15 Hőmérsékletszabályozás egyensúlyban: M±S±V±Á-P=0 Termoneutrális komfortzóna: C M Metabolikus zóna S+V+Á Vazomotor zóna P Szudomotor zóna Metabolikus hőtermelés 1. Vázizomzat (shivering) 2. Non-shivering termogenezis (BAT) Maximális vazokonstrikció Vazokonstrikcióvazodilatáció Viselkedési termoreguláció Vazodilatáció+ verejtékezés Ha kezd meleg lenni, első a viselkedési hőszabályozás: szieszta (árnyékkeresés, légmozgás keresése, testhelyzet, izomaktivitás csökkentése alvás) 15

16 A bőr vérkeringése I. A bőr a testtömeg 4-5%-a, és jelentős metabolikus aktivitású tranziens ischemia itt is reaktív hiperémiát vált ki a bőr irritációja létrehozza a hármas választ a kután véráramlás a PTF 5-60% között váltakozhat a hőszabályozási szükségletnek, DE NEM a változó metabolikus igényeknek megfelelően a szubkután zsírszövet véráramlása a bőráramlással analóg módon változik, az áramlás csökkenése jobb hőszigetelést tesz lehetővé a bőr vénás plexusai a test legnagyobb vérraktára A bőr vérkeringése II. Akrális areák (nagy felszín/tömeg arány) Fül Orr Ajkak végtagok disztális részei, ujjak Nem-akrális areák (kis felszín/tömeg arány) nyak törzs végtagok proximális részei 16

17 Az akrális területek mikrocirkulációja Hőleadás az akrális vérátáramlással szabályozott irányítható hősugárzóval Szamárnyúl 17

18 Madarakban is megtalálható természetesen Óriástukán Környezet hőmérséklete 18

19 A bőr vérkeringése III. Akrális areák AVA Miogén tónus NINCS szimpatikus vazokonstriktor tónus csak passzív vazodilatáció ! ml/100g/min Nem-akrális areák AVA NINCS Miogén tónus VAN szimpatikus vazokonstriktor tónus passzív + aktív vazodilatáció, verejtékezéshez kapcsolt 1-8 ml/100g/min A bőrkeringés szabályozása Akrális areák Szimpatikus beidegzés neurotranszmitter: noradrenalin receptor: α1 adrenerg receptor hatást: vazokonstrikció vasodilatáció: csökkent konstriktor tónus Nem-Akrális areák Verejtékmirigyek Ach Bradykinin NA NA VIP, NO NANC Arteriolák, AVA Arteriolák 19

20 Hőmérsékletszabályozás egyensúlyban: M±S±V±Á-P=0 Termoneutrális komfortzóna: C M Metabolikus zóna S+V+Á Vazomotor zóna P Szudomotor zóna Metabolikus hőtermelés 1. Vázizomzat (shivering) 2. Non-shivering termogenezis (BAT) Maximális vazokonstrikció Vazokonstrikcióvazodilatáció Viselkedési termoreguláció Vazodilatáció+ verejtékezés Hőleadás párologtatással: fürdés (folyadékvesztés nélkül!) 20

21 Hőleadás párologtatással: lihegés A gyors holttérventiláció hűti a felső légutakban keringő vért, de nem befolyásolja az alveoláris gáztenziókat. Hőleadás párologtatással: nyál szétkenése 21

22 Hőleadás párologtatással: verejtékezés Testhőmérséklet 22

23 2 millió eccrin verejtékmirigy Szimpatikus beidegzés Neurotranszmitter: Ach Receptorok: atropinszenzitív muszkarinos receptorok (kis hányaduk adrenerg innervációt is kap) 1-2 L/h!, akklimatizált egyénben lehet akár 2-4 L/h! Az apokrin verejtékmirigyek nem vesznek részt a hőszabályozásban! Mirigyvégkamra ( szekretoros tekercs ) Kivezetőcső Szimpatikus ideg A mirigyvégkamra felépítése PAS+ kehelysejtszerű 23

24 A kivezetőcső felépítése Legfontosabb emberben! A hipotóniás verejtékképzés: izotóniás szekréció, só reabszorpció NKCC1: Na + -K + -2Cl - szimporter (különbözik a Henle kacs TAL-étól: az az NKCC2) ENaC: Epitelialis Na + csatorna (azonos a vesénél tanulttal, aldoszteron-szabályzott) CLCA: Ca 2+ -függő kloridion-csatorna CFTR: Cisztikus Fibrózis konduktancia Transzmembrán Regulátor (kloridioncsatorna) Aldoszteron! A cisztikus fibrózisban szenvedő betegek a verejtékkel sok sót vesztenek- ez a diagnosztikus teszt alapja 24

25 A híres-hírhedt CFTR Az ABC transzporterek szupercsaládjába tartozik (ABCC7), de ioncsatornaként funkcionál Részt vesz a folyadékszekrécióban a belekben, légutakban, hasnyálmirigyben stb., ill. a sóreabszorpcióban a verejtékmirigyekben és a colon-ban A camp szintje szabályozza aktivitását, a PKA minél több szerin oldalláncot foszforilál, annál több időt tölt a csatorna az ATP-kötő (nyitott állapotban) Génjének mutációja okozza a névadó cisztikus fibrózis betegséget. A hőszabályozási válaszok rövid összefoglalása HIDEG ellen: MELEG ellen: Viselkedési válaszok Motoros válasz: didergés Vazokonstrikció a bőrben (szimpatikus vazokonstriktor tónus nő) Barna zsírszövet aktiválása (szimpatikus aktiváció) Piloerekció (szimpatikus aktiváció) Viselkedési válaszok Bőr vazodilatáció (szimpatikus vazokonstriktor tónus CSÖKKEN) Verejtékezés (szimpatikus aktiváció) Lihegés (légzési motoros mintázat) 25

26 A hőszabályozás központi idegrendszeri szabályozása A mag és a köpeny hőmérsékletét, ill. annak változásait a centrális és a perifériás TERMORECEPTOROK érzékelik. A termoreceptorok ingerülete az agytörzs és főleg a HYPOTHALAMUS területén található idegsejtcsoportok aktivitását úgy változtatja meg, hogy azok a különböző hőszabályozó effektor mechanizmusokat aktiválják v. gátolják. Ezek a szabályozási körök egymástól nagymértékben függetlenül működhetnek, pl. érzékenységük is függetlenül szabályozható. Az egységes hőszabályozó központ, ill. az általa kialakított kell érték: a set point hipotézise már nem fenntartható. 26

27 Centrális termoreceptorok Legtöbb közülük az anterior preopticus area (POA) MELEGÉRZÉKENY idegsejtjei. A maghőmérsékletet folyamatosan monitorizálják. Pacemaker aktivitásúak, melegítés hatására AP frekvenciájuk fokozódik, hűtésre csökken. A POA idegsejtek alapvetőek a homeosztatikus autonóm effektormechanizmusok szabályozásában. (lsd. patkányban a köv. ábrát) Bőr vazomotor tónus Bőrerek Barna zsírszövet Vázizomzat POA: preoptikus area; DMH: dorzomediális hipotalamusz, PVN: nucl. paraventricularis; VMH: ventromediális hipotalamusz; PH: posterior hypothalamusz; VTA ventrális tegmentális area; PAG: substantia grisea centralis r- rosztrális, c- caudális része, RRF: retrorubral field (mező), RF: formatio reticularis, RPA: raphe peripyramidal area; IML: oldalsó szarv, VH: mellső szarv, SG: szimpatikus ganglion 27

28 Perifériás Termoreceptorok primer szenzoros neuronok perifériás szabad idegvégződései a bőrben Hideg (Aδ rostok) >> meleg receptorok (C- rostok) Az idegvégződések többféle hőmérséklet-érzékeny (kapuzott) ioncsatornákat tartalmaznak, köztük nemszelektív kationcsatornákat, amelyek a TRP (transient receptor potential) családba tartoznak. A kialakuló depolarizáló receptorpotenciál aztán akciós potenciálsorozatokká kódolódik az idegrostban. Gyors adaptáció. A tudatos (diszkriminatív) hőérzékelésben és a homeosztatikus szabályozásban morfológiailag is elkülönülő pályák vesznek részt. Aktiválódásuk homeosztatikus VISELKEDÉSI reakciók beindításában különösen fontos, mielőtt a maghőmérséklet elkezdene változni. Hőmérséklet-érzékeny TRP ioncsatornák 28

29 A perifériás termoreceptorok központi kapcsolatai Agytörzs Gerincvelő VMpo, VMb: posterior és bazális ventromediális thalamus, POA: preoptikus area, PBN: nucl. parabrachialis,? : formatio reticularis a nyúltvelő, híd, középagy területén (pontosan nem identifikált) DRG: hátsó gyöki ganglion Romanovsky AA. Thermoregulation: some concepts have changed. Functional architecture of the thermoregulatory system. Am J Physiol Regul Integr Comp Physiol 292: R37 R46, 2007 A szabályozott testhőmérséklet változásai: Fizikai munka A környezettől is függően, a fenntartott fizikai munka hipertermiát hoz létre, mert a hőtermelés szabályozottan meghaladja a hőleadást rektális hőmérséklet elérheti a C-t a mérsékelt hipertermia fokozza a teljesítményt melegítés 29

30 Munkavégzés hatása a testhőmérsékletre Testhőmérséklet felvétel A hőemelkedés inkább a maximális aerob kapacitás adott hányadának elérésétől függ, mint az abszolút hőtermeléstől! A szabályozott testhőmérséklet változásai: Láz Citokinek (endogén pirogének) lázat okoznak (IL-1, IL-6, TNF) hatás az OVLT neuronjain? (nincs BBB), PGE 2 (aszpirin lázcsillapítás) szintén valahol mediátor szerepet játszik a preoptikus areában (régi terminológia szerint: új set-point) lázkeltés: didergés (hidegrázás), vazokonstrikció (sápadtság), meleg hely keresése oldódás: vazodilatáció (kipirulás), profúz izzadás endogén antipiretikumok: AVP, αmsh 30

31 Akklimatizáció Meleg akklimatizáció: fokozódó verejtékezési képesség (15 L/nap!), NaCl vesztés csökken, verejtékezés küszöbe csökken, bőr véráramlás nő Hideg akklimatizáció: tartós hidegexpozíció fokozza a pajzsmirigy hormontermelését, az alapanyagcsere/ hőtermelés fokozódik 31

32 Evolúciós akklimatizáció Az eszkimóknak sokkal kevesebb verejtékmirigyük van mint egyéb népcsoportoknak (viszont az arcukon több van) Bergmann szabály (1847): Az élőhely átlaghőmérsékletének csökkenésével fordított arányosságban változik egy homeoterm faj alfajainak testmérete. Allen szabály (1877): A homeoterm fajokban az akrális areák relatív nagysága az átlaghőmérséklet csökkenésével egyenes arányban csökken. C. Bergmann: Über die Verhältnisse der Wärmeökonomie der Tiere zu ihrer Grösse. Göttinger Studien, Göttingen, 1847, 3 (1), J. A. Allen: The influence of Physical conditions in the genesis of species. Radical Review, 1877, 1: Bergmann szabály emberben testtömeg Átlagos évi középhőmérséklet A testtömeg növekedésével a testfelszín/testtömeg arány csökken, így a hőtermeléshez viszonyított hővesztés is 32

33 Allen szabály a nyúlban A homeoterm fajokban az akrális areák relatív nagysága az átlaghőmérséklet csökkenésével egyenes arányban csökken. Allen szabály emberben Relatív ülési magasság Átlagos évi középhőmérséklet Ha a tömeg állandó, a testfelszín nő ha a végtagok nyúlánkabbak: azaz a relatív törzshossz csökken 33