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
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
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
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: 0.3-0.5 C (0.5-0.9 F) 4
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
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
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
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. 25-27 C. Az alapanyagcserét ilyen hőmérsékleten lehet meghatározni. 8
Hőmérsékletszabályozás egyensúlyban: M±S±V±Á-P=0 Termoneutrális komfortzóna: 25-27 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
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 1859-1911, 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
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
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
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
Viselkedési hőszabályozás: öltözködés Társas kapcsolatok a hőszabályozásban Császárpingvin 14
Hőmérsékletszabályozás egyensúlyban: M±S±V±Á-P=0 Termoneutrális komfortzóna: 25-27 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
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
Az akrális területek mikrocirkulációja Hőleadás az akrális vérátáramlással szabályozott irányítható hősugárzóval Szamárnyúl 17
Madarakban is megtalálható természetesen Óriástukán Környezet hőmérséklete 18
A bőr vérkeringése III. Akrális areák AVA Miogén tónus NINCS szimpatikus vazokonstriktor tónus csak passzív vazodilatáció 0.2-50! 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
Hőmérsékletszabályozás egyensúlyban: M±S±V±Á-P=0 Termoneutrális komfortzóna: 25-27 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
Hőleadás párologtatással: lihegés A gyors holttérventiláció hűti a felső légutakban keringő vért, de nem befolyásolja az alveoláris gáztenziókat. Hőleadás párologtatással: nyál szétkenése 21
Hőleadás párologtatással: verejtékezés Testhőmérséklet 22
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
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
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
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
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
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
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 39-40 C-t a mérsékelt hipertermia fokozza a teljesítményt melegítés 29
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
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
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), 595-708. J. A. Allen: The influence of Physical conditions in the genesis of species. Radical Review, 1877, 1: 108-140. Bergmann szabály emberben testtömeg Átlagos évi középhőmérséklet A testtömeg növekedésével a testfelszín/testtömeg arány csökken, így a hőtermeléshez viszonyított hővesztés is 32
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