Mục lục bài họcĐang ở d06-b1
Homeostasis: Feedback, Thermoregulation and Blood Glucose
Negative feedback is the pattern behind all of homeostasis
Homeostasis is the maintenance of a stable internal environment. Every case follows the same loop: a receptor detects a change away from the set point, a control centre compares it with the set point, and an effector produces a response that reverses the change. Because the response opposes the original change, the system oscillates around the set point rather than holding one exact value. Positive feedback is the opposite pattern: the response amplifies the change, as in oxytocin during childbirth, so it is used to drive an event to completion, not to maintain stability.
Thermoregulation
The hypothalamus monitors blood temperature. When body temperature rises, arterioles supplying the skin surface vasodilate, so more blood flows through surface capillaries and more heat is lost by radiation; sweat glands secrete sweat, and evaporation removes latent heat. When body temperature falls, the same arterioles vasoconstrict, hair erector muscles contract, and shivering generates heat from muscle respiration. Capillaries themselves have no muscle and cannot constrict.
Osmoregulation and the nephron
Each nephron filters blood at the glomerulus under high pressure. Almost all glucose, amino acids and much water are reabsorbed in the proximal convoluted tubule. The loop of Henle builds a salt gradient in the medulla by counter-current multiplication. Osmoreceptors in the hypothalamus detect a fall in blood water potential and trigger release of ADH from the pituitary; ADH inserts aquaporins into the walls of the collecting duct, so more water is reabsorbed and a small volume of concentrated urine is produced.
Blood glucose and diabetes
The set point is about $5$ mmol dm-3. After a meal, $\beta$ cells in the pancreatic islets secrete insulin, which makes liver and muscle cells take up glucose and store it as glycogen. During fasting, $\alpha$ cells secrete glucagon, which triggers glycogenolysis in the liver and releases glucose. In type 1 diabetes an autoimmune reaction destroys the $\beta$ cells, so insulin is absent and must be injected. In type 2 diabetes insulin is still made, often in large amounts, but target cells respond poorly because their receptors are down-regulated: this is insulin resistance.
Negative feedback là khuôn chung của mọi ví dụ homeostasis
Homeostasis (cân bằng nội môi) là giữ ổn định môi trường bên trong. Mọi ví dụ đều chạy đúng một vòng: receptor phát hiện độ lệch khỏi set point (điểm đặt), control centre so với điểm đặt, rồi effector tạo ra đáp ứng ngược chiều với thay đổi ban đầu. Vì đáp ứng luôn ngược chiều nên hệ dao động quanh điểm đặt chứ không đứng yên tại một con số. Positive feedback là khuôn ngược lại: đáp ứng khuếch đại thay đổi, như oxytocin trong chuyển dạ — nó dùng để đẩy một sự kiện tới đích, không dùng để giữ ổn định.
Thermoregulation
Hypothalamus theo dõi nhiệt độ máu. Khi nóng: các tiểu động mạch dẫn máu lên da vasodilate (giãn) nên máu qua mao mạch bề mặt nhiều hơn và mất nhiệt bằng bức xạ nhiều hơn; tuyến mồ hôi tiết mồ hôi, bốc hơi lấy đi nhiệt ẩn. Khi lạnh: chính các tiểu động mạch ấy vasoconstrict (co), cơ dựng lông co, và shivering (run) sinh nhiệt từ hô hấp cơ. Lưu ý một chi tiết đề hay bẫy: mao mạch không có cơ nên không co giãn được — thứ co giãn là tiểu động mạch.
Osmoregulation và nephron
Mỗi nephron lọc máu ở glomerulus nhờ áp suất cao. Gần như toàn bộ glucose, axit amin và phần lớn nước được tái hấp thu ở proximal convoluted tubule. Loop of Henle dựng gradient muối trong vùng tuỷ thận theo cơ chế ngược dòng. Osmoreceptor ở hypothalamus phát hiện thế nước của máu giảm và kích thích tuyến yên tiết ADH; ADH cắm thêm aquaporin vào thành collecting duct nên nước được tái hấp thu nhiều hơn, kết quả là ít nước tiểu và nước tiểu đậm đặc. Uống nhiều nước thì ngược lại: ADH giảm, aquaporin rút bớt, nước tiểu loãng và nhiều.
Đường huyết, insulin, glucagon và hai loại diabetes
Điểm đặt khoảng $5$ mmol dm-3. Sau bữa ăn, tế bào $\beta$ ở đảo tuỵ tiết insulin: gan và cơ tăng lấy glucose vào và tích thành glycogen, đường huyết hạ. Khi đói, tế bào $\alpha$ tiết glucagon: gan phân giải glycogen (glycogenolysis) và nhả glucose ra máu, đường huyết lên. Hai hormone này đối lập nhau nên tạo thành một cặp điều khiển hai chiều.
- Type 1 diabetes — phản ứng tự miễn phá tế bào $\beta$, cơ thể không sản xuất được insulin. Thường khởi phát ở tuổi nhỏ, phải tiêm insulin.
- Type 2 diabetes — insulin vẫn được sản xuất, thậm chí rất nhiều, nhưng tế bào đích đáp ứng kém vì receptor bị giảm số lượng. Đây là insulin resistance (kháng insulin), gắn với béo phì và ít vận động, và giai đoạn đầu điều trị bằng ăn uống với vận động.
Dựa vào đồ thị đường huyết và insulin ở bài này. Một bác sĩ nói: "Bệnh nhân này không cần tiêm insulin, cần giảm cân và vận động." Dùng số liệu đọc được từ cả hai dải của hình để bảo vệ nhận định đó, và nói rõ nó loại trừ chẩn đoán nào.
Bước 1 — đọc dải glucose. Người bệnh có glucose lúc đói $7{,}5$ mmol dm-3 (người khoẻ $5{,}0$), đỉnh $12{,}4$ ở phút $60$, và sau ba giờ vẫn còn $8{,}6$ — nằm trên đường ngưỡng $7{,}8$. Vòng negative feedback rõ ràng không đóng lại được. Tới đây mới chỉ kết luận được "có rối loạn dung nạp glucose", chưa phân biệt được loại nào.
Bước 2 — đọc dải insulin, và đây mới là chỗ quyết định. Tại phút $90$, insulin của bệnh nhân là $95$ đơn vị trong khi người khoẻ chỉ $40$. Tuyến tuỵ không những còn hoạt động mà còn đang gắng sức: nó tiết nhiều gấp hơn hai lần mức bình thường.
Bước 3 — loại trừ type 1. Type 1 diabetes là tự miễn phá tế bào $\beta$, nên đặc trưng là insulin rất thấp hoặc bằng không. Số liệu $95$ đơn vị mâu thuẫn trực tiếp với chẩn đoán đó. Vì thế tiêm thêm insulin không giải quyết được gốc vấn đề — cơ thể đang thừa insulin chứ không thiếu.
Bước 4 — kết luận và lý do điều trị bằng lối sống. Nhiều insulin mà glucose vẫn cao thì khâu hỏng nằm ở phía tế bào đích: receptor insulin bị giảm số lượng nên tín hiệu không được nhận đủ. Đó là insulin resistance, dấu hiệu của type 2 diabetes. Giảm cân và vận động làm tăng độ nhạy của receptor và làm cơ tiêu thụ glucose không phụ thuộc insulin, nên chúng sửa đúng khâu đang hỏng.
Lưu ý cho bài thi: nếu chỉ đọc dải glucose rồi kết luận, bạn sẽ không phân biệt nổi hai loại diabetes. Hai loại này giống nhau ở triệu chứng đường huyết và khác nhau ở nồng độ insulin — nên câu hỏi nào cho cả hai số liệu là câu hỏi đang kiểm tra đúng chỗ đó.
Số liệu về một thận người trưởng thành trong $24$ giờ.
| Đại lượng | Giá trị |
|---|---|
| Dịch lọc tạo ra ở glomerulus | $180$ dm3 |
| Nước tiểu bài xuất | $1{,}5$ dm3 |
| Glucose trong dịch lọc | $180$ g |
| Glucose trong nước tiểu | $0$ g |
Tính phần trăm nước được tái hấp thu. Giải thích vì sao glucose bằng không trong nước tiểu người khoẻ nhưng lại xuất hiện ở người bị diabetes không kiểm soát. Sau đó dự đoán số liệu ở cột thứ hai thay đổi thế nào nếu người này uống liền $2$ dm3 nước.
Phần trăm nước tái hấp thu: lượng tái hấp thu $=180-1{,}5=178{,}5$ dm3. Tỉ lệ $=178{,}5/180=0{,}99166\ldots$, tức khoảng 99,2%. Con số này giải thích vì sao thận vừa lọc được lượng máu khổng lồ vừa không làm cơ thể mất nước.
Vì sao glucose bằng không ở người khoẻ. Glucose là phân tử nhỏ nên lọt qua màng lọc hết — nó có trong dịch lọc, đủ $180$ g. Nhưng ở proximal convoluted tubule, các protein vận chuyển đưa toàn bộ glucose trở lại máu bằng vận chuyển tích cực. Vì hệ vận chuyển này thừa sức xử lý tải bình thường nên tới cuối ống không còn giọt glucose nào.
Vì sao glucose xuất hiện ở người diabetes. Điểm mấu chốt là protein vận chuyển có số lượng hữu hạn, nên có một ngưỡng thận, khoảng $10$ mmol dm-3 trong máu. Khi đường huyết vượt ngưỡng đó, lượng glucose trong dịch lọc vượt quá công suất tái hấp thu; phần dư bị cuốn theo nước tiểu ra ngoài. Đây chính là hiện tượng bão hoà chất mang, cùng nguyên lý với bão hoà enzyme.
Hệ quả kéo theo: glucose trong ống thận làm giảm thế nước của dịch trong ống, nên nước bị giữ lại theo thẩm thấu và bệnh nhân đi tiểu nhiều rồi khát nhiều — hai triệu chứng kinh điển.
Dự đoán khi uống $2$ dm3 nước. Thế nước của máu tăng, osmoreceptor ở hypothalamus phát hiện, tuyến yên giảm tiết ADH. Ít ADH thì ít aquaporin được cắm vào thành collecting duct, nước tái hấp thu ít đi. Kết quả ở bảng: thể tích nước tiểu tăng mạnh, có thể lên $3$ tới $3{,}5$ dm3, nước tiểu loãng hơn; lượng dịch lọc $180$ dm3 thay đổi không đáng kể vì nó do áp suất lọc quyết định; glucose vẫn bằng không vì đường huyết không đổi. Phần trăm tái hấp thu vì thế tụt xuống khoảng 98%.
Đọc xong rồi — làm thử ngay
Bài tập của chương Theme C3–C4 — Homeostasis, Defence and Ecosystem Interactions gồm 14 câu trắc nghiệm và 4 đề tự luận, ra khó hơn đề thật 30–50%. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.