שיווי משקל בפיזיולוגיה

ד"ר אסנת רוהחמד"ע- מרכז חינוך מדעי תל-אביב

מצד אחד: אורגניזם- סך כל אלפי תגובות כימיות

N2(g) + 3H2(g) 2NH3(g)

מצד שני: סוד החיים?

כיצד אנחנו נושמים?

C6H12O +6 6O2 6CO2 +6H2O

2ATP2ADP +2P

תגובת הנשימה התאית:

לנשימה בתאים נחוצים גם גלוקוז וגם חמצן.

כיצד הם מגיעים דווקא לתוך התאים?

פרק א: חמצןשאלה "כימית": האם חמצן מסיס

במים?

O=O H-O-H

חמצן מולקולרי אינו יוצר קשרי מימן עם המים ולכן מסיסותו נמוכה.

כיצד חמצן מגיע מן הריאות אל הדם?

Hb + O2 HbO2

כיצד חמצן מגיע מן הדם אל התא?

HbO2 Hb + O2

(הסבר על שו"מ)שתי התגובות שרשמנו הן תגובות הפוכות

מערכת בשיווי משקל: המוגלובין קושר מולקולת חמצן.

בריאות: ריכוז החמצן גבוה, ולכן עולה מהירות התגובה הישירה.

התוצאה: קשירת חמצן בריאות

כיצד תושפע המערכת אם נעלה את ריכוז החמצן?

לה שטלייה: מהירות התגובה הישרה תעלה

Hb + O2 ↔ HbO2

מערכת בשיווי משקל: המוגלובין קושר מולקולת חמצן.

ברקמות: ריכוז החמצן נמוך, ולכן יש יותר פירוק. התוצאה: חמצן משתחרר ונכנס לתאים

כיצד תושפע המערכת אם נוריד את ריכוז החמצן?

מהירות התגובה הישרה תרד- ישתחרר יותר חמצן

Hb + O2 ↔ HbO2

בפעילות:

בשריר: משתחרר יותר חמצן מן ההמוגלובין.

בשרירים ריכוז החמצן

יורד עוד יותר

בריאות ריכוז חמצן עולה (קצב נשימה מהיר)

יותר חמצן נקשר להמוגלובין

Hb + O2 ↔ HbO2

עיקרון זה הוא כללי לכל אספקת חמצן לרקמות פעילות :

ההפרעה לשיווי משקל תביא שחרור החמצן ברקמה.

ברקמה פעילה: ריכוז חמצן יורד

Hb + O2 ↔ HbO2

קישור חמצן להמוגלובין עוברי

Ki > Km

כאשר המוגלובין אימהי מגיע לאזור השיליה, הקישור של חמצן להמוגלובין עוברי

מהווה הפרעה לשיווי משקל. התוצאה: פריקת חמצן מן ההמוגלובין האימהי,

וקישור שלו להמוגלובין עוברי

Hbm + O2 ↔ HbmO2

Hbi

+

↔

HbiO2

Km

Ki

מערכת בשיווי משקל: הבופר בדם.

pHתיפקוד מערכות ומבנים פיזיולוגים תלוי ב-

חומצות שונות נוצרות כחלק מן המטבוליזם באופן קבוע.

בכל יום נוצרות 8-40mMחומצות

) 7.35-7.45 קבוע (pHהשמירה על בדם היא חיונית.

מצבים שונים עשויים לשנות לשני הכיוונים.pH את ה

Carbonic acid (HCarbonic acid (H22COCO33))

Phosphoric acid (HPhosphoric acid (H33POPO44))

Pyruvic acid (CPyruvic acid (C33HH44OO33))

Lactic acid (CLactic acid (C33HH66OO33))

מערכת בשיווי משקל: הבופר בדם.

מערכת הבופר המרכזית בדם מורכבת ממערכת שיווי המשקל הנתונה:

)(2)(32)(3)(3 laqaqaq OHCOHOHHCO

)(2)(2)(32 aqlaq COOHCOH

•H+ + HCO3- H2CO3 H2O + CO2

שקול לכן לריכוז הפרוטונים. CO2ריכוז

ניתן לרשום בקיצור:

מערכת בופר נוספת- חלבוני הדם:

H+ + Pr- PrH

המערכות המבקרות:

א. בקרה באמצעות הריאות:נקבע על פי קצב הנשימהCO2 ריכוז

•H+ + HCO3- H2CO3 H2O + CO2

CO2 ירידה בריכוז ←עלית קצב הנשימה

CO2 עליה בריכוז ←ירידה בקצב הנשימה

המערכות המבקרות:

א. בקרה מידית באמצעות הריאות:

•H+ + HCO3- H2CO3 H2O + CO2

+Hסילוק ← CO2 ירידה בריכוז ←עלית קצב הנשימה

לה-שטלייה:

+Hיצירת ← CO2 עליה בריכוז ←ירידה בקצב הנשימה

+Hקצב הנשימה משפיע על ריכוז

מערכת זו מוגבלת כמובן על ידי קצב הנשימה האפשרי

זוכרים? בפעילות:

+Hסילוק יורד: CO2ריכוז

בשרירים נוצרת חומצה ←לקטית

עולה ריכוז יוני המימן

ריכוז חמצן עולה: חמצן נקשר יותר

Hb + O2 ↔ HbO2להמוגלובין

←מרכז בקרת הנשימה הנשימה עליה בקצבריאות:

H+ + HCO3- H2O + CO2

זוכרים? בפעילות:

בשרירים נוצרת חומצה ←לקטית

עולה ריכוז יוני המימן

חלק ממערכת הבופר: המוגלובין מגיב עם יוני מימן

H+ + Hb- HbH

H+ + Pr- PrH

הפרעות נוספות לשיווי משקל בשריר פעיל

Hb + O2 ↔ HbO2

HbH + O2 ↔ HbHO2

+

↔ H+

א. חומציות CO2ב. ריכוז

ג. טמפרטורה

אפקט בוהר:יותר חמצן משתחרר

בשריר פעיל

+CO2

↔HbCO2 + O2 ↔ HbHO2

K עבור HbH :קטן יותר שיחרור חמצן מן

ההמוגלובין

המערכות המבקרות:

ב. בקרה על ידי הכליות:HCO3 ריכוז

נקבע על פי פעולת הכיליה-

•H+ + HCO3- H2CO3 H2O + CO2

מיוננת. H2CO3בכליה מתרחשת הפרשה קבועה של בתגובה לעליה בריכוז יוני מימן בדם,

HCO3יוגבר בכליה תהליך ספיגה-בחזרה של , אך לא של יוני מימן.-

פעולת הכליה:

HCO3הוספה של לדם. בלבד, -

המערכות המבקרות:

ב. בקרה איטית על ידי הכליות:HCO3 ריכוז

נקבע על פי פעולת הכליה-

•H+ + HCO3- H2CO3 H2O + CO2

←הגברת פעילות הכליה

לה-שטלייה:

HCO3הוספה של ←לדם -

+H הורדת ריכוז

הסתגלות הכליה נמשכת מספר ימים

HCO3פחות ←ירידה בפעילות הכליה←בדם -

+H עליה בריכוז

חריגות

מטבולית:כשל כיליתי

דיאטהעודף מלחים

בדם

חמצת-אצידוזיס

נשימתית:האטה

בנשימה

מטבולית:כשל כיליתי

דיאטהקטואצידוזיס פיצוי: כליתי

פיצוי: היפרונטילציה

בססת-אלקלוזיס

נשימתית:היפרוונטילציה

פיצוי: כליתי

פיצוי: היפונטילציה

חמצת-אצידוזיס מטבולי

כשל כיליתידיאטה

קטואצידוזיס

H+ + HCO3- H2O + CO2

פיצוי: היפרונטילציה

תגובת הריאה מהירה אך מוגבלת

חמצת-אצידוזיס נשימתי

האטה בנשימה

H+ + HCO3- H2O + CO2

פיצוי: כליתי

תגובת הכליה איטית ומשמעותית יותר

לסיכום:

בעזרת לה שטלייה בלבד (כמעט) ....נחשף קצה קצהו של סוד החיים.

תהליכים פיזיולוגים רבים הם תלויי ריכוז.

כל כך פשוט ומעשיכל כך רלוונטי לחומר

כל כך בתוכנו....

שתי המערכות שהודגמו אינן לבדן:

הוראת נושא שיווי משקל בהקשר זה מתבקשת:

תודות:לצוות הכימיה בחמד"ע:

דבורי יעקביליאורה סעראידה בבייב

איתן קרייןאושרית יקנהאלה ליבשיץ

דבורי יעקביליאורה סעראידה בבייב

איתן קרייןאושרית יקנהאלה ליבשיץ

ותודה לכם על ההקשבה....

על העזרה והתמיכה