Jak działają pętle negatywnego sprzężenia zwrotnego w ciele?

Negatywne pętle sprzężenia zwrotnego odgrywają ważną rolę w regulacji zdrowia w ludzkim ciele. Pętla ujemnego sprzężenia zwrotnego, znana również jako pętla hamująca, jest rodzajem układu samoregulującego.

W pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego zwiększona moc wyjściowa systemu hamuje przyszłą produkcję przez system. Organizm zmniejsza ilość niektórych białek lub hormonów, które wytwarza, gdy ich poziom staje się zbyt wysoki.

Systemy negatywnego sprzężenia zwrotnego działają w celu utrzymania względnie stałych poziomów wydajności. Na przykład organizm utrzymuje temperaturę, zużycie kalorii, ciśnienie krwi, puls i częstość oddechów w oparciu o pętle ujemnego sprzężenia zwrotnego.

Negatywne pętle sprzężenia zwrotnego zarządzają produkcją

Wyobraź sobie, że ciało jest fabryką wytwarzającą Produkt X i wyobraź sobie, że wytwarzanie zbyt dużej ilości Produktu X jest drogie, marnotrawne i szkodliwe. Oznacza to, że organizm potrzebuje sposobu, aby spowolnić fabrykę, gdy zostanie wytworzona wystarczająca ilość Produktu X. Czyni to poprzez pętlę ujemnego sprzężenia zwrotnego. Oznacza to, że szybkość produkcji jest wrażliwa na ilość Produktu X. Kiedy zaczyna się on gromadzić, produkcja zwalnia.

Warto pomyśleć o fabryce jako o wielkiej, dużej linii montażowej, na której na końcu znajdują się półki. Kiedy półki się zapełnią, linia montażowa musi zwolnić, ponieważ nie ma gdzie umieścić produktu. Zbyt duże nagromadzenie się produktu może spowodować uszkodzenia.

Jeśli jednak półki są puste, jest dużo miejsca na przechowywanie produktu. Linia montażowa może przyspieszyć, aż półki znów się zapełnią, a celem jest utrzymywanie półek cały czas wypełnionych na odpowiednim poziomie.

Przeciwieństwem tego byłoby pozytywne sprzężenie zwrotne. W takim przypadku im więcej jest Produktu X, tym szybciej zakład wytworzy więcej.

Przykłady

Kilka dobrze poznanych negatywnych pętli sprzężenia zwrotnego kontroluje szereg różnych funkcji w ciele.

Cykl menstruacyjny kobiet działa poprzez pętlę ujemnego sprzężenia zwrotnego, która obejmuje struktury w mózgu, a także narządy rozrodcze w następujący sposób.

• Podwzgórze to gruczoł w mózgu, który wytwarza hormon uwalniający gonadotropiny (GnRH).
• GnRH sygnalizuje przysadce mózgowej wytwarzanie hormonu folikulotropowego (FSH).
• FSH pobudza jajniki do produkcji estrogenu.
• Wysoki poziom estrogenu (a także progesteronu i testosteronu, które są regulowane przez podobne pętle) hamują produkcję GnRH. Powoduje to, że przysadka wytwarza mniej FSH, co powoduje, że jajniki wytwarzają mniej estrogenu.

Męska oś rozrodcza jest ustawiona w podobny sposób jak oś żeńska, z hormonem luteinizującym (LH), FSH i testosteronem w pętli ujemnego sprzężenia zwrotnego związanego z płodnością.

Kolejna pętla ujemnego sprzężenia zwrotnego reguluje kwasowość pochwy. pH pochwy różni się w zależności od konkretnych bakterii, które są obecne, a więc:

• Normalne pH pochwy wynosi około 4 – lekko kwaśne. Pomaga to zapobiegać rozwojowi problematycznych bakterii, w tym tych, które powodują infekcje przenoszone drogą płciową (STI).
• Kwas mlekowy, który utrzymuje to pH, jest wytwarzany przez pałeczki kwasu mlekowego – część normalnej flory pochwy. Bakterie te rosną szybciej i wytwarzają więcej kwasu przy wyższym pH.
• Jedną z cech charakterystycznych bakteryjnego zapalenia pochwy jest pH powyżej 5, które wyzwala normalną florę do produkcji kwasu, który zapobiega rozwojowi zakaźnych bakterii.
• Gdy pH zbliża się do 4, pałeczki kwasu mlekowego mogą spowolnić produkcję kwasu mlekowego.

Poszukiwanie homeostazy

Jednym słowem kluczowym, które jest ważne w zrozumieniu negatywnych pętli sprzężenia zwrotnego, jest „homeostaza”. Homeostaza jest definiowana jako tendencja systemu do stabilności. Homeostaza jest bardzo ważna w ludzkim ciele. Wiele systemów musi samoregulować się, aby organizm pozostawał w optymalnych dla zdrowia zakresach.

Na przykład w cukrzycy trzustka nie reaguje prawidłowo na wysoki poziom cukru we krwi, wytwarzając więcej insuliny. W cukrzycy typu 1 (cukrzyca insulinozależna, w której trzustka produkuje niewiele insuliny lub w ogóle w ogóle) dzieje się tak, ponieważ jest mniej komórek dostępnych do wytwarzania insuliny. Układ odpornościowy człowieka uszkodził komórki produkujące insulinę.

Podobnie oddychanie reguluje poziom tlenu i dwutlenku węgla w organizmie, które są ściśle kontrolowane przez mechanizmy w mózgu, które pośredniczą w oddychaniu.