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Acidité du sang et os


En consommant des aliments acides, pourrait-on rendre son sang acide et donc provoquer une réaction acide+base entre son sang et ses os ?

Je pose cette question parce que j'ai récemment découvert que l'os est une base, car sa formule chimique est approximée par Californie10(bon de commande4)6(OH)2 où le (OH)2 suggère que l'os est basique et donc sujet à une réaction de neutralisation avec le sang acide. Si oui, quel sel serait produit ?


Réponse courte : Comme le mentionnent les commentaires, il s'agit d'un sujet brûlant que les pseudo-scientifiques peuvent utiliser comme argument de vente pour leurs suppléments. Il existe des preuves limitées que l'apport alimentaire en acide modifie de manière significative la résorption osseuse, en particulier dans le cadre d'une fonction rénale normale. Ce document devrait répondre à toutes vos questions (accent Mien):

Frassetto, Banerjee, Powe, Sébastien. Équilibre acide, charge en acide alimentaire et effets sur les os - Un sujet controversé. Nutriments. 2018. 10(4),517.

Résumé: Les régimes occidentaux modernes, avec une teneur plus élevée en produits animaux que les fruits et légumes, ont une teneur plus élevée en précurseurs acides par rapport aux précurseurs basiques, ce qui entraîne une charge acide nette pour le corps. Pour éviter l'accumulation inexorable d'acide dans l'organisme et les degrés croissants d'acidose métabolique, l'organisme dispose de plusieurs systèmes pour tamponner et titrer l'acide, y compris l'os qui contient de grandes quantités de sels alcalins de calcium. Des études in vitro et in vivo chez l'animal et l'homme suggèrent que la base osseuse aide à neutraliser une partie de la charge nette d'acide alimentaire. Cela soulève la question de savoir si des décennies de régime alimentaire riche en acide pourraient contribuer à la perte de masse osseuse dans l'ostéoporose. Si cette idée est vraie, une ingestion supplémentaire d'alcalis sous forme d'aliments nets producteurs de bases ou de sels alcalinisants pourrait potentiellement empêcher cette perte osseuse liée à l'acide. À l'heure actuelle, il existe des données qui soutiennent à la fois les partisans et les adversaires de cette hypothèse. Les récentes revues de la littérature ont eu tendance à soutenir l'un ou l'autre côté. En supposant que les données citées par les deux parties soient correctes, nous suggérons un moyen de réconcilier les résultats discordants. Cet aperçu discutera d'abord des acides et des bases alimentaires et de l'idée de changements dans l'équilibre acide avec l'âge, puis passera en revue les preuves pour et contre l'utilité de la thérapie alcaline comme traitement de l'ostéoporose, et enfin proposera un moyen de concilier ces deux points opposés. de vue.

Ce document est en accès libre et je vous recommande de le lire, mais les conclusions résument bien leurs conclusions :

7. Synthèse

Nous suggérons que la façon de rassembler toutes ces informations est de convenir… que l'os seul ne peut pas amortir le bilan acide positif que l'on peut calculer à partir des mesures de la production d'acide et de l'excrétion d'acide. De plus, la production d'acide endogène monte et descend dans le but de maintenir le pH sanguin systémique…

Les régimes riches en précurseurs acides ajoutent à la charge acide du corps. Pour La majorité des gens manger des régimes occidentaux typiques avec des charges acides de ≤1 mmol/kg, dont la fonction rénale et la capacité d'excrétion acide sont normales, les charges acides alimentaires ne seraient pas un facteur facilement détectable dans l'altération de la densité minérale osseuse conduisant au développement de l'ostéoporose. D'autres facteurs tels que l'âge, le sexe, la race et l'immobilité sont des facteurs quantitativement plus importants dans la détermination de la masse osseuse et de la dégradation osseuse.

Cependant, la rétention corporelle de seulement 1 ou 2 mEq d'acide par jour, à peine détectable par les techniques de mesure actuelles, tamponnée par les muscles et les reins et titrée par la base squelettique sur des décennies, pourrait potentiellement entraîner un épuisement majeur de la minéralité osseuse. Ainsi, nous suggérons que les sujets plus âgés présentant une fonction rénale diminuée, une diminution de la capacité d'excrétion d'acide rénal et une capacité tampon inférieure en raison d'une masse musculaire et/ou osseuse plus faible, dont le régime alimentaire contient des charges acides nettes élevées, pourraient potentiellement bénéficier le plus des thérapies alcalines.


Réponse longue : Bien qu'il existe une multitude de pseudosciences sur Internet concernant l'acidémie et la composition osseuse, il y a une part de vérité dans l'idée que les os peuvent être affectés par le pH. Un excellent modèle pour explorer ce concept est la maladie rénale chronique, car une insuffisance rénale entraîne une diminution de la sécrétion de H+, ce qui entraîne une acidose métabolique chronique :

Kopple, Kalantar-Zadeh, Mehrotra. Risques d'acidose métabolique chronique chez les patients atteints d'insuffisance rénale chronique. Rein International. 2005. 67(95),S21-27.

Acidose métabolique

Une acidose métabolique chronique sévère (c'est-à-dire la présence d'ions hydrogène en excès dans le sang) a deux conséquences systémiques majeures bien connues. Premièrement, l'acidose métabolique, ou acidémie, induit une augmentation du catabolisme des protéines, une diminution de la synthèse des protéines et un bilan négatif de l'azote et des protéines corporelles totales, qui s'améliorent avec la supplémentation en bicarbonate. Deuxièmement, l'acidose métabolique provoque une dissolution physico-chimique de l'os et une résorption osseuse à médiation cellulaire (inhibition des ostéoblastes et stimulation de la fonction des ostéoclastes).

Acidose métabolique et maladie osseuse

L'acidose métabolique exerce de multiples effets sur l'os. Il provoque la dissolution physico-chimique de l'os et la résorption osseuse à médiation cellulaire par l'inhibition de l'activité des ostéoblastes et la stimulation de la fonction des ostéoclastes. Ces événements sont associés à une perte de calcium et de phosphore de l'os. L'acidose métabolique stimule la libération de prostaglandines par les ostéoblastes. Cela stimule la fonction des ostéoclastes et inhibe l'activité des ostéoblastes. Les glucocorticoïdes peuvent inhiber la production de prostaglandines par les ostéoblastes.

L'acidose métabolique est également associée à une diminution de la teneur en bicarbonate osseux. De plus, la supplémentation en bicarbonate chez les femmes ménopausées est associée à une diminution des taux urinaires de calcium, de phosphore et à une augmentation des taux d'ostéocalcine, indiquant un effet bénéfique. La figure 4 montre les mécanismes reliant l'acidose métabolique à la maladie osseuse3. Ces observations suggèrent qu'une acidose métabolique non corrigée a des conséquences néfastes sur l'anatomie et la physiologie osseuses.

Figure 4. Les divers mécanismes par lesquels l'acidose métabolique peut contribuer à la maladie osseuse. (De3).

À partir de là, vous pouvez répondre à vos questions :

Q : En consommant des aliments acides, peut-on rendre son sang acide et donc provoquer une réaction acide+base entre son sang et ses os ?

UNE: Peut-être. Il est possible d'induire une acidose métabolique avec un régime :

Adeva, Souto. Acidose métabolique induite par l'alimentation. Nutrition Clinique. 2011. 30(4),416-21.

L'alimentation moderne de type occidental est déficiente en fruits et légumes et contient un excès de produits animaux, générant l'accumulation d'anions non métabolisables et un état de durée de vie d'acidose métabolique méconnue, dont l'ampleur augmente progressivement avec le vieillissement en raison du déclin physiologique de la fonction rénale. En réponse à cet état d'acidose métabolique d'origine alimentaire, le rein met en œuvre des mécanismes de compensation visant à rétablir l'équilibre acido-basique, tels que l'élimination des anions non métabolisables, la conservation du citrate, et l'amélioration de l'ammoniogenèse rénale et urinaire. excrétion des ions ammonium. Ces processus adaptatifs abaissent le pH de l'urine et induisent un changement important dans la composition de l'urine, notamment une hypocitraturie, une hypercalciurie et une perte d'azote et de phosphate.

Et il existe des recherches sur les effets à court terme d'un régime alimentaire modifié sur le pH et la composition du sang et de l'urine, mais la pertinence clinique de ces valeurs est indéterminée :

Buclin, Cosma, Appenzeller, Jacquet, Décosterd, Biollaz, Burckhardt. Les acides alimentaires et les alcalis influencent la rétention de calcium dans les os. Ostéoporose Internationale. 2001. 12(6),493-99.

Les propriétés acidifiantes de l'urine des constituants alimentaires dépendent de leur teneur en acides ou précurseurs non oxydables. Les constituants acidifiants tels que les protéines animales peuvent affecter négativement le métabolisme du calcium et accélérer la résorption osseuse, représentant ainsi un facteur aggravant de l'ostéoporose. au départ et après la charge calcique orale, et une excrétion de C-télopeptide de 19 % (p = 0,01), suggérant une origine squelettique pour la production excessive de calcium. Cette observation confirme que les acides excrétés par les reins provenant des aliments influencent le métabolisme du calcium et que les nutriments alcalinisants inhibent la résorption osseuse. D'autres études sont nécessaires pour déterminer l'impact clinique des conseils diététiques pour éviter les acides alimentaires comme mesure préventive contre l'ostéoporose.

Mais les meilleures preuves récentes ne soutiennent pas l'idée que des changements significatifs dans la composition osseuse pourraient être induits par le seul régime alimentaire (voir ma "Réponse courte" ci-dessus).

Q :… quel sel serait produit ?

Il existe de nombreux acides métaboliques, mais pour simplifier, nous considérerons H+. Les bases osseuses sont stockées sous forme de sels alcalins (par exemple. carbonate de calcium, CaCO3, ce qui est vraiment ca2+ et Cie32-). Donc, si H+ entre en contact avec du carbonate de calcium, vous ferez de l'acide carbonique (avec H+ déplacer Ca2+ produire H2CO3 - vous excrétez le Ca2+, entraînant l'hypercalcurie décrite ci-dessus). Grâce au système tampon bicarbonate, que H2CO3 sera converti en dioxyde de carbone et en eau, que vous excréterez de votre corps par la respiration.


14.2 : Introduction au système squelettique

  • Une contribution de Suzanne Wakim et de Mandeep Grewal
  • Professeurs (biologie moléculaire cellulaire et science des plantes) au Butte College

Le symbole du crâne et des os croisés est utilisé depuis très longtemps pour représenter la mort, peut-être parce qu'après la mort et la décomposition, il ne reste que des os. Beaucoup de gens pensent que les os sont morts, secs et cassants. Ces adjectifs peuvent décrire correctement les os d'un squelette préservé, mais les os d'un être humain vivant sont bien vivants. Les os vivants sont également solides et flexibles. Les os sont les principaux organes du système squelettique.

Figure (PageIndex<1>): drapeau tête de mort

Les système squelettique est le système d'organes qui fournit un cadre interne pour le corps humain. Pourquoi avez-vous besoin d'un système squelettique? Essayez d'imaginer à quoi vous ressembleriez sans elle. Vous seriez un tas de peau molle et bancale contenant des muscles et des organes internes mais pas d'os. Vous pourriez ressembler à une très grosse limace. Non pas que vous puissiez vous voir et que des plis cutanés s'affaissent sur vos yeux et bloquent votre vision à cause de votre manque d'os du crâne. Vous pourriez repousser la peau si vous pouviez seulement bouger vos bras, mais vous avez aussi besoin d'os pour cela !

Composants du système squelettique

Chez l'adulte, le système squelettique comprend 206 os, dont beaucoup sont illustrés à la figure (PageIndex<2>). Les os sont des organes constitués de tissus conjonctifs denses, principalement le collagène protéique résistant. Les os contiennent des vaisseaux sanguins, des nerfs et d'autres tissus. Les os sont durs et rigides en raison des dépôts de calcium et d'autres sels minéraux dans leurs tissus vivants. Les endroits où deux os ou plus se rencontrent sont appelés articulations. De nombreuses articulations permettent aux os de bouger comme des leviers. Par exemple, votre coude est une articulation qui vous permet de plier et de redresser votre bras.

Figure (PageIndex<2>) : Certains des 206 os sont étiquetés sur le squelette humain adulte.

Outre les os, le système squelettique comprend du cartilage et des ligaments.

  • Cartilage est un type de tissu conjonctif dense, composé de fibres protéiques résistantes. Il est solide mais flexible et très lisse. Il recouvre les extrémités des os au niveau des articulations, offrant une surface lisse sur laquelle les os peuvent se déplacer.
  • Ligaments sont des bandes de tissu conjonctif fibreux qui maintiennent les os ensemble. Ils maintiennent les os du squelette en place.

Squelettes axiaux et appendiculaires

Le squelette est traditionnellement divisé en deux parties principales : le squelette axial et le squelette appendiculaire, tous deux représentés sur la figure (PageIndex<3>).

  • Le squelette axial forme l'axe du corps. Il comprend le crâne, la colonne vertébrale (colonne vertébrale) et la cage thoracique. Les os du squelette axial, ainsi que les ligaments et les muscles, permettent au corps humain de maintenir sa posture droite. Le squelette axial transmet également le poids de la tête, du tronc et des membres supérieurs vers le bas du dos vers les membres inférieurs. De plus, les os protègent le cerveau et les organes de la poitrine.
  • Le squelette appendiculaire forme les appendices et leurs attaches au squelette axial. Il comprend les os des bras et des jambes, des mains et des pieds, et des ceintures scapulaires et pelviennes. Les os du squelette appendiculaire permettent la locomotion et d'autres mouvements des appendices. Ils protègent également les principaux organes de la digestion, de l'excrétion et de la reproduction.
Figure (PageIndex<3>) : Squelette axial représenté en bleu Figure (PageIndex<3>) : Squelette appendiculaire représenté en bleu

Hypophosphatasie

Études de routine

Les autres tests biochimiques de routine, y compris les paramètres sériques de la fonction hépatique ou musculaire (par exemple, la bilirubine, l'aspartate aminotransférase, la lactate déshydrogénase, la créatine kinase, l'aldolase), sont sans particularité dans l'HPP. L'activité de la phosphatase acide sérique est généralement normale, 93 mais la phosphatase acide tartrate-résistante dérivée des ostéoclastes était inexplicablement élevée pendant plus d'une décennie chez une femme affectée. 94 Des taux accrus de proline dans le sang et l'urine ont été décrits chez quelques patients, mais la signification n'est pas connue. 95 Les marqueurs de remodelage osseux n'ont pas encore été détaillés dans les rapports publiés.


Contenu

Le mot homéostasie ( / ˌ h oʊ m i oʊ ˈ s t eɪ s ɪ s / [8] [9] ) utilise des formes de combinaison de homéo- et -stase, Nouveau latin du grec : ὅμοιος homoios, "similaire" et stase, "rester immobile", donnant l'idée de "rester le même".

Le concept de la régulation de l'environnement interne a été décrit par le physiologiste français Claude Bernard en 1849, et le mot homéostasie a été inventé par Walter Bradford Cannon en 1926. [10] [11] En 1932, Joseph Barcroft, un physiologiste britannique, a été le premier à dire qu'une fonction cérébrale supérieure nécessitait l'environnement interne le plus stable. Ainsi, pour Barcroft, l'homéostasie n'était pas seulement organisée par le cerveau : l'homéostasie servait le cerveau. [12] L'homéostasie est un terme presque exclusivement biologique, faisant référence aux concepts décrits par Bernard et Cannon, concernant la constance de l'environnement interne dans lequel vivent et survivent les cellules du corps. [10] [11] [13] Le terme cybernétique est appliqué aux systèmes de contrôle technologiques tels que les thermostats, qui fonctionnent comme des mécanismes homéostatiques, mais est souvent défini beaucoup plus largement que le terme biologique d'homéostasie. [5] [14] [15] [16]

Les processus métaboliques de tous les organismes ne peuvent avoir lieu que dans des environnements physiques et chimiques très spécifiques. Les conditions varient avec chaque organisme et selon que les processus chimiques se déroulent à l'intérieur de la cellule ou dans le liquide interstitiel qui baigne les cellules. Les mécanismes homéostatiques les plus connus chez l'homme et les autres mammifères sont les régulateurs qui maintiennent constante la composition du liquide extracellulaire (ou "l'environnement interne"), notamment en ce qui concerne la température, le pH, l'osmolalité, et les concentrations de sodium, potassium, glucose. , le dioxyde de carbone et l'oxygène. Cependant, un grand nombre d'autres mécanismes homéostatiques, englobant de nombreux aspects de la physiologie humaine, contrôlent d'autres entités du corps. Lorsque les niveaux de variables sont supérieurs ou inférieurs à ceux nécessaires, ils sont souvent préfixés par hyper- et hypo-, respectivement comme l'hyperthermie et l'hypothermie ou l'hypertension et l'hypotension.

Si une entité est contrôlée homéostatiquement, cela n'implique pas que sa valeur soit nécessairement absolument constante en termes de santé. La température centrale du corps est, par exemple, régulée par un mécanisme homéostatique avec des capteurs de température dans, entre autres, l'hypothalamus du cerveau. [17] Cependant, la consigne du régulateur est régulièrement remise à zéro. [18] Par exemple, la température corporelle centrale chez l'homme varie au cours de la journée (c'est-à-dire qu'elle a un rythme circadien), les températures les plus basses se produisant la nuit et les plus élevées l'après-midi. D'autres variations normales de température incluent celles liées au cycle menstruel. [19] [20] Le point de consigne du régulateur de température est réinitialisé pendant les infections pour produire de la fièvre. [17] [21] [22] Les organismes sont capables de s'adapter quelque peu à des conditions variées telles que les changements de température ou les niveaux d'oxygène en altitude, par un processus d'acclimatation.

L'homéostasie ne régit pas toutes les activités du corps. [23] [24] Par exemple, le signal (que ce soit via les neurones ou les hormones) du capteur à l'effecteur est, par nécessité, très variable afin de transmettre des informations sur la direction et l'ampleur de l'erreur détectée par le capteur. [25] [26] [27] De même, la réponse de l'effecteur doit être hautement ajustable pour inverser l'erreur - en fait, elle devrait être très proportionnelle (mais dans la direction opposée) à l'erreur qui menace l'environnement interne. [15] [16] Par exemple, la pression artérielle chez les mammifères est contrôlée homéostatiquement et mesurée par des récepteurs d'étirement dans les parois de l'arc aortique et des sinus carotides aux débuts des artères carotides internes. [17] Les capteurs envoient des messages via les nerfs sensoriels à la moelle allongée du cerveau indiquant si la pression artérielle a baissé ou augmenté, et de combien. La moelle allongée distribue ensuite des messages le long des nerfs moteurs ou efférents appartenant au système nerveux autonome à une grande variété d'organes effecteurs, dont l'activité est par conséquent modifiée pour inverser l'erreur de la pression artérielle. L'un des organes effecteurs est le cœur dont la fréquence est stimulée pour augmenter (tachycardie) lorsque la pression artérielle chute, ou pour ralentir (bradycardie) lorsque la pression dépasse le point de consigne. [17] Ainsi, la fréquence cardiaque (pour laquelle il n'y a pas de capteur dans le corps) n'est pas contrôlée de manière homéostatique, mais est l'une des réponses effectrices aux erreurs de la pression artérielle. Un autre exemple est le taux de transpiration. C'est l'un des effecteurs du contrôle homéostatique de la température corporelle, et donc très variable en proportion approximative de la charge thermique qui menace de déstabiliser la température centrale du corps, pour laquelle il existe un capteur dans l'hypothalamus du cerveau.

Température à cœur Modifier

Les mammifères régulent leur température centrale en utilisant les entrées des thermorécepteurs dans l'hypothalamus, le cerveau, [17] [28] la moelle épinière, les organes internes et les grosses veines. [29] [30] Outre la régulation interne de la température, un processus appelé allostase peut entrer en jeu qui ajuste le comportement pour s'adapter au défi des extrêmes très chauds ou froids (et à d'autres défis). [31] Ces ajustements peuvent inclure la recherche d'ombre et la réduction de l'activité, ou la recherche de conditions plus chaudes et l'augmentation de l'activité, ou le regroupement. [32] La thermorégulation comportementale a la priorité sur la thermorégulation physiologique puisque les changements nécessaires peuvent être affectés plus rapidement et que la thermorégulation physiologique est limitée dans sa capacité à répondre aux températures extrêmes. [33]

Lorsque la température centrale chute, l'apport sanguin à la peau est réduit par une vasoconstriction intense. [17] Le flux sanguin vers les membres (qui ont une grande surface) est également réduit et renvoyé au tronc via les veines profondes qui se trouvent le long des artères (formant des veines comitantes). [28] [32] [34] Cela agit comme un système d'échange à contre-courant qui court-circuite la chaleur du sang artériel directement dans le sang veineux retournant dans le tronc, provoquant une perte de chaleur minimale des extrémités par temps froid. [28] [32] [35] Les veines sous-cutanées des membres sont étroitement rétrécies, [17] non seulement réduisant la perte de chaleur de cette source, mais forçant également le sang veineux dans le système à contre-courant dans les profondeurs des membres.

Le taux métabolique est augmenté, d'abord par une thermogenèse sans frissons [36] suivie d'une thermogenèse avec frissons si les réactions antérieures sont insuffisantes pour corriger l'hypothermie.

Lorsque des augmentations de la température centrale sont détectées par les thermorécepteurs, les glandes sudoripares de la peau sont stimulées par les nerfs sympathiques cholinergiques pour sécréter de la sueur sur la peau, qui, lorsqu'elle s'évapore, refroidit la peau et le sang qui la traverse. L'halètement est un effecteur alternatif chez de nombreux vertébrés, qui refroidit également le corps par l'évaporation de l'eau, mais cette fois à partir des muqueuses de la gorge et de la bouche.

Glycémie Modifier

Les taux de sucre dans le sang sont régulés dans des limites assez étroites. [37] Chez les mammifères, les principaux capteurs pour cela sont les cellules bêta des îlots pancréatiques. [38] [39] Les cellules bêta répondent à une augmentation du taux de sucre dans le sang en sécrétant de l'insuline dans le sang et en inhibant simultanément leurs cellules alpha voisines de sécréter du glucagon dans le sang. [38] Cette combinaison (taux élevé d'insuline dans le sang et faible taux de glucagon) agit sur les tissus effecteurs, dont les principaux sont le foie, les cellules graisseuses et les cellules musculaires. Le foie est empêché de produire du glucose, de le prendre à la place et de le convertir en glycogène et en triglycérides. Le glycogène est stocké dans le foie, mais les triglycérides sont sécrétés dans le sang sous forme de particules de lipoprotéines de très basse densité (VLDL) qui sont absorbées par le tissu adipeux, pour y être stockées sous forme de graisses. Les cellules graisseuses absorbent le glucose par l'intermédiaire de transporteurs spéciaux de glucose (GLUT4), dont le nombre dans la paroi cellulaire augmente en raison de l'effet direct de l'insuline agissant sur ces cellules. Le glucose qui pénètre ainsi dans les cellules adipeuses est converti en triglycérides (via les mêmes voies métaboliques que celles utilisées par le foie) puis stocké dans ces cellules adipeuses avec les triglycérides dérivés des VLDL qui ont été fabriqués dans le foie. Les cellules musculaires absorbent également le glucose via les canaux de glucose GLUT4 sensibles à l'insuline et le convertissent en glycogène musculaire.

Une baisse de la glycémie provoque l'arrêt de la sécrétion d'insuline et la sécrétion du glucagon par les cellules alpha dans le sang. Cela inhibe l'absorption du glucose du sang par le foie, les cellules adipeuses et les muscles. Au lieu de cela, le foie est fortement stimulé pour fabriquer du glucose à partir de glycogène (par glycogénolyse) et de sources non glucidiques (telles que le lactate et les acides aminés désaminés) en utilisant un processus connu sous le nom de gluconéogenèse. [40] Le glucose ainsi produit est déversé dans le sang en corrigeant l'erreur détectée (hypoglycémie). Le glycogène stocké dans les muscles reste dans les muscles et n'est décomposé, pendant l'exercice, qu'en glucose-6-phosphate et de là en pyruvate pour être introduit dans le cycle de l'acide citrique ou transformé en lactate. Seuls le lactate et les déchets du cycle de l'acide citrique retournent dans le sang. Le foie ne peut absorber que le lactate et, par le processus de gluconéogenèse consommatrice d'énergie, le reconvertir en glucose.

Niveaux de fer Modifier

Régulation du cuivre Modifier

Niveaux de gaz du sang Modifier

Les changements dans les niveaux d'oxygène, de dioxyde de carbone et de pH plasmatique sont envoyés au centre respiratoire, dans le tronc cérébral où ils sont régulés. La pression partielle d'oxygène et de dioxyde de carbone dans le sang artériel est surveillée par les chimiorécepteurs périphériques (PNS) dans l'artère carotide et la crosse aortique. Un changement de la pression partielle du dioxyde de carbone est détecté comme une modification du pH dans le liquide céphalo-rachidien par les chimiorécepteurs centraux (SNC) dans la moelle allongée du tronc cérébral. Les informations provenant de ces ensembles de capteurs sont envoyées au centre respiratoire qui active les organes effecteurs - le diaphragme et d'autres muscles de la respiration. Une augmentation du niveau de dioxyde de carbone dans le sang ou une diminution du niveau d'oxygène entraînera une respiration plus profonde et une augmentation de la fréquence respiratoire pour ramener les gaz du sang à l'équilibre.

Trop peu de dioxyde de carbone et, dans une moindre mesure, trop d'oxygène dans le sang peuvent temporairement arrêter la respiration, une condition connue sous le nom d'apnée, que les apnéistes utilisent pour prolonger le temps qu'ils peuvent rester sous l'eau.

La pression partielle de dioxyde de carbone est plus un facteur décisif dans la surveillance du pH. [41] Cependant, à haute altitude (au-dessus de 2500 m) la surveillance de la pression partielle d'oxygène est prioritaire, et l'hyperventilation maintient le niveau d'oxygène constant. Avec le niveau inférieur de dioxyde de carbone, pour maintenir le pH à 7,4, les reins sécrètent des ions hydrogène dans le sang et excrétent du bicarbonate dans l'urine. [42] [43] Ceci est important dans l'acclimatation à la haute altitude. [44]

Teneur en oxygène dans le sang Modifier

Les reins mesurent la teneur en oxygène plutôt que la pression partielle d'oxygène dans le sang artériel. Lorsque la teneur en oxygène du sang est chroniquement basse, les cellules sensibles à l'oxygène sécrètent de l'érythropoïétine (EPO) dans le sang. [45] Le tissu effecteur est la moelle osseuse rouge qui produit les globules rouges (RBC) (érythrocytes). L'augmentation des globules rouges entraîne une augmentation de l'hématocrite dans le sang et une augmentation subséquente de l'hémoglobine qui augmente la capacité de transport d'oxygène. C'est le mécanisme par lequel les habitants de haute altitude ont des hématocrites plus élevés que les habitants du niveau de la mer, et aussi pourquoi les personnes souffrant d'insuffisance pulmonaire ou de shunts droite-gauche dans le cœur (à travers lequel le sang veineux contourne les poumons et va directement dans le système circulation) ont des hématocrites tout aussi élevés. [46] [47]

Quelle que soit la pression partielle d'oxygène dans le sang, la quantité d'oxygène qui peut être transportée dépend de la teneur en hémoglobine. La pression partielle d'oxygène peut être suffisante par exemple dans l'anémie, mais la teneur en hémoglobine sera insuffisante et par la suite de même que la teneur en oxygène. Avec un apport suffisant de fer, de vitamine B12 et d'acide folique, l'EPO peut stimuler la production de globules rouges et la teneur en hémoglobine et en oxygène rétablie à la normale. [46] [48]

Tension artérielle Modifier

Le cerveau peut réguler le flux sanguin sur une plage de valeurs de pression artérielle par vasoconstriction et vasodilatation des artères. [49]

Des récepteurs à haute pression appelés barorécepteurs situés dans les parois de l'arc aortique et du sinus carotidien (au début de l'artère carotide interne) surveillent la pression artérielle. [50] L'augmentation de la pression est détectée lorsque les parois des artères s'étirent en raison d'une augmentation du volume sanguin. Cela amène les cellules du muscle cardiaque à sécréter l'hormone peptide natriurétique auriculaire (ANP) dans le sang. Celui-ci agit sur les reins pour inhiber la sécrétion de rénine et d'aldostérone provoquant la libération de sodium et d'eau accompagnant dans l'urine, réduisant ainsi le volume sanguin. [51] Cette information est ensuite transmise, via les fibres nerveuses afférentes, au noyau solitaire de la moelle allongée. [52] À partir de là, les nerfs moteurs appartenant au système nerveux autonome sont stimulés pour influencer principalement l'activité du cœur et des artères de plus petit diamètre, appelées artérioles. Les artérioles sont les principaux vaisseaux de résistance de l'arbre artériel, et de petits changements de diamètre provoquent de grands changements dans la résistance à les traverser. Lorsque la pression artérielle augmente, les artérioles sont stimulées pour se dilater, ce qui facilite la sortie du sang des artères, les dégonfle et ramène la pression artérielle à la normale. Dans le même temps, le cœur est stimulé par les nerfs parasympathiques cholinergiques pour battre plus lentement (appelée bradycardie), garantissant que l'afflux de sang dans les artères est réduit, ajoutant ainsi à la réduction de la pression et à la correction de l'erreur initiale.

La basse pression dans les artères, provoque le réflexe inverse de constriction des artérioles, et une accélération de la fréquence cardiaque (appelée tachycardie). Si la chute de la pression artérielle est très rapide ou excessive, la moelle allongée stimule la médullosurrénale, via les nerfs sympathiques « préganglionnaires », pour sécréter de l'épinéphrine (adrénaline) dans le sang. Cette hormone augmente la tachycardie et provoque une vasoconstriction sévère des artérioles à tous les organes du corps sauf l'essentiel (en particulier le cœur, les poumons et le cerveau). Ces réactions corrigent généralement très efficacement la pression artérielle basse (hypotension).

Niveaux de calcium Modifier

La concentration plasmatique de calcium ionisé (Ca 2+ ) est très étroitement contrôlée par une paire de mécanismes homéostatiques. [53] Le capteur du premier est situé dans les glandes parathyroïdes, où les cellules principales détectent le niveau de Ca 2+ au moyen de récepteurs calciques spécialisés dans leurs membranes. Les capteurs du second sont les cellules parafolliculaires de la glande thyroïde. Les cellules principales parathyroïdiennes sécrètent de l'hormone parathyroïdienne (PTH) en réponse à une baisse du taux plasmatique de calcium ionisé. Les cellules parafolliculaires de la glande thyroïde sécrètent de la calcitonine en réponse à une augmentation du taux plasmatique de calcium ionisé.

Les organes effecteurs du premier mécanisme homéostatique sont les os, le rein et, via une hormone libérée dans le sang par le rein en réponse à des taux élevés de PTH dans le sang, le duodénum et le jéjunum. L'hormone parathyroïdienne (en concentrations élevées dans le sang) provoque une résorption osseuse, libérant du calcium dans le plasma. C'est une action très rapide qui permet de corriger une hypocalcémie menaçante en quelques minutes. Des concentrations élevées de PTH provoquent l'excrétion d'ions phosphate via l'urine. Étant donné que les phosphates se combinent avec les ions calcium pour former des sels insolubles (voir aussi minéral osseux), une diminution du taux de phosphates dans le sang libère des ions calcium libres dans le pool de calcium ionisé plasmatique. La PTH a une seconde action sur les reins. Il stimule la fabrication et la libération, par les reins, de calcitriol dans le sang. Cette hormone stéroïde agit sur les cellules épithéliales de la partie supérieure de l'intestin grêle, augmentant leur capacité à absorber le calcium du contenu intestinal dans le sang. [54]

Le deuxième mécanisme homéostatique, avec ses capteurs dans la glande thyroïde, libère de la calcitonine dans le sang lorsque le calcium ionisé sanguin augmente. Cette hormone agit principalement sur les os, provoquant l'élimination rapide du calcium du sang et son dépôt, sous forme insoluble, dans les os. [55]

Les deux mécanismes homéostatiques fonctionnant à travers la PTH d'une part et la calcitonine d'autre part peuvent très rapidement corriger toute erreur imminente dans le taux plasmatique de calcium ionisé soit en retirant le calcium du sang et en le déposant dans le squelette, soit en en retirant le calcium. . Le squelette agit comme une réserve de calcium extrêmement importante (environ 1 kg) par rapport à la réserve de calcium plasmatique (environ 180 mg). La régulation à plus long terme se produit par l'absorption ou la perte de calcium par l'intestin.

Un autre exemple sont les endocannabinoïdes les mieux caractérisés comme l'anandamide (N-arachidonoyléthanolamide AEA) et 2-arachidonoylglycérol (2-AG), dont la synthèse se produit par l'action d'une série d'enzymes intracellulaires activées en réponse à une augmentation des taux de calcium intracellulaire pour introduire l'homéostasie et la prévention du développement tumoral grâce à des mécanismes protecteurs putatifs qui empêchent croissance et migration cellulaires par activation de CB1 et/ou CB2 et des récepteurs adjacents. [56]

Concentration de sodium Modifier

Le mécanisme homéostatique qui contrôle la concentration plasmatique de sodium est un peu plus complexe que la plupart des autres mécanismes homéostatiques décrits sur cette page.

Le capteur est situé dans l'appareil juxtaglomérulaire des reins, qui détecte la concentration plasmatique de sodium d'une manière étonnamment indirecte. Au lieu de le mesurer directement dans le sang circulant devant les cellules juxtaglomérulaires, ces cellules répondent à la concentration de sodium dans le liquide tubulaire rénal après qu'il a déjà subi une certaine quantité de modification dans le tubule contourné proximal et l'anse de Henle. [57] Ces cellules répondent également au débit sanguin à travers l'appareil juxtaglomérulaire, qui, dans des circonstances normales, est directement proportionnel à la pression artérielle, faisant de ce tissu un capteur de pression artérielle auxiliaire.

En réponse à une baisse de la concentration plasmatique de sodium ou à une baisse de la pression artérielle, les cellules juxtaglomérulaires libèrent de la rénine dans le sang. [57] [58] [59] Renin is an enzyme which cleaves a decapeptide (a short protein chain, 10 amino acids long) from a plasma α-2-globulin called angiotensinogen. This decapeptide is known as angiotensin I. [57] It has no known biological activity. However, when the blood circulates through the lungs a pulmonary capillary endothelial enzyme called angiotensin-converting enzyme (ACE) cleaves a further two amino acids from angiotensin I to form an octapeptide known as angiotensin II. Angiotensin II is a hormone which acts on the adrenal cortex, causing the release into the blood of the steroid hormone, aldosterone. Angiotensin II also acts on the smooth muscle in the walls of the arterioles causing these small diameter vessels to constrict, thereby restricting the outflow of blood from the arterial tree, causing the arterial blood pressure to rise. This, therefore, reinforces the measures described above (under the heading of "Arterial blood pressure"), which defend the arterial blood pressure against changes, especially hypotension.

The angiotensin II-stimulated aldosterone released from the zona glomerulosa of the adrenal glands has an effect on particularly the epithelial cells of the distal convoluted tubules and collecting ducts of the kidneys. Here it causes the reabsorption of sodium ions from the renal tubular fluid, in exchange for potassium ions which are secreted from the blood plasma into the tubular fluid to exit the body via the urine. [57] [60] The reabsorption of sodium ions from the renal tubular fluid halts further sodium ion losses from the body, and therefore preventing the worsening of hyponatremia. The hyponatremia can only be corrigée by the consumption of salt in the diet. However, it is not certain whether a "salt hunger" can be initiated by hyponatremia, or by what mechanism this might come about.

When the plasma sodium ion concentration is higher than normal (hypernatremia), the release of renin from the juxtaglomerular apparatus is halted, ceasing the production of angiotensin II, and its consequent aldosterone-release into the blood. The kidneys respond by excreting sodium ions into the urine, thereby normalizing the plasma sodium ion concentration. The low angiotensin II levels in the blood lower the arterial blood pressure as an inevitable concomitant response.

The reabsorption of sodium ions from the tubular fluid as a result of high aldosterone levels in the blood does not, of itself, cause renal tubular water to be returned to the blood from the distal convoluted tubules or collecting ducts. This is because sodium is reabsorbed in exchange for potassium and therefore causes only a modest change in the osmotic gradient between the blood and the tubular fluid. Furthermore, the epithelium of the distal convoluted tubules and collecting ducts is impermeable to water in the absence of antidiuretic hormone (ADH) in the blood. ADH is part of the control of fluid balance. Its levels in the blood vary with the osmolality of the plasma, which is measured in the hypothalamus of the brain. Aldosterone's action on the kidney tubules prevents sodium loss to the extracellular fluid (ECF). So there is no change in the osmolality of the ECF, and therefore no change in the ADH concentration of the plasma. However, low aldosterone levels cause a loss of sodium ions from the ECF, which could potentially cause a change in extracellular osmolality and therefore of ADH levels in the blood.

Potassium concentration Edit

High potassium concentrations in the plasma cause depolarization of the zona glomerulosa cells' membranes in the outer layer of the adrenal cortex. [61] This causes the release of aldosterone into the blood.

Aldosterone acts primarily on the distal convoluted tubules and collecting ducts of the kidneys, stimulating the excretion of potassium ions into the urine. [57] It does so, however, by activating the basolateral Na + /K + pumps of the tubular epithelial cells. These sodium/potassium exchangers pump three sodium ions out of the cell, into the interstitial fluid and two potassium ions into the cell from the interstitial fluid. This creates an ionic concentration gradient which results in the reabsorption of sodium (Na + ) ions from the tubular fluid into the blood, and secreting potassium (K + ) ions from the blood into the urine (lumen of collecting duct). [62] [63]

Fluid balance Edit

The total amount of water in the body needs to be kept in balance. Fluid balance involves keeping the fluid volume stabilized, and also keeping the levels of electrolytes in the extracellular fluid stable. Fluid balance is maintained by the process of osmoregulation and by behavior. Osmotic pressure is detected by osmoreceptors in the median preoptic nucleus in the hypothalamus. Measurement of the plasma osmolality to give an indication of the water content of the body, relies on the fact that water losses from the body, (through unavoidable water loss through the skin which is not entirely waterproof and therefore always slightly moist, water vapor in the exhaled air, sweating, vomiting, normal feces and especially diarrhea) are all hypotonic, meaning that they are less salty than the body fluids (compare, for instance, the taste of saliva with that of tears. The latter has almost the same salt content as the extracellular fluid, whereas the former is hypotonic with respect to the plasma. Saliva does not taste salty, whereas tears are decidedly salty). Nearly all normal and abnormal losses of body water therefore cause the extracellular fluid to become hypertonic. Conversely, excessive fluid intake dilutes the extracellular fluid causing the hypothalamus to register hypotonic hyponatremia conditions.

When the hypothalamus detects a hypertonic extracellular environment, it causes the secretion of an antidiuretic hormone (ADH) called vasopressin which acts on the effector organ, which in this case is the kidney. The effect of vasopressin on the kidney tubules is to reabsorb water from the distal convoluted tubules and collecting ducts, thus preventing aggravation of the water loss via the urine. The hypothalamus simultaneously stimulates the nearby thirst center causing an almost irresistible (if the hypertonicity is severe enough) urge to drink water. The cessation of urine flow prevents the hypovolemia and hypertonicity from getting worse the drinking of water corrects the defect.

Hypo-osmolality results in very low plasma ADH levels. This results in the inhibition of water reabsorption from the kidney tubules, causing high volumes of very dilute urine to be excreted, thus getting rid of the excess water in the body.

Urinary water loss, when the body water homeostat is intact, is a compensatory water loss, correcting any water excess in the body. However, since the kidneys cannot generate water, the thirst reflex is the all-important second effector mechanism of the body water homeostat, correcting any water deficit in the body.

Blood pH Edit

The plasma pH can be altered by respiratory changes in the partial pressure of carbon dioxide or altered by metabolic changes in the carbonic acid to bicarbonate ion ratio. The bicarbonate buffer system regulates the ratio of carbonic acid to bicarbonate to be equal to 1:20, at which ratio the blood pH is 7.4 (as explained in the Henderson–Hasselbalch equation). A change in the plasma pH gives an acid–base imbalance. In acid–base homeostasis there are two mechanisms that can help regulate the pH. Respiratory compensation a mechanism of the respiratory center, adjusts the partial pressure of carbon dioxide by changing the rate and depth of breathing, to bring the pH back to normal. The partial pressure of carbon dioxide also determines the concentration of carbonic acid, and the bicarbonate buffer system can also come into play. Renal compensation can help the bicarbonate buffer system. The sensor for the plasma bicarbonate concentration is not known for certain. It is very probable that the renal tubular cells of the distal convoluted tubules are themselves sensitive to the pH of the plasma. [ citation requise ] The metabolism of these cells produces carbon dioxide, which is rapidly converted to hydrogen and bicarbonate through the action of carbonic anhydrase. [64] When the ECF pH falls (becoming more acidic) the renal tubular cells excrete hydrogen ions into the tubular fluid to leave the body via urine. Bicarbonate ions are simultaneously secreted into the blood that decreases the carbonic acid, and consequently raises the plasma pH. [64] The converse happens when the plasma pH rises above normal: bicarbonate ions are excreted into the urine, and hydrogen ions released into the plasma.

When hydrogen ions are excreted into the urine, and bicarbonate into the blood, the latter combines with the excess hydrogen ions in the plasma that stimulated the kidneys to perform this operation. The resulting reaction in the plasma is the formation of carbonic acid which is in equilibrium with the plasma partial pressure of carbon dioxide. This is tightly regulated to ensure that there is no excessive build-up of carbonic acid or bicarbonate. The overall effect is therefore that hydrogen ions are lost in the urine when the pH of the plasma falls. The concomitant rise in the plasma bicarbonate mops up the increased hydrogen ions (caused by the fall in plasma pH) and the resulting excess carbonic acid is disposed of in the lungs as carbon dioxide. This restores the normal ratio between bicarbonate and the partial pressure of carbon dioxide and therefore the plasma pH. The converse happens when a high plasma pH stimulates the kidneys to secrete hydrogen ions into the blood and to excrete bicarbonate into the urine. The hydrogen ions combine with the excess bicarbonate ions in the plasma, once again forming an excess of carbonic acid which can be exhaled, as carbon dioxide, in the lungs, keeping the plasma bicarbonate ion concentration, the partial pressure of carbon dioxide and, therefore, the plasma pH, constant.

Cerebrospinal fluid Edit

Cerebrospinal fluid (CSF) allows for regulation of the distribution of substances between cells of the brain, [65] and neuroendocrine factors, to which slight changes can cause problems or damage to the nervous system. For example, high glycine concentration disrupts temperature and blood pressure control, and high CSF pH causes dizziness and syncope. [66]

Neurotransmission Edit

Inhibitory neurons in the central nervous system play a homeostatic role in the balance of neuronal activity between excitation and inhibition. Inhibitory neurons using GABA, make compensating changes in the neuronal networks preventing runaway levels of excitation. [67] An imbalance between excitation and inhibition is seen to be implicated in a number of neuropsychiatric disorders. [68]

Neuroendocrine system Edit

The neuroendocrine system is the mechanism by which the hypothalamus maintains homeostasis, regulating metabolism, reproduction, eating and drinking behaviour, energy utilization, osmolarity and blood pressure.

The regulation of metabolism, is carried out by hypothalamic interconnections to other glands. [69] Three endocrine glands of the hypothalamic–pituitary–gonadal axis (HPG axis) often work together and have important regulatory functions. Two other regulatory endocrine axes are the hypothalamic–pituitary–adrenal axis (HPA axis) and the hypothalamic–pituitary–thyroid axis (HPT axis).

The liver also has many regulatory functions of the metabolism. An important function is the production and control of bile acids. Too much bile acid can be toxic to cells and its synthesis can be inhibited by activation of FXR a nuclear receptor. [4]

Régulation des gènes Modifier

At the cellular level, homeostasis is carried out by several mechanisms including transcriptional regulation that can alter the activity of genes in response to changes.

Energy balance Edit

The amount of energy taken in through nutrition needs to match the amount of energy used. To achieve energy homeostasis appetite is regulated by two hormones, grehlin and leptin. Grehlin stimulates hunger and the intake of food and leptin acts to signal satiety (fullness).

A 2019 review of weight-change interventions, including dieting, exercise and overeating, found that body weight homeostasis could not precisely correct for "energetic errors", the loss or gain of calories, in the short-term. [70]

Many diseases are the result of a homeostatic failure. Almost any homeostatic component can malfunction either as a result of an inherited defect, an inborn error of metabolism, or an acquired disease. Some homeostatic mechanisms have inbuilt redundancies, which ensures that life is not immediately threatened if a component malfunctions but sometimes a homeostatic malfunction can result in serious disease, which can be fatal if not treated. A well-known example of a homeostatic failure is shown in type 1 diabetes mellitus. Here blood sugar regulation is unable to function because the beta cells of the pancreatic islets are destroyed and cannot produce the necessary insulin. The blood sugar rises in a condition known as hyperglycemia.

The plasma ionized calcium homeostat can be disrupted by the constant, unchanging, over-production of parathyroid hormone by a parathyroid adenoma resulting in the typically features of hyperparathyroidism, namely high plasma ionized Ca 2+ levels and the resorption of bone, which can lead to spontaneous fractures. The abnormally high plasma ionized calcium concentrations cause conformational changes in many cell-surface proteins (especially ion channels and hormone or neurotransmitter receptors) [71] giving rise to lethargy, muscle weakness, anorexia, constipation and labile emotions. [72]

The body water homeostat can be compromised by the inability to secrete ADH in response to even the normal daily water losses via the exhaled air, the feces, and insensible sweating. On receiving a zero blood ADH signal, the kidneys produce huge unchanging volumes of very dilute urine, causing dehydration and death if not treated.

As organisms age, the efficiency of their control systems becomes reduced. The inefficiencies gradually result in an unstable internal environment that increases the risk of illness, and leads to the physical changes associated with aging. [5]

Various chronic diseases are kept under control by homeostatic compensation, which masks a problem by compensating for it (making up for it) in another way. However, the compensating mechanisms eventually wear out or are disrupted by a new complicating factor (such as the advent of a concurrent acute viral infection), which sends the body reeling through a new cascade of events. Such decompensation unmasks the underlying disease, worsening its symptoms. Common examples include decompensated heart failure, kidney failure, and liver failure.

In the Gaia hypothesis, James Lovelock [73] stated that the entire mass of living matter on Earth (or any planet with life) functions as a vast homeostatic superorganism that actively modifies its planetary environment to produce the environmental conditions necessary for its own survival. In this view, the entire planet maintains several homeostasis (the primary one being temperature homeostasis). Whether this sort of system is present on Earth is open to debate. However, some relatively simple homeostatic mechanisms are generally accepted. For example, it is sometimes claimed that when atmospheric carbon dioxide levels rise, certain plants may be able to grow better and thus act to remove more carbon dioxide from the atmosphere. However, warming has exacerbated droughts, making water the actual limiting factor on land. When sunlight is plentiful and the atmospheric temperature climbs, it has been claimed that the phytoplankton of the ocean surface waters, acting as global sunshine, and therefore heat sensors, may thrive and produce more dimethyl sulfide (DMS). The DMS molecules act as cloud condensation nuclei, which produce more clouds, and thus increase the atmospheric albedo, and this feeds back to lower the temperature of the atmosphere. However, rising sea temperature has stratified the oceans, separating warm, sunlit waters from cool, nutrient-rich waters. Thus, nutrients have become the limiting factor, and plankton levels have actually fallen over the past 50 years, not risen. As scientists discover more about Earth, vast numbers of positive and negative feedback loops are being discovered, that, together, maintain a metastable condition, sometimes within a very broad range of environmental conditions.

Predictive homeostasis is an anticipatory response to an expected challenge in the future, such as the stimulation of insulin secretion by gut hormones which enter the blood in response to a meal. [38] This insulin secretion occurs before the blood sugar level rises, lowering the blood sugar level in anticipation of a large influx into the blood of glucose resulting from the digestion of carbohydrates in the gut. [74] Such anticipatory reactions are open loop systems which are based, essentially, on "guess work", and are not self-correcting. [75] Anticipatory responses always require a closed loop negative feedback system to correct the 'over-shoots' and 'under-shoots' to which the anticipatory systems are prone.

The term has come to be used in other fields, for example:

Risk Edit

An actuary may refer to risk homeostasis, where (for example) people who have anti-lock brakes have no better safety record than those without anti-lock brakes, because the former unconsciously compensate for the safer vehicle via less-safe driving habits. Previous to the innovation of anti-lock brakes, certain maneuvers involved minor skids, evoking fear and avoidance: Now the anti-lock system moves the boundary for such feedback, and behavior patterns expand into the no-longer punitive area. It has also been suggested that ecological crises are an instance of risk homeostasis in which a particular behavior continues until proven dangerous or dramatic consequences actually occur. [76] [ source auto-publiée ? ]

Stress Modifier

Sociologists and psychologists may refer to stress homeostasis, the tendency of a population or an individual to stay at a certain level of stress, often generating artificial stresses if the "natural" level of stress is not enough. [77] [ source auto-publiée ? ]

Jean-François Lyotard, a postmodern theorist, has applied this term to societal 'power centers' that he describes in The Postmodern Condition, as being 'governed by a principle of homeostasis,' for example, the scientific hierarchy, which will sometimes ignore a radical new discovery for years because it destabilizes previously accepted norms.


Concept in Action

View micrographs of musculoskeletal tissues as you review the anatomy.

Types de cellules dans les os

L'os se compose de quatre types de cellules : les ostéoblastes, les ostéoclastes, les ostéocytes et les cellules ostéoprogénitrices. Ostéoblastes sont des cellules osseuses responsables de la formation osseuse. Les ostéoblastes synthétisent et sécrètent la partie organique et la partie inorganique de la matrice extracellulaire du tissu osseux, et les fibres de collagène. Les ostéoblastes sont piégés dans ces sécrétions et se différencient en ostéocytes moins actifs. Ostéoclastes sont de grandes cellules osseuses avec jusqu'à 50 noyaux. Ils éliminent la structure osseuse en libérant des enzymes lysosomales et des acides qui dissolvent la matrice osseuse. Ces minéraux, libérés des os dans le sang, aident à réguler les concentrations de calcium dans les fluides corporels. L'os peut également être résorbé pour le remodelage, si les contraintes appliquées ont changé. Ostéocytes sont des cellules osseuses matures et sont les principales cellules du tissu conjonctif osseux, ces cellules ne peuvent pas se diviser. Les ostéocytes maintiennent une structure osseuse normale en recyclant les sels minéraux de la matrice osseuse. Cellules ostéoprogénitrices sont des cellules souches squameuses qui se divisent pour produire des cellules filles qui se différencient en ostéoblastes. Les cellules ostéoprogénitrices sont importantes dans la réparation des fractures.


Role of vasculature in bone regeneration and fracture healing

Orthopaedic surgeons have long appreciated the role of the blood supply in bone growth and healing (2,3). The trauma of a fracture or other major bone injury also damages the blood supply, resulting in local hypoxia, which may be maintained by the subsequent inflammation (34). In rabbits, for example, pO2 in the fracture hematoma is <1% (35) and in the medullary cavity following osteotomy between about 1–3% (36). The HIF-a pathway, which is activated in hypoxia, is reported to be a key mechanism for coupling bone growth to angiogenesis, via increased expression of VEGF, the major angiogenic cytokine expressed by hypoxic osteoblasts. Mice selectively overexpressing HIFa in their osteoblasts had high levels of VEGF expression and extremely dense, highly vascularised bones (37,38). These mice also produced more bone in response to tibial osteotomy and distraction osteogenesis, whereas mice lacking HIF-1a in osteoblasts had impaired VEGF-dependent angiogenesis and bone healing (39). The role of HIFs in osteogenesis may be quite complex, however. A recent report indicates that HIF-1a may also activate expression of sclerostin (the key bone-specific inhibitor of Wnt signaling) in osteoblasts, thus potentially reducing osteogenesis (40). The VEGF homologue, PIGF (placental growth factor), which acts through the VEGF receptor, also appears to play a significant role in promoting fracture healing (34). VEGF stimulates the regrowth of blood vessels into the injury site, so that oxygen and nutrient levels can begin to return to normal values.

The general pattern of bone cell activity following fracture or osteotomy is broadly consistent with the known responses of osteoblasts and osteoclasts to changes in pO2: the early hypoxic phase favours osteoclast recruitment, whilst inhibiting osteoblasts (which may survive locally in a quiescent state), whereas revascularisation will progressively favour osteoblast function (proliferation, differentiation and bone formation). Osteoblast precursors could also move into developing and fractured bones along with invading blood vessels (41). Bone microdamage, induced by fatigue loading, has also been shown to increase local vascularity and blood perfusion, probably as a repair mechanism to reconstruct a disrupted lacuno-canalicular network (42). It is worth noting that application of early or delayed functional loading has been shown to respectively inhibit or stimulate neovascular growth in a rat model of large bone defect regeneration (43). This suggests that biomechanical stimulation could modulate vascular growth and remodelling during bone repair, partially overriding the normal sequence of cellular responses described above.


Biology of MBD and the emerging role of osteocytes

Physiological bone remodeling is highly dependent on the fine-tuned interactions among the bone matrix, osteocytes, osteoclasts, osteoblasts, and immune cells. 6 MBD is characterized by significant deregulation in all these aspects the ultimate effect is increased osteoclast activity and suppressed osteoblast function, leading to bone loss. Osteocytes play a major role in these pathways through the secretion of receptor activator of NF-κB ligand (RANKL), sclerostin, Dickkopf-1 (DKK-1), and other factors that have not been well studied (Figure 1). 7-9 MM cells lead osteocytes to apoptosis to alter the bone marrow microenvironment and provide a premetastatic niche for the MM cells. 10 Indeed, MM patients have reduced number of viable osteocytes, which is associated with increased bone disease burden. 11 In contrast, proteasome inhibitors, which have a positive effect on bone formation in MM, have been shown to restore osteocyte viability by reducing autophagy and apoptosis in MM patients. 12

Schematic overview of MBD. The intercellular interactions between bone marrow stromal cells (BMSCs) and MM cells, along with the involvement of immune cells, such as Th17 cells, induce cytokine release (interleukin-1b [IL-1b], IL-3, IL-6, IL-11, and IL-17) and secretion of proosteoclastogenic factors such as tumor necrosis factor α (TNF-α), chemokine (C-C motif) ligand 3 (CCL3), stromal cell derived factor-1α (SDF-1α), and annexin 2 in the bone marrow microenvironment. These cytokines promote increased osteoclast activity and inhibit osteoblastogenesis. Adhesion molecules such as vascular cell adhesion molecule-1 (VCAM-1) on BMSCs and very late antigen-4 (VLA-4) on MM cells mediate cell-to-cell contact. Notch, expressed by MM cells, binds to Jagged, expressed by neighboring MM cells and BMSCs, and activates intracellular cascades favoring RANKL production. RANKL, expressed by both BMSCs and MM cells, binds directly to RANK on osteoclast precursors and promotes osteoclastogenesis. Syndecan-1 on MM cells binds and inactivates osteoprotogerin (OPG), the RANKL soluble decoy receptor. Osteoclasts also produce factors sustaining MM cell growth and survival, such as osteopontin. Furthermore, osteocytes and MM cells produce soluble factors that inhibit osteoblastogenesis such as DKK-1, sFRP-2, and sclerostin. Activin-A secreted by BMSCs also impedes osteoblast production. EphB4 on osteoblasts and BMSCs binds to EphrinB2 on osteoclasts and results in bidirectional signaling that ultimately induces osteoclastogenesis and impedes osteoblastogenesis. Moreover, myeloma cells and osteoclasts produce semaphorin-4D (Sema-4D) and further inhibit the osteoblasts. Osteocyte apoptosis increases RANKL and sclerostin production to increase osteoclast activity, suppress osteoblast differentiation, and increase myeloma growth through bidirectional Notch signaling. BAFF, B cell–activating factor HGF, hepatocyte growth factor. Professional illustration by Somersault18:24.

Schematic overview of MBD. The intercellular interactions between bone marrow stromal cells (BMSCs) and MM cells, along with the involvement of immune cells, such as Th17 cells, induce cytokine release (interleukin-1b [IL-1b], IL-3, IL-6, IL-11, and IL-17) and secretion of proosteoclastogenic factors such as tumor necrosis factor α (TNF-α), chemokine (C-C motif) ligand 3 (CCL3), stromal cell derived factor-1α (SDF-1α), and annexin 2 in the bone marrow microenvironment. These cytokines promote increased osteoclast activity and inhibit osteoblastogenesis. Adhesion molecules such as vascular cell adhesion molecule-1 (VCAM-1) on BMSCs and very late antigen-4 (VLA-4) on MM cells mediate cell-to-cell contact. Notch, expressed by MM cells, binds to Jagged, expressed by neighboring MM cells and BMSCs, and activates intracellular cascades favoring RANKL production. RANKL, expressed by both BMSCs and MM cells, binds directly to RANK on osteoclast precursors and promotes osteoclastogenesis. Syndecan-1 on MM cells binds and inactivates osteoprotogerin (OPG), the RANKL soluble decoy receptor. Osteoclasts also produce factors sustaining MM cell growth and survival, such as osteopontin. Furthermore, osteocytes and MM cells produce soluble factors that inhibit osteoblastogenesis such as DKK-1, sFRP-2, and sclerostin. Activin-A secreted by BMSCs also impedes osteoblast production. EphB4 on osteoblasts and BMSCs binds to EphrinB2 on osteoclasts and results in bidirectional signaling that ultimately induces osteoclastogenesis and impedes osteoblastogenesis. Moreover, myeloma cells and osteoclasts produce semaphorin-4D (Sema-4D) and further inhibit the osteoblasts. Osteocyte apoptosis increases RANKL and sclerostin production to increase osteoclast activity, suppress osteoblast differentiation, and increase myeloma growth through bidirectional Notch signaling. BAFF, B cell–activating factor HGF, hepatocyte growth factor. Professional illustration by Somersault18:24.

Increased osteoclast activity

A cardinal signaling cascade regulating osteoclast maturation and activation is the RANK/RANKL pathway. RANKL is produced mainly by osteocytes, but also by activated lymphocytes, BMSCs, and endothelial cells, and promotes osteoclast activity by binding to RANK on the membrane of osteoclastic lineage cells. OPG is secreted by osteoblasts, BMSCs, and osteocytes and antagonizes the interaction between RANKL and RANK. 13,14 MM cells degrade OPG through the membrane syndecan-1 system. 15 Therefore, the increased RANKL/OPG ratio favors bone destruction, and importantly, it affects prognosis of NDMM patients. 16

Another aberrant pathway inducing osteoclast activity is the Notch signaling pathway. Both members of the Notch family and their Jagged ligands are expressed in the membranes of MM cells, enabling homotypical and heterotypical interactions with the same or adjacent cells, respectively. The subsequently activated intracellular cascade ultimately results in the increase of RANKL production by MM cells. However, in the myeloma microenvironment, BMSCs and osteocytes remain the main sources of RANKL. 17,18 Other factors favoring osteoclastogenesis and osteoclast-mediated bone loss include chemokines such as CCL3, SDF-1α, osteopontin, interleukins, annexin 2, members of the transforming growth factor β (TGFβ) superfamily such as activin-A, and members of the TNF superfamily such as TNF-α and BAFF (Figure 1). 19-26

Suppressed osteoblast activity

The Wingless-type (Wnt) and β-catenin pathway is a principal regulator of osteoblast differentiation and bone homeostasis. 27 Osteocytes and MM cells express Wnt antagonists such as sclerostin, DKK-1, and soluble frizzled-related proteins and suppress osteoblast activity. 28,29 Sclerostin is an osteocyte product associated with abnormal bone remodeling it impedes the activation of the canonical Wnt pathway and inhibits osteoblast maturation, impairs bone mineralization, and induces osteoblast apoptosis through caspase cascade activation. 30,31 Sclerostin inhibition with monoclonal antibodies in preclinical MM models restores the deregulated bone metabolism and decreases bone fragility. 29,32 DKK-1 has a synergistic effect with sclerostin and disrupts autocrine Wnt signaling and, subsequently, suppresses osteoblast differentiation and activity. 28,33 Other regulatory factors of the Wnt pathway that are found deregulated in MM include periostin, runt-related transcription factor 2, and growth factor independence-1. 34-36 Furthermore, members of the TGFβ and TNF superfamilies along with interleukins are also implicated in favoring osteoblast suppression, whereas osteoclasts and myeloma cells further inhibit osteoblasts through semaphorin-4D (Figure 1). 37-39 Interestingly, proteasome inhibitors promote osteoblast differentiation by upregulating the intracellular β-catenin pathway independently of Wnt signaling thus, they have an anabolic effect on myelomatous bone. 40-42

Bone marrow microenvironment

In the bone marrow microenvironment, there is a constant crosstalk among the different cell subtypes. 43 Homing of MM cells is favored by their adhesion to BMSCs through the VLA-4/VCAM-1 integrin system. 44 Notch bidirectional signaling also mediates interactions among MM cells, BMSCs, and osteocytes and leads to significant alterations in the bone marrow microenvironment, promoting MM proliferation and bone destruction. 17,18 The dysregulated EphrinB2/EphB4 signaling in MM also impairs the normal interaction between osteoclasts and osteoblasts, which finally results in increased bone loss. 45 Osteoclasts potentiate the immunosuppressive microenvironment by promoting the expansion of Th17 lymphocytes and myeloid-derived suppressor cells, whereas they inhibit the cytotoxic T and NK cells against MM cells. 46,47 The upregulation of immune checkpoint molecules and T-cell metabolism regulators provides the rationale for targeted monoclonal antibodies against programmed death ligand 1 and CD38. 47,48 Interestingly, the interplay between MM cells and mature osteoblasts may provide a unique niche for MM cells to be maintained in quiescence, whereas osteoblast dysfunction or osteoclast remodeling of the endosteal niche allows their reactivation. 49-51


Why Are Ketone Bodies Formed?

When glucose levels are high in your body, it is busy storing the excess as fats, building proteins, and in general growing. This is known as the absorptive state. When you fast, or are being starved, the glucose levels in your blood quickly decrease. This triggers the body to enter the postabsorptive state. In this state, the body starts converting fat back into fatty acids, glycogène into glucose, and even starts breaking down amino acids for energy.

While glycogen is just a storage product of glucose and can be quickly converted back, only so much glycogen is stored in the body (mainly in the liver). Once these stores are depleted, the body must resort to the other breakdown products for energy. Luckily, most of the cells in the body can survive off of fatty acids, created from the breakdown of fat. This is not true, however, for the brain and liver. The brain and liver prefer glucose as a source of energy.

The liver, in order to keep supplying the brain with glucose, must convert amino acids, glycerol, pyruvate, and lactate into glucose. Ce processus est appelé gluconeogenesis, and also produces the two ketone bodies acetoacetate and beta-hydroxybutyrate. It releases these ketone bodies, along with glucose, into the bloodstream to feed the brain. By this point, the muscles and other organs have mainly switched to fatty acids for energy, conserving the glucose for the brain. Ceci est connu comme glucose sparing and is very important for animals that must undergo long periods of fasting or starvation.

The brain prefers glucose as a source of energy but will begin to switch to ketone bodies after about 4 days of starvation. This greatly increases the amount of time an organism can go without food, however it can also begin to cause negative side-effects. If food is not eaten to replenish the glucose supply, ketone bodies can begin to build up. While ketone bodies are removed by your kidneys, if they are produced at a high rate they can overwhelm the kidney.


Biology, Physiology, and Morphology of Bone


Osteoblasts are the bone-forming cells that derive from the mesenchymal stem cells of the bone marrow, which also form chondrocytes, myocytes, and adipocytes. Osteoblasts are cuboid-shaped cells that form clusters covering the bone surface. They are metabolically highly active, synthesizing the collagenous and noncollagenous bone matrix proteins, which are excreted and then deposited between the osteoblasts and the bone surface. This newly built matrix, which is not yet calcified, is termed the osteoid. The lag phase between osteoid deposition and its mineralization is approximately 10 days. Osteoblast differentiation depends on the expression of two key transcription factors, Runx2 and its target Osterix 1, which confer the differentiation of these cells into osteoblasts in response to external stimuli. 1 Prostaglandin E 2 (PGE 2 ), insulin-like growth factor (IGF)-1, parathyroid hormone (PTH), bone morphogenic proteins (BMPs), and Wingless and Int-1 (Wnt) proteins are key stimuli for osteoblast differentiation. 2, 3 Prostaglandin E2, for instance, is an important anabolic factor for bone and induces the expression of bone sialoprotein and alkaline phosphatase in mesenchymal cells. Bone morphogenic proteins (BMPs) and transforming growth factor (TGF)-β, which shares structural similarities with BMPs, foster osteoblast differentiation by activating intracellular Smad proteins. Finally, Wnt proteins, a family of highly conserved signaling molecules, are potent stimulators of osteoblast differentiation. Wnt proteins bind to surface receptors on mesenchymal cells such as Frizzled and LRP5, eliciting activation and nuclear translocation of the transcription factor β-catenin, which induces the transcription of genes involved in osteoblast differentiation. Wnts thereby act not only in close synergy with BMPs but also cross-talk to the receptor activator of nuclear factor κB ligand (RANKL)-osteoprotegerin (OPG) system, which is involved in the differentiation and function of bone-resorbing osteoclasts.

Osteoclasts are multinucleated cells containing up to 20 nuclei and are unique in their ability to resorb bone. 6, 7 They are directly attached to the bone surface and build resorption lacunae (Howship’s lacunae). Apart from their multiple nuclei, another characteristic of the osteoclast is the ruffled border, a highly folded plasma membrane facing the bone matrix and designed to secrete and resorb proteins and ions into the space between the osteoclast and bone surface (Figure 4-2). The space between this ruffled border and the bone surface is the place where bone resorption occurs. It is sealed by a ring of contractible proteins and tight junctions because it represents one of the few regions of the human body, where a highly acidic milieu is found. Bone degradation by osteoclasts comprises two major steps: first, demineralization of inorganic bone components, and second, removal of organic bone matrix. To demineralize bone, osteoclasts secrete hydrochloric acid through proton pumps into the resorption lacunae. This proton pump requires energy, which is provided by an ATPase allowing the enrichment of protons in the resorption compartment, which, in fact, represents an extracellular lysosome. In addition to protons and chloride, osteoclasts release matrix-degrading enzymes including tartrate resistant acid phosphatase (TRAP), lysosomal cathepsin K, and other cathepsins. Cathepsin K can effectively degrade collagens and other bone matrix proteins. Consequently, inhibitors of cathepsin K block osteoclast function and slow down bone resorption.


Blood acidity and bones - Biology

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Conclusion

Bone biology is a scientific field that requires an understanding of complex, interrelated areas of study. Detailed knowledge of the anatomy, histology, and physiology of bone tissue has developed dramatically in the last few decades. Our understanding of the process of osteogenesis is constantly under revision, because our knowledge of the genetic and molecular mechanisms controlling bone cell differentiation and growth continues to expand. Much of the impetus behind current bone research is in order to understand the pathogenesis and treatment of diseases such as osteoporosis. Factors such as cytokines, prostaglandins, and mechanical loading, all of which influence and control the local formation and remodeling of bone, have potential to change the way osteoporosis is treated. Future studies are needed to help uncover the mechanobiological rules that help to govern bone response to mechanical loading. 55 A better understanding of these rules will allow physical therapists to be more prescriptive with exercise and level of weight-bearing activity to capitalize on a bone’s inherent ability to remodel.

Both authors provided concept/idea/project design. Dr Downey provided writing. Dr Siegel provided project management and consultation (including review of manuscript before submission).