Homeostaasi (2023)

Homeostaasilla on laaja rooli kaikkien biologisten molekyylien ja organismien muodon ja toiminnan muokkaamisessa

1. Biologinen homeostaasin tarve

Biologinen homeostaasi on kyky ylläpitää suhteellista vakautta ja toimintaa, kun sisäisessä tai ulkoisessa ympäristössä tapahtuu muutoksia. Organismit ovat elinkelpoisia suhteellisen kapeissa olosuhteissa. Sellaisenaan on olemassa tarve säädellä tiukasti metaboliittien ja pienten molekyylien pitoisuuksia solutasolla eloonjäämisen varmistamiseksi. Resurssien käytön optimoimiseksi ja olosuhteiden ylläpitämiseksi organismi voi uhrata tehokkuuden kestävyyden vuoksi. Homeostaattisen säätelyn hajoaminen voi myötävaikuttaa taudin syihin tai etenemiseen tai johtaa solukuolemaan.

Liittyvät oppimistavoitteet

• Opiskelija osaa kuvata, miksi homeostaasin ylläpitäminen on hyödyllistä organismille.A
• Opiskelijoiden tulee pystyä määrittelemään homeostaasi biokemiallisessa kontekstissa sekä tieteellisesti koulutetuille että maallikoille.B
• Opiskelijoiden tulee pystyä kuvailemaan, kuinka homeostaattiset reitit ja mekanismit ovat säilyneet evoluution aikana.B
• Opiskelija osaa arvioida eri homeostaattisten mekanismien kustannuksia ja hyötyjä organismille.C
• Opiskelija osaa yhdistää homeostaasia edellyttävät ympäristötekijät tiettyyn sopeutumiseen.C

2. Yhdistä vakaan tilan prosessit ja homeostaasi

Vakaassa tilassa oleva järjestelmä pysyy vakiona ajan kuluessa, mutta tämä vakiotila vaatii jatkuvaa työtä. Vakaassa tilassa olevan järjestelmän energiataso on korkeampi kuin sen ympäristössä. Biokemialliset järjestelmät ylläpitävät homeostaasia säätelemällä geenien ilmentymistä, aineenvaihduntaa ja energian transformaatiota, mutta ne eivät koskaan ole tasapainossa.

Liittyvät oppimistavoitteet

• Opiskelijoiden tulisi pystyä selittämään, että kemiallisessa tasapainossa (tai vain tasapainossa) oleva järjestelmä on ajan mittaan stabiili, mutta sen ylläpitäminen ei vaadi energiaa tai työtä.A
• Opiskelija osaa soveltaa kinetiikan periaatteita kuvaamaan virtausta biokemiallisten reittien kautta.A
• Opiskelijoiden tulee pystyä keskustelemaan aineenvaihduntareitistä tasapainon ja Le Chatelier'n periaatteen kannalta.A
• Opiskelija osaa yhdistää termodynamiikan lait homeostaasiin ja selittää kuinka solu tai organismi ylläpitää homeostaasia.B
• Opiskelijan tulee pystyä mallintamaan, kuinka vakaan tilan häiriöt voivat aiheuttaa muutoksia homeostaattiseen tilaan.C
• Opiskelijan tulee pystyä ehdottamaan, miten homeostaattiseen tilaan varastoituja resursseja voidaan hyödyntää tarpeen tullen.C

3. Homeostaasin kvantifiointi

Biologiseen homeostaasiin liittyy useita reaktioita, joissa on monimutkaisia ​​aktivaattorien ja estäjien verkostoja. Tällaisten verkkojen modifikaatiot voivat johtaa aiemmin piilevien aineenvaihduntareittien aktivoitumiseen tai jopa ennakoimattomiin vuorovaikutuksiin näiden verkostojen komponenttien välillä. Näitä polkuja ja verkkoja voidaan mallintaa matemaattisesti ja korreloida yksittäisten komponenttien metabolomiikkatietojen sekä kineettisten ja termodynaamisten parametrien kanssa, jotta voidaan kvantifioida normaaleihin tai sairaustiloihin liittyvien muuttuvien olosuhteiden vaikutukset.

Liittyvät oppimistavoitteet

• Opiskelija osaa kuvailla kokeita, joissa pohditaan, kuinka signaali- ja säätelymolekyylejä ja aineenvaihdunnan välituotteita voidaan kvantifioida laboratoriossa.A
• Opiskelijan tulee kyetä yhdistämään avainaineenvaihduntatuotteiden pitoisuudet aineenvaihduntareittien vaiheisiin ja kuvailemaan niiden roolia homeostaasissa.A
• Opiskelijoiden tulisi pystyä laskemaan entsymaattisia nopeuksia ja vertailla näitä nopeuksia ja suhteuttamaan nämä nopeudet takaisin solun tai organismin homeostaasiin.B
• Opiskelijoiden tulee selittää, että organismin homeostaasia voidaan mitata useilla tavoilla ja eri aikaskaaloilla (sekunnit, minuutit, tunnit, päivät ja kuukaudet).B
• Opiskelijoiden tulee aineenvaihduntaverkoston ja asianmukaisen datan avulla pystyä ennustamaan järjestelmän parametrien muutosten seurauksia, kuten tiettyjen välituotteiden pitoisuuksien nousua tai tiettyjen entsyymien aktiivisuuden muutoksia.C

4. Ohjausmekanismit

Homeostaasia ylläpitää joukko ohjausmekanismeja, jotka toimivat elin-, kudos- tai solutasolla. Näihin säätelymekanismeihin kuuluvat substraatin syöttö, yksittäisten entsyymien ja reseptorien aktivointi tai esto, entsyymien synteesi ja hajottaminen sekä lokeroittaminen. Homeostaasin ylläpidosta vastaavat ensisijaiset komponentit voidaan luokitella ärsykkeeksi, reseptoriksi, ohjauskeskukseksi, efektoriksi ja palautemekanismiksi.

Liittyvät oppimistavoitteet

• Opiskelija osaa keskustella siitä, miten kemialliset prosessit lokeroituvat eliössä, elimessä ja solussa.A
• Opiskelijan tulee pystyä selittämään, miksi biokemialliset reitit kulkevat heidän tekemiensä välituotteiden kautta (asteittainen hapettuminen tai pelkistys) ja miksi polut jakavat välituotteita.A
• Opiskelijan tulee kyetä tiivistämään kontrollin eri tasot (mukaan lukien reaktioiden lokerottelu, geenien ilmentyminen, avainentsyymien kovalenttinen modifikaatio, avainentsyymien allosteerinen säätely, substraattien saatavuus ja proteolyyttinen pilkkominen) ja suhteuttaa nämä kontrollin eri tasot homeostaasiin.A
• Opiskelijan tulee pystyä vertailemaan eri ohjausmekanismien ajallista ulottuvuutta (esim. kuinka nopeasti fosforylaatio tapahtuu verrattuna geenien ilmentymisen muutoksiin).A
• Opiskelijan tulee pystyä olettamaan, miksi ja miten elimet kehittyivät erikoistoiminnolla metazoanissa.B
• Opiskelijan tulee pystyä keskustelemaan erilaisista allosteerisen säätelyn malleista.B
• Opiskelijan tulee pystyä muotoilemaan malleja, jotka liittyvät vuon muutoksiin reittien kautta muihin reitteihin ja yleiseen homeostaasiin.C
• Opiskelijoiden tulee pystyä puolustamaan, miksi anaboliset ja kataboliset reitit ovat lokeroituneet soluun.C

5. Solujen ja organismien homeostaasi

Organismissa tai yksisoluisten organismien pesäkkeessä homeostaasia säätelevät eritetyt proteiinit ja pienet molekyylit, jotka toimivat usein signaaleina. Homeostaasia solussa ylläpitää säätelyllä sekä materiaalien ja energian vaihdolla sen ympäristön kanssa.

Liittyvät oppimistavoitteet

• Opiskelijoiden tulee pystyä kuvailemaan, kuinka solu ja organismi varastoivat resursseja (sekä varastoituneen energian että kemiallisten rakennuspalikoiden osalta) tarpeen tullen ja kuinka ne mobilisoivat nämä resurssit.A
• Opiskelijoiden tulee kyetä integroimaan homeostaasi solutasolta organismitasolle. Toisin sanoen opiskelijoiden tulisi pystyä kuvailemaan, kuinka monimutkaisella metazoanilla voi olla sekä solu- että organismivaste homeostaasin ylläpitämiseksi.B
• Opiskelija osaa vertailla eri organismien homeostaaseja.B
• Opiskelija osaa kuvata homeostaasia solun, organismin tai organismijärjestelmän tasolla ja olettaa, kuinka systeemi reagoisi poikkeamiin homeostaasista.C