Homéostasie

En biologie , l'homéostasie ( prononcé / ˌhoʊmiəˈsteɪsɪs / ) est l'état de stabilité des conditions physico-chimiques internes maintenu par les organismes vivants . [ 1 ] Cet état correspond fonctionnementde l'organisme et implique le maintien de nombreuses variables, telles que la températureet l' équilibre hydrique , dans des limites prédéfinies (zone homéostatique). Parmi les autres variables figurent le pH du liquide extracellulaire , les concentrations d' ions sodium , potassium et calcium , ainsi que la glycémie , qui doivent être régulées malgré les variations de l'environnement, de l'alimentation ou du niveau d'activité. Chacune de ces variables est contrôlée par un ou plusieurs régulateurs, ou mécanismes homéostatiques, qui, ensemble, assurent le maintien de la vie.

L'homéostasie résulte d'une résistance naturelle au changement lorsque l'organisme se trouve déjà dans des conditions optimales , et cet équilibre est maintenu par de nombreux mécanismes de régulation ; elle est considérée comme la motivation centrale de toute action organique. Tous les mécanismes de contrôle homéostatique comportent au moins trois composantes interdépendantes pour la variable régulée : un récepteur, un centre de contrôle et un effecteur [ Le récepteur est l'élément sensible qui surveille et réagit aux changements de l'environnement, qu'ils soient externes ou internes. Parmi les récepteurs, on trouve les thermorécepteurs et les mécanorécepteurs . Les centres de contrôle comprennent le centre respiratoire et le système rénine-angiotensine . Un effecteur est la cible sur laquelle agit l'organisme pour rétablir l'état normal. Au niveau cellulaire, les effecteurs comprennent les récepteurs nucléaires qui modifient l'expression des gènes par régulation positive ou négative et interviennent dans des mécanismes de rétroaction négative . La régulation des acides biliaires dans le foie en est un exemple .

Certains centres, comme le système rénine-angiotensine , régulent plusieurs variables. Lorsqu'un récepteur perçoit un stimulus, il réagit en envoyant des potentiels d'action à un centre de contrôle. Ce dernier définit la plage de maintien – les limites supérieure et inférieure acceptables – pour la variable considérée, telle que la température. Le centre de contrôle répond au signal en déterminant une réponse appropriée et en envoyant des signaux à un effecteur , qui peut être un ou plusieurs muscles, un organe ou une glande . Lorsque le signal est reçu et traité, une rétroaction négative est exercée sur le récepteur, ce qui empêche toute nouvelle signalisation.

Le récepteur cannabinoïde de type 1 , situé au niveau du neurone présynaptique , est un récepteur capable d'inhiber la libération de neurotransmetteurs induite par le stress au niveau du neurone postsynaptique ; il est activé par des endocannabinoïdes tels que l'anandamide ( N- arachidonoyléthanolamide) et le 2-arachidonoylglycérol via un processus de signalisation rétrograde dans lequel ces composés sont synthétisés et libérés par les neurones postsynaptiques, puis retournent à la terminaison présynaptique pour se lier au récepteur CB1 afin de moduler la libération de neurotransmetteurs et rétablir l'homéostasie.

Les acides gras polyinsaturés sont des dérivés lipidiques des oméga-3 ( acide docosahexaénoïque et acide eicosapentaénoïque ) ou des oméga-6 ( acide arachidonique ). Ils sont synthétisés à partir des phospholipides membranaires et servent de précurseurs aux endocannabinoïdes pour moduler l'homéostasie corporelle.

Le mot homéostasie ( / ˌ h oʊ m i oʊ ˈ s t eɪ s ɪ s / hoh-mee-oh- STAY -sis ) utilise des formes combinatoires de homéo- et -stasis , néo-latin du grec : ὅμοιος homoios , "semblable" et στάσις stasis , "immobile", donnant l'idée de "rester le même".

Le concept de régulation du milieu intérieur a été décrit par le physiologiste français Claude Bernard en 1849, et le terme « homéostasie » a été forgé par Walter Bradford Cannon en 1926. En 1932, le physiologiste britannique Joseph Barcroft a été le premier à affirmer que les fonctions cérébrales supérieures exigeaient un milieu intérieur des plus stables. Ainsi, pour Barcroft, l’homéostasie n’était pas seulement organisée par le cerveau ; elle était au service du cerveau. L’homéostasie est un terme presque exclusivement biologique, se référant aux concepts décrits par Bernard et Cannon concernant la constance du milieu intérieur dans lequel les cellules de l’organisme vivent et survivent. Le terme « cybernétique » s’applique aux systèmes de contrôle technologiques tels que les thermostats , qui fonctionnent comme des mécanismes homéostatiques, mais dont la définition est souvent beaucoup plus large que celle du terme biologique d’homéostasie.

Les processus métaboliques de tous les organismes ne peuvent se dérouler que dans des environnements physico-chimiques très spécifiques . Ces conditions varient selon l'organisme et selon que les processus chimiques ont lieu à l'intérieur de la cellule ou dans le liquide interstitiel qui la baigne. Chez l'homme et les autres mammifères, les mécanismes homéostatiques les plus connus sont des régulateurs qui maintiennent la composition du liquide extracellulaire (ou « milieu interne ») constante, notamment en ce qui concerne la température , le pH , l'osmolalité et les concentrations de sodium , de potassium , de glucose , de dioxyde de carbone et d'oxygène . Cependant, de nombreux autres mécanismes homéostatiques, qui englobent de nombreux aspects de la physiologie humaine , contrôlent d'autres paramètres de l'organisme. Lorsque les niveaux de ces variables sont supérieurs ou inférieurs aux valeurs nécessaires, on utilise souvent les préfixes hyper- et hypo- , comme dans hyperthermie et hypothermie , ou hypertension et hypotension .

Le fait qu'une entité soit régulée par homéostasie n'implique pas que sa valeur soit nécessairement parfaitement stable en bonne santé. La température corporelle centrale est, par exemple, régulée par un mécanisme homéostatique faisant intervenir des capteurs de température, notamment dans l' hypothalamus . [ 20 le point de consigne de cette régulation est régulièrement ajusté. Par exemple, la température corporelle centrale chez l'humain varie au cours de la journée (elle suit un rythme circadien ), les températures les plus basses étant observées la nuit et les plus élevées l'après-midi. D'autres variations de température normales incluent celles liées au cycle menstruel . Le point de consigne de la régulation thermique est ajusté lors d'infections afin de provoquer de la fièvre. Les organismes sont capables de s'adapter, dans une certaine mesure, à des conditions variables 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 de l'organisme. Par exemple, le signal (qu'il soit neuronal ou hormonal ) transmis du capteur à l'effecteur est nécessairement très variable afin de communiquer des informations sur la direction et l'amplitude de l'erreur détectée par le capteur. De même, la réponse de l'effecteur doit être hautement modulable pour corriger l'erreur ; en fait, elle doit être quasiment proportionnelle (mais de sens opposé) à l'erreur qui menace l'environnement interne. Par exemple, la pression artérielle chez les mammifères est régulée de manière homéostatique et mesurée par des récepteurs d'étirement situés dans les parois de la crosse aortique et des sinus carotidiens, à l'origine des artères carotides internes . Ces capteurs envoient des messages, via les nerfs sensoriels, au bulbe rachidien , indiquant si la pression artérielle a diminué ou augmenté, et dans quelle mesure. Le bulbe rachidien distribue ensuite des messages, via les nerfs moteurs ou efférents du système nerveux autonome , à une grande variété d'organes effecteurs. L'activité de ces organes est alors modifiée afin de corriger les variations de pression artérielle. Parmi ces organes, le cœur voit son rythme cardiaque augmenter ( tachycardie ) lorsque la pression artérielle chute, ou ralentir ( bradycardie ) lorsqu'elle dépasse la valeur de référence. Ainsi, le rythme cardiaque (pour lequel il n'existe pas de capteur corporel) n'est pas régulé de manière homéostatique, mais constitue l'une des réponses effectrices aux variations de pression artérielle. Un autre exemple est le rythme de sudation . Ce dernier participe à la régulation homéostatique de la température corporelle et varie donc fortement, en proportion de la charge thermique susceptible de déstabiliser la température centrale du corps. Or, un capteur de cette température se trouve dans l' hypothalamus .

Les mammifères régulent leur température corporelle grâce aux informations provenant des thermorécepteurs situés dans l' hypothalamus , le cerveau , la moelle épinière , les organes internes et les grosses veines . Outre cette régulation interne, un processus appelé allostasie peut intervenir pour adapter le comportement aux températures extrêmes (chaud ou froid) . Ces adaptations peuvent inclure la recherche d'ombre et la réduction de l'activité, la recherche de conditions plus chaudes et l'augmentation de l'activité, ou encore le regroupement . La thermorégulation comportementale prime sur la thermorégulation physiologique, car les changements nécessaires peuvent être effectués plus rapidement et la thermorégulation physiologique a une capacité de réponse limitée aux températures extrêmes

Lorsque la température corporelle centrale diminue, l'apport sanguin à la peau est réduit par une vasoconstriction intense . Le flux sanguin vers les membres (qui présentent une grande surface) est également réduit et le sang retourne au tronc via les veines profondes qui longent les artères (formant les veines satellites ) . Ce système fonctionne comme un échange à contre-courant , court-circuitant la chaleur du sang artériel vers le sang veineux retournant au tronc et minimisant ainsi les pertes de chaleur au niveau des extrémités par temps froid Les veines sous-cutanées des membres sont fortement contractées , ce qui non seulement réduit les pertes de chaleur par cette source, mais force également le sang veineux à circuler dans le système à contre-courant au cœur des membres.

Le taux métabolique est augmenté, initialement par thermogenèse sans frisson , suivie par thermogenèse avec frisson si les réactions précédentes sont insuffisantes pour corriger l' hypothermie .

Lorsque les thermorécepteurs détectent une élévation de la température corporelle , les glandes sudoripares de la peau sont stimulées par les nerfs sympathiques cholinergiques , ce qui provoque la sécrétion de sueur . L'évaporation de cette sueur refroidit la peau et le sang qui y circule. Le halètement est un autre mécanisme de refroidissement chez de nombreux vertébrés ; il permet également de refroidir le corps par évaporation d'eau, mais cette fois-ci au niveau des muqueuses de la gorge et de la bouche.

La glycémie est régulée avec une grande précision. Chez les mammifères, les principaux capteurs de cette régulation sont les cellules bêta des îlots de Langerhans du pancréas . En réponse à une augmentation de la glycémie, les cellules bêta sécrètent de l'insuline dans le sang et inhibent simultanément la sécrétion de glucagon par les cellules alpha voisines . Cette combinaison (taux d'insuline élevés et taux de glucagon faibles) agit sur les tissus effecteurs, principalement le foie , les adipocytes et les cellules musculaires . Le foie, au lieu de produire du glucose , l'absorbe et le convertit en glycogène et en triglycérides . Le glycogène est stocké dans le foie, tandis que les triglycérides sont sécrétés dans le sang sous forme de lipoprotéines de très basse densité (VLDL), qui sont captées par le tissu adipeux pour y être stockées sous forme de graisses. Les adipocytes absorbent le glucose grâce à des transporteurs spécifiques ( GLUT4 ), dont le nombre dans la paroi cellulaire augmente sous l'effet direct de l'insuline. Le glucose ainsi absorbé est converti en triglycérides (par les mêmes voies métaboliques que celles utilisées par le foie) puis stocké dans ces adipocytes avec les triglycérides dérivés des VLDL synthétisés par le foie. Les cellules musculaires absorbent également le glucose via des canaux GLUT4 sensibles à l'insuline et le transforment en glycogène musculaire.

Une chute de la glycémie entraîne l'arrêt de la sécrétion d'insuline et la sécrétion de glucagon par les cellules alpha dans le sang. Ceci inhibe l'absorption du glucose sanguin par le foie, les adipocytes et les muscles. Le foie est alors fortement stimulé pour produire du glucose à partir du glycogène (par glycogénolyse ) et de sources non glucidiques (comme le lactate et les acides aminés désaminés ) grâce à un processus appelé néoglucogenèse . Le glucose ainsi produit est libéré dans le sang, corrigeant l'hypoglycémie . Le glycogène stocké dans les muscles y reste et n'est dégradé, que pendant l'effort, en glucose-6-phosphate puis en pyruvate , lequel est ensuite intégré au cycle de Krebs ou transformé en lactate . Seuls le lactate et les déchets du cycle de Krebs sont renvoyés dans le sang. Le foie ne peut absorber que le lactate et, par le processus énergivore de néoglucogenèse , le reconvertit en glucose.

L'homéostasie du fer est un processus physiologique crucial qui régule les concentrations de fer dans l'organisme, garantissant ainsi la disponibilité de ce nutriment essentiel pour les fonctions vitales tout en prévenant la toxicité potentielle liée à un excès de fer. Le principal site d'absorption du fer est le duodénum , ​​où le fer alimentaire se présente sous deux formes : le fer héminique, provenant des produits animaux, et le fer non héminique , présent dans les aliments végétaux. Le fer héminique est absorbé plus efficacement que le fer non héminique, dont l'absorption optimale nécessite des facteurs comme la vitamine C. Une fois absorbé, le fer pénètre dans la circulation sanguine lié à la transferrine , une protéine de transport qui le distribue aux différents tissus et organes. Les cellules captent le fer grâce aux récepteurs de la transferrine, le rendant disponible pour des processus essentiels tels que le transport de l'oxygène et la synthèse de l'ADN. Le fer en excès est stocké dans le foie, la rate et la moelle osseuse sous forme de ferritine et d'hémosidérine. La régulation des concentrations de fer est principalement contrôlée par l' hepcidine , une hormone produite par le foie, qui ajuste l'absorption intestinale et la libération du fer stocké en fonction des besoins de l'organisme. Les perturbations de l'homéostasie du fer peuvent entraîner des affections telles que l'anémie ferriprive ou des troubles liés à une surcharge en fer comme l'hémochromatose , soulignant l'importance de maintenir l'équilibre délicat de ce nutriment vital pour la santé globale.

Le cuivre est absorbé, transporté, distribué, stocké et éliminé par l'organisme selon des processus homéostatiques complexes qui garantissent un apport constant et suffisant de ce micronutriment tout en évitant les excès. Un apport insuffisant en cuivre sur une courte période entraîne un épuisement des réserves hépatiques. Si cet épuisement persiste, une carence en cuivre peut se développer. À l'inverse, un apport excessif peut provoquer un excès. Ces deux états, carence et excès, peuvent engendrer des lésions tissulaires et des maladies. Cependant, grâce à la régulation homéostatique, l'organisme humain est capable d'équilibrer les apports en cuivre pour répondre aux besoins des individus en bonne santé.

De nombreux aspects de l'homéostasie du cuivre sont connus au niveau moléculaire. Le rôle essentiel du cuivre est dû à sa capacité à agir comme donneur ou accepteur d'électrons, son état d'oxydation fluctuant entre Cu ^¹⁺ ( cuivreux ) et Cu ^²⁺ ( cuivrique ). Composant d'une douzaine de cuproenzymes , le cuivre intervient dans des réactions d'oxydoréduction clés , essentielles à des processus métaboliques fondamentaux tels que la respiration mitochondriale , la synthèse de la mélanine et la réticulation du collagène . Le cuivre est un élément constitutif de la superoxyde dismutase cuivre-zinc, une enzyme antioxydante, et joue un rôle dans l'homéostasie du fer en tant que cofacteur de la céruloplasmine.

Les variations des taux d'oxygène, de dioxyde de carbone et du pH plasmatique sont transmises au centre respiratoire , situé dans le tronc cérébral , où elles sont régulées. La pression partielle d' oxygène et de dioxyde de carbone dans le sang artériel est surveillée par les chémorécepteurs périphériques ( SNP ) de l' artère carotide et de la crosse aortique . Une variation de la pression partielle de dioxyde de carbone est détectée par les chémorécepteurs centraux ( SNC ) du bulbe rachidien , qui se traduisent par une modification du pH du liquide céphalo-rachidien . Les informations provenant de ces capteurs sont envoyées au centre respiratoire, qui active les organes effecteurs : le diaphragme et les autres muscles respiratoires . Une augmentation du taux de dioxyde de carbone dans le sang, ou une diminution du taux d'oxygène, entraîne une respiration plus profonde et une augmentation de la fréquence respiratoire afin de rétablir l'équilibre des gaz sanguins.

Un manque de dioxyde de carbone, et, dans une moindre mesure, un excès d'oxygène dans le sang, peuvent interrompre temporairement la respiration, un phénomène appelé apnée , que les apnéistes utilisent pour prolonger leur temps de séjour sous l'eau.

La pression partielle de dioxyde de carbone est un facteur déterminant dans la surveillance du pH. Cependant, en haute altitude (au-dessus de 2 500 m), la surveillance de la pression partielle d’oxygène devient prioritaire, et l’hyperventilation permet de maintenir un niveau d’oxygène constant. Avec un niveau de dioxyde de carbone plus faible, pour maintenir le pH à 7,4, les reins sécrètent des ions hydrogène dans le sang et excrètent du bicarbonate dans l’urine. Ce mécanisme est important pour l’acclimatation à la haute altitude .

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, des cellules sensibles à l'oxygène sécrètent de l'érythropoïétine (EPO) dans le sang. Le tissu effecteur est la moelle osseuse rouge qui produit les globules rouges (GR, également appelés érythrocytes ). L'augmentation du nombre de GR entraîne une hausse de l'hématocrite , puis une augmentation du taux d'hémoglobine , ce qui accroît la capacité de transport d'oxygène. C'est le mécanisme qui explique pourquoi les personnes vivant en haute altitude ont un hématocrite plus élevé que celles vivant au niveau de la mer, et pourquoi les personnes souffrant d'insuffisance pulmonaire ou de shunt droite-gauche (par lequel le sang veineux contourne les poumons et rejoint directement la circulation systémique) ont également un hématocrite élevé.

Quelle que soit la pression partielle d'oxygène dans le sang, la quantité d'oxygène transportée dépend de la teneur en hémoglobine. La pression partielle d'oxygène peut être suffisante, par exemple en cas d'anémie , mais la teneur en hémoglobine sera insuffisante, entraînant une diminution de la quantité d'oxygène. Un apport suffisant en fer, en vitamine B12 et en acide folique permet à l'EPO de stimuler la production de globules rouges et de rétablir les taux d'hémoglobine et d'oxygène à la normale.

Le cerveau peut réguler le débit sanguin sur une gamme de valeurs de pression artérielle par vasoconstriction et vasodilatation des artères.

Les barorécepteurs , récepteurs de haute pression situés dans les parois de la crosse aortique et du sinus carotidien (à l'origine de l' artère carotide interne ), surveillent la pression artérielle . Une augmentation de la pression est détectée lorsque les parois artérielles se dilatent en raison d'une hausse du volume sanguin . Ceci provoque la sécrétion, par les cellules musculaires cardiaques, du peptide natriurétique auriculaire (ANP) dans le sang. Ce dernier agit sur les reins, inhibant la sécrétion de rénine et d'aldostérone. Il en résulte une libération de sodium et d'eau dans les urines, ce qui diminue le volume sanguin. Cette information est ensuite transmise, via les fibres nerveuses afférentes , au noyau solitaire du bulbe rachidien . De là, les nerfs moteurs du système nerveux autonome sont stimulés pour moduler l'activité, principalement celle du cœur et des artérioles , les plus petites artères du système nerveux autonome . Les artérioles constituent les principaux vaisseaux de résistance du système artériel ; de faibles variations de leur diamètre entraînent d'importantes variations de la résistance à l'écoulement sanguin. Lorsque la pression artérielle augmente, les artérioles sont stimulées et se dilatent , facilitant ainsi l'éjection du sang hors des artères. Ces dernières se dégonflent alors, ramenant la pression artérielle à la normale. Simultanément, le cœur est stimulé par les nerfs parasympathiques cholinergiques , ce qui ralentit son rythme ( bradycardie ). Ce ralentissement réduit l'afflux sanguin dans les artères, contribuant ainsi à la baisse de pression et corrigeant l'erreur initiale.

Une baisse de la pression artérielle provoque une vasoconstriction réflexe des artérioles et une accélération du rythme cardiaque ( tachycardie ). Si la chute de tension est très rapide ou excessive, le bulbe rachidien stimule la médullosurrénale , via les nerfs sympathiques préganglionnaires , pour qu'elle sécrète de l'adrénaline dans le sang. Cette hormone accentue la tachycardie et provoque une vasoconstriction importante des artérioles, à l'exception de celles irriguant les organes vitaux (notamment le cœur, les poumons et le cerveau). Ces réactions corrigent généralement très efficacement l' hypotension .

La concentration plasmatique de calcium ionisé (Ca²⁺ ⁾ est finement régulée par deux mécanismes homéostatiques . Le premier mécanisme est assuré par les glandes parathyroïdes , où les cellules principales détectent le taux de Ca²⁺ ^grâce à des récepteurs calciques spécialisés présents dans leur membrane. Le second mécanisme est assuré par les cellules parafolliculaires de la glande thyroïde . Les cellules principales des parathyroïdes sécrètent la parathormone (PTH) en réponse à une diminution de la concentration plasmatique de calcium ionisé ; les cellules parafolliculaires de la glande thyroïde sécrètent la calcitonine en réponse à une augmentation de cette concentration.

Les organes effecteurs du premier mécanisme homéostatique sont les os , les reins et, via une hormone libérée dans le sang par les reins en réponse à des taux élevés de PTH dans le sang, le duodénum et le jéjunum . L'hormone parathyroïdienne (présente à forte concentration dans le sang) provoque la résorption osseuse , libérant ainsi du calcium dans le plasma. Cette action très rapide permet de corriger une hypocalcémie menaçante en quelques minutes. Des concentrations élevées de PTH entraînent l'excrétion d' ions phosphate dans l'urine. Les phosphates se combinant aux 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 exerce une seconde action sur les reins. Elle stimule la synthèse et la libération, par les reins, de calcitriol dans le sang. Cette hormone stéroïdienne 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.

Le second mécanisme homéostatique, dont les capteurs se trouvent dans la glande thyroïde, libère la calcitonine dans le sang lorsque la concentration de calcium ionisé dans le sang 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.

Les deux mécanismes homéostatiques, agissant via la PTH d'une part et la calcitonine d'autre part, peuvent corriger très rapidement toute erreur imminente du taux de calcium ionisé plasmatique, soit en prélevant du calcium du sang pour le déposer dans le squelette, soit en le prélevant du squelette. Le squelette constitue une réserve de calcium extrêmement importante (environ 1 kg) comparée à la réserve plasmatique (environ 180 mg). La régulation à plus long terme s'effectue par l'absorption ou l'élimination du calcium au niveau intestinal.

Un autre exemple est celui des endocannabinoïdes les mieux caractérisés comme l'anandamide ( N- arachidonoyléthanolamide ; AEA) et le 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 niveaux de calcium intracellulaire pour induire l'homéostasie et prévenir le développement tumoral grâce à des mécanismes protecteurs putatifs qui empêchent la croissance et la migration cellulaires par l'activation des récepteurs CB1 et/ou CB2 et des récepteurs adjacents .

Le mécanisme homéostatique qui contrôle la concentration plasmatique de sodium est bien 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 de manière étonnamment indirecte. Au lieu de la mesurer directement dans le sang qui traverse les cellules juxtaglomérulaires , ces dernières réagissent à la concentration de sodium dans le liquide tubulaire rénal après qu'il a déjà subi certaines modifications dans le tube contourné proximal et l'anse de Henle . Ces cellules réagissent également au débit sanguin à travers l'appareil juxtaglomérulaire, qui, dans des conditions normales, est directement proportionnel à la pression artérielle , faisant de ce tissu un capteur auxiliaire de pression artérielle.

En réponse à une diminution de la concentration plasmatique de sodium ou à une chute de la pression artérielle, les cellules juxtaglomérulaires libèrent de la rénine dans le sang. La rénine est une enzyme qui clive un décapeptide (une courte chaîne protéique de 10 acides aminés) de l' α-2-globuline plasmatique appelée angiotensinogène . Ce décapeptide est connu sous le nom d'angiotensine I. Il est dépourvu d'activité biologique connue. Cependant, lorsque le sang circule dans les poumons, une enzyme endothéliale des capillaires pulmonaires , l'enzyme de conversion de l'angiotensine (ECA), clive deux acides aminés supplémentaires de l'angiotensine I pour former un octapeptide appelé angiotensine II . L'angiotensine II est une hormone qui agit sur le cortex surrénalien , provoquant la libération dans le sang de l' hormone stéroïdienne aldostérone . L'angiotensine II agit également sur les muscles lisses des parois artériolaires, provoquant la constriction de ces vaisseaux de petit diamètre et limitant ainsi le flux sanguin sortant du système artériel, ce qui entraîne une augmentation de la pression artérielle. Ceci renforce donc les mécanismes décrits précédemment (sous la rubrique « Pression artérielle »), qui protègent la pression artérielle contre les variations, notamment l'hypotension .

L' aldostérone, stimulée par l'angiotensine II et libérée par la zone glomérulée des glandes surrénales, agit notamment sur les cellules épithéliales des tubes contournés distaux et des canaux collecteurs des reins. Elle induit la réabsorption des ions sodium du liquide tubulaire rénal , en échange des ions potassium sécrétés du plasma sanguin dans ce liquide pour être éliminés par l'urine. Cette réabsorption des ions sodium stoppe les pertes sodiques et prévient ainsi l'aggravation de l' hyponatrémie . Seule la consommation de sel alimentaire permet de corriger cette dernière. Cependant, on ignore si l'hyponatrémie peut engendrer une sensation de faim en sel, et par quel mécanisme.

Lorsque la concentration plasmatique d'ions sodium est supérieure à la normale ( hypernatrémie ), la libération de rénine par l'appareil juxtaglomérulaire est inhibée, ce qui interrompt la production d'angiotensine II et, par conséquent, la libération d'aldostérone dans le sang. Les reins réagissent en excrétant les ions sodium dans l'urine, normalisant ainsi la concentration plasmatique d'ions sodium. La diminution du taux d'angiotensine II dans le sang entraîne inévitablement une baisse de la pression artérielle.

La réabsorption des ions sodium du liquide tubulaire, consécutive à une élévation du taux d'aldostérone dans le sang, n'entraîne pas, à elle seule, le retour d'eau des tubules contournés distaux ou des canaux collecteurs vers le sang . En effet, la réabsorption du sodium se fait en échange de potassium, ce qui ne provoque qu'une faible variation du gradient osmotique entre le sang et le liquide tubulaire. De plus, l'épithélium des tubules contournés distaux et des canaux collecteurs est imperméable à l'eau en l'absence d' hormone antidiurétique (ADH) dans le sang. L'ADH participe à la régulation de l' équilibre hydrique . Son taux sanguin varie en fonction de l' osmolalité plasmatique, mesurée dans l' hypothalamus . L'action de l'aldostérone sur les tubules rénaux empêche la perte de sodium vers le liquide extracellulaire (LEC). Par conséquent, l'osmolalité du LEC reste inchangée, et donc la concentration plasmatique d'ADH demeure constante. Cependant, de faibles taux d'aldostérone entraînent une perte d'ions sodium du LEC, ce qui pourrait potentiellement provoquer une modification de l'osmolalité extracellulaire et donc des taux d'ADH dans le sang.

Des concentrations élevées de potassium dans le plasma provoquent une dépolarisation des membranes des cellules de la zone glomérulée dans la couche externe du cortex surrénalien . Ceci provoque la libération d' aldostérone dans le sang.

L'aldostérone agit principalement sur les tubules contournés distaux et les canaux collecteurs des reins, stimulant l'excrétion d'ions potassium dans l'urine. Elle agit en activant les pompes Na ⁺ /K ⁺ basolatérales des cellules épithéliales tubulaires. Ces échangeurs sodium/potassium expulsent trois ions sodium de la cellule vers le liquide interstitiel et font entrer deux ions potassium du liquide interstitiel dans la cellule. Il se crée ainsi un gradient de concentration ionique qui entraîne la réabsorption des ions sodium (Na ⁺ ) du liquide tubulaire vers le sang et la sécrétion des ions potassium (K ⁺ ) du sang vers l'urine (lumière du canal collecteur).

La quantité totale d'eau dans l'organisme doit être maintenue en équilibre. L'équilibre hydrique implique la stabilisation du volume liquidien et des concentrations d' électrolytes dans le liquide extracellulaire. Cet équilibre est maintenu par l' osmorégulation et par le comportement. La pression osmotique est détectée par les osmorécepteurs du noyau préoptique médian de l' hypothalamus . La mesure de l' osmolalité plasmatique , qui donne une indication de la teneur en eau de l'organisme, repose sur le fait que les pertes d'eau corporelles (dues aux pertes inévitables à travers la peau, qui n'est pas totalement imperméable et reste donc toujours légèrement humide, à la vapeur d'eau présente dans l'air expiré , à la transpiration , aux vomissements , aux selles normales et surtout à la diarrhée ) sont toutes hypotoniques , c'est-à-dire moins salées que les liquides corporels (comparez, par exemple, le goût de la salive à celui des larmes. Ces dernières ont une concentration en sel presque identique à celle du liquide extracellulaire, tandis que la salive est hypotonique par rapport au plasma. La salive n'a pas un goût salé, contrairement aux larmes qui sont nettement salées). Presque toutes les pertes d' eau corporelle, normales ou anormales , entraînent donc une hypertonie du liquide extracellulaire . Inversement, un apport excessif de liquides dilue ce liquide, ce qui provoque chez l'hypothalamus une hyponatrémie ( état d'hypotonie).

Lorsque l' hypothalamus détecte un milieu extracellulaire hypertonique, il provoque la sécrétion d'une hormone antidiurétique (ADH) appelée vasopressine , qui agit sur l'organe effecteur, en l'occurrence le rein . L'effet de la vasopressine sur les tubules rénaux est de réabsorber l'eau au niveau des tubules contournés distaux et des canaux collecteurs , empêchant ainsi l'aggravation de la déshydratation urinaire. Simultanément, l'hypothalamus stimule le centre de la soif, provoquant une envie irrésistible de boire (en cas d'hypertonicité importante). L'arrêt de la diurèse prévient l' aggravation de l' hypovolémie et de l'hypertonicité ; la prise d'eau corrige le déséquilibre.

L'hypo-osmolalité entraîne une diminution importante du taux plasmatique d'ADH. Il en résulte une inhibition de la réabsorption d'eau au niveau des tubules rénaux, provoquant l'excrétion de volumes importants d'urine très diluée et permettant ainsi l'élimination de l'excès d'eau dans l'organisme.

Lorsque l'homéostasie hydrique est normale, la perte d'eau par voie urinaire est une perte compensatoire qui corrige tout excès d'eau dans l'organisme. Cependant, comme les reins ne peuvent pas produire d'eau, le réflexe de soif constitue le second mécanisme effecteur essentiel de l'homéostasie hydrique, corrigeant tout déficit hydrique.

Le pH plasmatique peut être modifié par des variations respiratoires de la pression partielle de dioxyde de carbone, ou par des modifications métaboliques du rapport acide carbonique / bicarbonate . Le système tampon bicarbonate régule ce rapport à 1:20, valeur à laquelle le pH sanguin est de 7,4 (conformément à l' équation de Henderson-Hasselbalch ). Une variation du pH plasmatique entraîne un déséquilibre acido-basique . L' homéostasie acido-basique repose sur deux mécanismes de régulation du pH. La compensation respiratoire , mécanisme du centre respiratoire , ajuste la pression partielle de dioxyde de carbone en modifiant la fréquence et l'amplitude respiratoire afin de ramener le pH à la normale. La pression partielle de dioxyde de carbone détermine également la concentration d'acide carbonique, et le système tampon bicarbonate peut intervenir. La compensation rénale peut également soutenir le système tampon bicarbonate. Le capteur de la concentration plasmatique de bicarbonate reste inconnu. Il est très probable que les cellules tubulaires rénales du tubule contourné distal soient sensibles au pH plasmatique. Le métabolisme de ces cellules produit du dioxyde de carbone, rapidement converti en hydrogène et en bicarbonate par l'action de l'anhydrase carbonique . Lorsque le pH du liquide extracellulaire diminue (devient plus acide), les cellules tubulaires rénales excrètent des ions hydrogène dans le liquide tubulaire, qui sont ensuite éliminés par l'urine. Simultanément, des ions bicarbonate sont sécrétés dans le sang, ce qui diminue la concentration d'acide carbonique et, par conséquent, augmente le pH plasmatique . L'inverse se produit lorsque le pH plasmatique dépasse la normale : des ions bicarbonate sont excrétés dans l'urine et des ions hydrogène sont libérés dans le plasma.

Lorsque les ions hydrogène sont excrétés dans l'urine et les bicarbonates dans le sang, ces derniers se combinent avec l'excès d'ions hydrogène plasmatiques qui a stimulé les reins. La réaction plasmatique qui en résulte est la formation d'acide carbonique, en équilibre avec la pression partielle de dioxyde de carbone dans le plasma. Cet équilibre est étroitement régulé afin d'éviter une accumulation excessive d'acide carbonique ou de bicarbonate. Ainsi, lorsque le pH plasmatique diminue, les ions hydrogène sont éliminés dans l'urine. L'augmentation concomitante du bicarbonate plasmatique neutralise l'excès d'ions hydrogène (dû à la baisse du pH plasmatique) et l'excès d'acide carbonique est éliminé dans les poumons sous forme de dioxyde de carbone. Ceci rétablit le rapport normal entre le bicarbonate et la pression partielle de dioxyde de carbone, et donc le pH plasmatique. L'inverse se produit lorsqu'un pH plasmatique élevé stimule les reins à sécréter des ions hydrogène dans le sang et à excréter des bicarbonates dans l'urine. Les ions hydrogène se combinent avec l'excès d'ions bicarbonate dans le plasma, formant à nouveau un excès d'acide carbonique qui peut être expiré, sous forme de dioxyde de carbone, dans les poumons, maintenant ainsi constants la concentration d'ions bicarbonate dans le plasma, la pression partielle de dioxyde de carbone et, par conséquent, le pH plasmatique.

Le liquide céphalo-rachidien (LCR) permet la régulation de la distribution des substances entre les cellules cérébrales et des facteurs neuroendocriniens , dont de légères variations peuvent entraîner des troubles ou des lésions du système nerveux. Par exemple, une concentration élevée de glycine perturbe la régulation de la température et de la pression artérielle , et un pH élevé du LCR provoque des vertiges et des syncopes .

Les neurones inhibiteurs du système nerveux central jouent un rôle homéostatique dans l'équilibre de l'activité neuronale entre excitation et inhibition. Ces neurones, utilisant le GABA , induisent des modifications compensatoires au sein des réseaux neuronaux, empêchant ainsi une excitation excessive. Un déséquilibre entre excitation et inhibition est impliqué dans plusieurs troubles neuropsychiatriques .

Le système neuroendocrinien est le mécanisme par lequel l'hypothalamus maintient l'homéostasie, en régulant le métabolisme , la reproduction, le comportement alimentaire et d'hydratation, l'utilisation de l'énergie, l'osmolalité et la pression artérielle.

La régulation du métabolisme s'effectue par les interactions de l'hypothalamus avec d'autres glandes. Les trois glandes endocrines de l' axe hypothalamo-hypophyso-gonadique (axe HPG) agissent souvent de concert et exercent d'importantes fonctions régulatrices. Deux autres axes endocriniens régulateurs sont l' axe hypothalamo-hypophyso-surrénalien (axe HPA) et l' axe hypothalamo-hypophyso-thyroïdien (axe HPT).

Le foie remplit également de nombreuses fonctions de régulation du métabolisme. Une fonction importante est la production et le contrôle des acides biliaires . Un excès d'acides biliaires peut être toxique pour les cellules et leur synthèse peut être inhibée par l'activation du FXR , un récepteur nucléaire .

Au niveau cellulaire, l'homéostasie est assurée par plusieurs mécanismes, notamment la régulation transcriptionnelle qui peut modifier l'activité des gènes en réponse à des changements.

L'apport énergétique par l'alimentation doit être étroitement proportionnel à la dépense énergétique de l'organisme afin de maintenir l'équilibre énergétique global, un état appelé homéostasie énergétique. Ce processus essentiel est géré par la régulation de l'appétit, elle-même influencée par deux hormones clés : la ghréline et la leptine . La ghréline, aussi appelée hormone de la faim , joue un rôle important en stimulant la sensation de faim, incitant ainsi les individus à rechercher et à consommer de la nourriture. La leptine, quant à elle, remplit une fonction différente : elle signale la satiété, ou sensation de plénitude, indiquant à l'organisme qu'il a suffisamment mangé.

Une revue exhaustive menée en 2019, portant sur diverses interventions visant à modifier le poids (régimes, exercice physique et épisodes de suralimentation), a établi que les mécanismes de régulation de l'homéostasie pondérale par l'organisme ne permettent pas de corriger précisément les erreurs énergétiques . Ces erreurs énergétiques correspondent aux pertes ou gains caloriques importants pouvant survenir à court terme. Cette recherche souligne la complexité de l'équilibre énergétique, démontrant que l'organisme peut avoir des difficultés à s'adapter rapidement aux fluctuations des apports ou des dépenses caloriques, ce qui complique le maintien d'un poids corporel stable face à des variations immédiates de la consommation et de l'utilisation d'énergie.

De nombreuses maladies résultent d'une défaillance de l'homéostasie. Presque tous les composants de l'homéostasie peuvent dysfonctionner, que ce soit en raison d'une anomalie héréditaire , d'une erreur innée du métabolisme ou d'une maladie acquise. Certains mécanismes homéostatiques possèdent des redondances intrinsèques, ce qui garantit que la vie n'est pas immédiatement menacée en cas de dysfonctionnement d'un composant ; mais parfois, une défaillance de l'homéostasie peut entraîner une maladie grave, potentiellement mortelle en l'absence de traitement. Le diabète de type 1 en est un exemple bien connu . Dans ce cas, la régulation de la glycémie est perturbée car les cellules bêta des îlots de Langerhans du pancréas sont détruites et ne peuvent plus produire l' insuline nécessaire . La glycémie augmente alors, provoquant une hyperglycémie .

L'homéostasie du calcium ionisé plasmatique peut être perturbée par la surproduction constante et stable d' hormone parathyroïdienne due à un adénome parathyroïdien, entraînant les caractéristiques typiques de l'hyperparathyroïdie , à savoir des taux élevés de calcium ionisé plasmatique (Ca²⁺ ⁾ et une résorption osseuse pouvant conduire à des fractures spontanées. Les concentrations anormalement élevées de calcium ionisé plasmatique induisent des changements conformationnels dans de nombreuses protéines de surface cellulaire (en particulier les canaux ioniques et les récepteurs hormonaux ou de neurotransmetteurs) , provoquant léthargie, faiblesse musculaire, anorexie, constipation et labilité émotionnelle.

L'homéostasie hydrique de l'organisme peut être perturbée par l'incapacité à sécréter de l'ADH en réponse aux pertes hydriques quotidiennes normales, via l'air expiré, les selles et la transpiration insensible . En l'absence de signal ADH sanguin suffisant, les reins produisent d'importants volumes d'urine très diluée, provoquant une déshydratation et, en l'absence de traitement, la mort.

Avec l’âge, l’efficacité des systèmes de contrôle des organismes diminue. Ces inefficacités entraînent progressivement un environnement interne instable qui augmente le risque de maladie et conduit aux changements physiques associés au vieillissement.

Diverses maladies chroniques sont maintenues sous contrôle par compensation homéostatique, qui masque un problème en le compensant d'une autre manière. Cependant, ces mécanismes de compensation finissent par s'épuiser ou sont perturbés par un nouveau facteur de complication (tel que l'apparition d'une infection virale aiguë concomitante), ce qui déclenche une nouvelle cascade d'événements dans l'organisme. Cette décompensation révèle la maladie sous-jacente et aggrave ses symptômes. Parmi les exemples courants, on peut citer l' insuffisance cardiaque décompensée , l'insuffisance rénale et l'insuffisance hépatique , selon Fan et al. (2011).

Dans l' hypothèse Gaïa , James Lovelock affirme que la totalité de la matière vivante sur Terre (ou sur toute planète abritant la vie) fonctionne comme un vaste superorganisme homéostatique qui modifie activement son environnement planétaire afin de créer les conditions environnementales nécessaires à sa propre survie. Selon cette perspective, la planète entière maintient plusieurs mécanismes d'homéostasie (le principal étant l'homéostasie thermique). L'existence d'un tel système sur Terre fait débat. Cependant, certains mécanismes homéostatiques relativement simples sont généralement admis. Par exemple, il est parfois avancé que lorsque les niveaux de dioxyde de carbone atmosphérique augmentent, certaines plantes pourraient mieux se développer et ainsi contribuer à absorber davantage de dioxyde de carbone de l'atmosphère. Toutefois, le réchauffement climatique a exacerbé les sécheresses, faisant de l'eau le véritable facteur limitant sur les terres émergées. Lorsque l'ensoleillement est abondant et que la température atmosphérique s'élève, il a été suggéré que le phytoplancton des eaux de surface océaniques, agissant comme un capteur de rayonnement solaire global et donc de chaleur, pourrait prospérer et produire davantage de sulfure de diméthyle (DMS). Les molécules de DMS agissent comme noyaux de condensation des nuages , ce qui favorise la formation de nuages ​​et augmente ainsi l' albédo atmosphérique , contribuant à abaisser la température de l'atmosphère. Cependant, l'élévation de la température des océans a entraîné une stratification de ces derniers, séparant les eaux chaudes et ensoleillées des eaux froides et riches en nutriments. De ce fait, les nutriments sont devenus le facteur limitant, et les niveaux de plancton ont en réalité diminué au cours des 50 dernières années, au lieu d'augmenter. À mesure que les scientifiques approfondissent leurs connaissances sur la Terre, ils découvrent un grand nombre de boucles de rétroaction positives et négatives qui, ensemble, maintiennent un état métastable, parfois dans un large éventail de conditions environnementales.

L'homéostasie prédictive est une réponse anticipatoire à un défi futur, comme la stimulation de la sécrétion d'insuline par les hormones intestinales qui passent dans le sang après un repas. Cette sécrétion d'insuline précède l'élévation de la glycémie, la faisant baisser en prévision d'un afflux important de glucose dans le sang, résultant de la digestion des glucides dans l'intestin. Ces réactions anticipatoires sont des systèmes en boucle ouverte, reposant essentiellement sur des prédictions, et ne s'autorégulent pas. Les réponses anticipatoires nécessitent toujours un système de rétroaction négative en boucle fermée pour corriger les excès et les sous-régulations auxquels ces systèmes sont sujets.

Ce terme est désormais utilisé dans d'autres domaines, par exemple :

Un actuaire peut évoquer l'homéostasie du risque , selon laquelle (par exemple) les personnes possédant un véhicule équipé de freins ABS n'ont pas un meilleur bilan de sécurité que celles qui n'en sont pas équipées, car les premières compensent inconsciemment la sécurité accrue du véhicule par des habitudes de conduite moins sûres. Avant l'invention des freins ABS, certaines manœuvres impliquaient de légers dérapages, suscitant peur et évitement : désormais, le système ABS modifie le seuil de ce type de réaction, et les comportements s'étendent à une zone qui n'est plus punitive. Il a également été suggéré que les crises écologiques constituent un exemple d'homéostasie du risque, où un comportement particulier persiste jusqu'à ce que des conséquences dangereuses ou dramatiques se produisent.

Les sociologues et les psychologues peuvent faire référence à l'homéostasie du stress , la tendance d'une population ou d'un individu à rester à un certain niveau de stress , générant souvent des stress artificiels si le niveau de stress « naturel » n'est pas suffisant.

Jean-François Lyotard , théoricien postmoderne, a appliqué ce terme aux « centres de pouvoir » de la société qu'il décrit dans La Condition postmoderne , comme étant « régis par un principe d'homéostasie », par exemple la hiérarchie scientifique, qui peut parfois ignorer pendant des années une découverte radicalement nouvelle parce qu'elle déstabilise des normes précédemment acceptées.

Les mécanismes homéostatiques technologiques bien connus comprennent :

• Un thermostat fonctionne en allumant et en éteignant les radiateurs ou les climatiseurs en fonction des données fournies par un capteur de température.
• Le régulateur de vitesse ajuste l'accélérateur d'une voiture en fonction des variations de vitesse.
• Un pilote automatique actionne les commandes de direction d'un aéronef ou d'un navire en réponse à un écart par rapport à un cap ou une route prédéfinis.
• Les systèmes de contrôle de processus dans une usine chimique ou une raffinerie de pétrole maintiennent les niveaux de fluides, les pressions, la température, la composition chimique, etc. en contrôlant les réchauffeurs, les pompes et les vannes.
• Le régulateur centrifuge d'une machine à vapeur , conçu par James Watt en 1788, réduit l'ouverture du papillon des gaz en réponse à une augmentation du régime moteur, ou ouvre le papillon si le régime descend en dessous du régime prédéfini.

L’exercice du pouvoir souverain, les codes de conduite, les pratiques religieuses et culturelles, ainsi que d’autres processus dynamiques au sein d’une société, peuvent être décrits comme faisant partie d’un système homéostatique évolué visant à réguler la vie et à maintenir un équilibre général qui protège la sécurité de l’ensemble contre les déséquilibres ou les dangers internes et externes. On peut dire que les cultures civiques saines ont atteint un équilibre homéostatique optimal entre de multiples préoccupations contradictoires, telles que la tension entre le respect des droits individuels et le souci du bien public, ou celle entre l’efficacité gouvernementale et la prise en compte des intérêts des citoyens.