Mecanismos de regulação da temperatura corporal
A temperatura corporal é regulada quase exclusivamente por mecanismos nervosos de feedback negativo que operam, em sua maior parte, através de centros termorreguladores localizados no hipotálamo. Além do controle neural, os hormônios afetam a termorregulação, mas em geral estão associados à aclimatação a longo prazo.[5] Foram propostos três modelos que explicam o mecanismo de homeostase térmica em humanos. Os dois primeiros propõem que a temperatura seja a variável regulada. Esses modelos consideram que os mecanismos termorreguladores tentam, a todo momento, levar a temperatura corporal ao ponto de ajuste. O terceiro modelo é fundamentalmente diferente dos dois primeiros, pois propõe que a variável regulada é o conteúdo de calor e não a temperatura em si, neste modelo a temperatura corporal é considerada um subproduto da regulação.[6].
Os modelos mais recentes e aparentemente mais aceitos são a teoria do "ponto equilibrado"[7] e a teoria do "controle proporcional".[8] Ambas as teorias postulam que a temperatura corporal é controlada por um sistema de controle de feedback proporcional "multisensor", "multiprocessador" e "multiefetor".
Duas fontes de calor alteram a temperatura corporal: geração de calor interno e aquecimento ou resfriamento ambiental. Devido às reações químicas exotérmicas, todos os órgãos produzem calor metabólico, mesmo quando o corpo está em repouso. Durante o exercício, os músculos produzem várias vezes mais calor do que em repouso. O calor é dissipado da pele para o ambiente se a temperatura da superfície da pele for superior à temperatura ambiente, caso contrário o calor é absorvido pela pele.
Para manter a homeostase da temperatura, os humanos utilizam dois mecanismos: termorregulação comportamental e termorregulação autônoma. A termorregulação comportamental consiste no ajuste consciente do ambiente térmico para manter o conforto. Consegue-se alterando o grau de isolamento do corpo (roupas) ou a temperatura ambiente. A termorregulação autônoma é o processo pelo qual, por meio do sistema nervoso autônomo, mecanismos internos controlam a temperatura corporal de forma subconsciente e precisa. Este controle envolve dois mecanismos, um associado à dissipação de calor e outro à sua produção e conservação. A temperatura ambiente elevada produz perda de calor através de vasodilatação cutânea, sudorese e menor produção de calor. Quando a temperatura ambiente cai, calor adicional é produzido pela termogênese com tremores e pela termogênese sem tremores, e a perda de calor é diminuída pela constrição dos vasos sanguíneos cutâneos. A exposição prolongada ao frio aumenta a liberação de tiroxina, que aumenta o calor corporal ao estimular o metabolismo dos tecidos.[9] A termorregulação técnica constitui um terceiro mecanismo, que pode ser considerado parte da termorregulação comportamental. Envolve a utilização de um sistema que mantém a temperatura ambiente constante. Um exemplo é um ar condicionado que monitora a temperatura de uma sala e ajusta o fluxo de calor enquanto mantém a temperatura constante. Vale ressaltar que tanto a termorregulação autônoma, comportamental e técnica constituem sistemas de controle de feedback negativo.
A zona termoneutra ou, referida em humanos, zona de conforto térmico, é a faixa de temperatura ambiental na qual o gasto metabólico é mantido no mínimo, e a regulação da temperatura é realizada por mecanismos físicos não evaporativos, mantendo a temperatura corporal central em faixas normais. Isto significa que a termorregulação na zona termoneutra ocorre apenas por controle vasomotor. Os limites inferior e superior da zona termoneutra são chamados de temperatura crítica inferior e temperatura crítica superior, respectivamente. Devido às diferenças nas propriedades térmicas, a zona termoneutra na água é deslocada para cima em comparação com a do ar (33 a 35,5 C na água vs. 28,5 a 32 C no ar).[11].
As funções termorreguladoras são divididas de acordo com sua finalidade e mecanismo fisiológico em duas categorias. A primeira compreende a termorregulação que neutraliza as mudanças de temperatura que produziriam graves distúrbios na homeostase térmica, impondo um perigo à vida. O segundo compreende um tipo especial de termorregulação, cuja função é nivelar flutuações térmicas comparativamente pequenas, mas que ocorrem continuamente. Estas flutuações de temperatura que ocorrem mesmo na zona termoneutra são uma parte inerente da vida normal de animais e humanos. Na ausência de mudanças bruscas de temperatura, esta é a principal função do sistema de termorregulação.[12].
O superaquecimento da área termostática do hipotálamo aumenta a taxa de perda de calor por meio de dois processos essenciais:
Quando o corpo fica excessivamente quente, a informação é enviada para a área pré-óptica, localizada no cérebro, em frente ao hipotálamo. Isso desencadeia a produção de suor. Os humanos podem perder até 1,5 l de suor por hora. Através dele ocorre a perda de água o que leva à diminuição da temperatura corporal.
Quando a temperatura corporal aumenta, os vasos periféricos se dilatam e o sangue flui em maior quantidade próximo à pele, favorecendo a transferência de calor para o ambiente. Portanto, após o exercício a pele fica vermelha, pois fica mais irrigada.
Quando o corpo é resfriado abaixo da temperatura normal, os seguintes mecanismos reduzem a perda de calor:
A vasoconstrição dos vasos epidérmicos é um dos primeiros processos que melhoram a conservação do calor. Quando a temperatura diminui, o hipotálamo posterior é ativado e, através do sistema nervoso simpático, o diâmetro dos vasos sanguíneos cutâneos diminui; Esta é a razão pela qual as pessoas ficam pálidas com o frio. Este efeito diminui a condução de calor do núcleo interno para a pele. Consequentemente, a temperatura da pele diminui e aproxima-se da temperatura ambiente, reduzindo assim o gradiente que favorece a perda de calor. A vasoconstrição pode diminuir a perda de calor em cerca de oito vezes.[4].
Muitos animais, incluindo humanos, possuem um mecanismo denominado trocador de contracorrente para conservar o calor. As artérias dos braços e das pernas correm paralelas a um conjunto de veias profundas, mas seu fluxo é oposto. Assim, o calor do sangue arterial (que flui do centro para a periferia) se difunde no sangue venoso (que flui da periferia para o centro). Desta forma o calor é devolvido à região central do corpo.[13].
A estimulação do sistema nervoso simpático provoca a contração dos músculos eretores, localizados na base dos folículos capilares, fazendo com que os cabelos fiquem em pé. A ereção do cabelo expande a camada de ar em contato com a pele, diminuindo os movimentos de convecção do ar e, portanto, reduzindo a perda de calor. Nos humanos, sem pêlo, esse mecanismo não é importante e produz o que comumente é chamado de arrepios.
Em termos gerais, o gasto energético pode ser subdividido em duas categorias de termogênese: termogênese obrigatória e termogênese facultativa. Os processos termogênicos obrigatórios são essenciais para a vida de todas as células do corpo e incluem os processos que mantêm a temperatura corporal constante e normal. O principal componente da termogênese obrigatória é fornecido pela taxa metabólica basal. A termogênese induzida por alimentos, que deriva da digestão, absorção e metabolismo dos nutrientes dietéticos, também é considerada um processo termogênico obrigatório. Ao contrário da termogênese obrigatória que ocorre continuamente em todos os órgãos do corpo, a termogênese facultativa pode ser rapidamente ativada ou desativada e ocorre principalmente em dois tecidos, músculo esquelético e gordura marrom.[14] A temperatura corporal, que nos animais homeotérmicos, como nos humanos, é geralmente vários graus superior à do ambiente, requer para a sua manutenção a ativação de mecanismos de produção e conservação de calor que compensem a sua perda constante por dissipação para o meio externo. Em temperatura termoneutra, a tireoide é o principal regulador do gasto energético por meio de mecanismos que modulam o consumo de oxigênio nas mitocôndrias de diversos tecidos, principalmente do músculo esquelético e do fígado.[15] A tireoide também participa da regulação da termogênese adaptativa ou facultativa, agindo sinergicamente com a norepinefrina (norepinefrina) em situações em que o corpo necessita de calor adicional para manter a normotermia durante a exposição ao frio.[16].
Quando a temperatura ambiente está abaixo da temperatura crítica inferior, os organismos endotérmicos produzem calor no músculo esquelético e na gordura marrom por dois mecanismos:
O centro motor primário para a termogênese do tremor está localizado no hipotálamo posterior. O estresse pelo frio estimula e o calor inibe esse centro nervoso. Quando, em resposta ao estresse pelo frio, o tônus muscular aumenta até 5 vezes em relação à produção normal. A termogênese do tremor consiste na contração involuntária, síncrona e rítmica das unidades motoras dos músculos opostos e, consequentemente, evitam-se grandes movimentos e não se realiza trabalho externo. Como nenhum trabalho externo é realizado, toda a energia liberada durante o tremor aparece como calor.
Em pequenos mamíferos e humanos neonatais, a termogênese sem tremores ocorre principalmente pelo desacoplamento mitocondrial no tecido adiposo marrom ou na gordura marrom e é regulada pelo sistema nervoso simpático.
Após algumas horas de exposição ao frio, a produção de calor na gordura marrom desempenha um papel dominante na substituição da termogênese do tremor pela termogênese sem tremores como principal fonte de calor adicional para prevenir a hipotermia.
A capacidade da gordura marrom de gerar calor se deve à existência de uma proteína única nas mitocôndrias das células adiposas desse tecido: a proteína desacopladora UCP1. Esta proteína tem a capacidade de permeabilizar a membrana mitocondrial aos prótons. Dessa forma, a oxidação dos metabólitos na respiração mitocondrial e a bomba de prótons que isso gera não são investidas na geração de ATP, como nas mitocôndrias normais, mas são dissipadas na forma de calor.[17] A termogênese sem tremores é facultativa, ativada apenas quando o organismo necessita de calor adicional, e é adaptativa, no sentido de que são necessárias semanas para recrutar tecido termogênico. O processo de adaptação ao frio está sob o controle do hipotálamo, que ativa o sistema nervoso simpático e a secreção de norepinefrina e promove a expressão da UCP1. O desacoplamento não ocorre sem estimulação simpática, mas também não ocorre na ausência do hormônio tireoidiano. Outros hormônios, como a leptina e a insulina, são potentes estimuladores da expressão da UCP1 e da termogênese na gordura marrom.[16] A distinção entre termogênese adrenérgica e termogênese sem tremores é importante. Embora todos os mamíferos respondam à norepinefrina aumentando o metabolismo, em animais não adaptados ao frio este aumento representa principalmente a resposta de órgãos que não estão envolvidos na termogênese sem tremores. Somente o aumento do metabolismo após a adaptação ao frio representa a termogênese termorreguladora sem tremores.[18].
Como a termogênese com tremores é pouco desenvolvida em neonatos, o principal mecanismo de produção de calor nessas crianças é a termogênese sem tremores. Em neonatos, a gordura marrom está localizada no tecido subcutâneo, adjacente aos principais vasos do pescoço, abdômen e tórax, ao redor da escápula e em grandes quantidades nas áreas adrenais.[19].
Tradicionalmente, pensava-se que a gordura marrom em humanos só era encontrada na fase neonatal. Considerou-se que a gordura marrom regride com a idade e que os humanos adultos praticamente não a possuem. Porém, desde a década de 1970, vários trabalhos independentes demonstraram a presença de gordura marrom ativa em humanos adultos, sua atividade é ajustável por estímulos termogênicos e é encontrada em quantidades que poderiam ter um efeito considerável na termogênese. A atividade do tecido adiposo marrom diminui com a idade, passando de 50% de atividade em indivíduos com idade entre 20 anos e 10% em indivíduos com idade entre 50 e 60 anos. Neste sentido, constatou-se também que a gordura marrom é mais prevalente em crianças do que em adultos, e que sua atividade aumenta na adolescência, onde poderia ter uma função metabólica específica.[20] Por outro lado, trabalhos recentes sugerem que o desacoplamento mitocondrial não ocorre apenas na gordura marrom, mas também no tecido muscular esquelético. Ambos os tecidos estariam envolvidos na termogênese sem tremores induzida pelo frio e regulada pelo sistema nervoso simpático.[21].
Embora a ativação de reações de termogênese com e sem tremores não exija a expressão de genes termogênicos, a exposição crônica ao frio ativa a expressão de vários genes importantes no processo termorregulador.[14].