Études de la réponse du métabolisme énergétique à la carence en fer dans les cultures cellulaires de Solanum tuberosum

Le fer est un micronutriment important pour la croissance et le développement des plantes. Il agit comme cofacteur pour plusieurs enzymes et il est important pour des processus tels que la photosynthèse et la respiration. Souvent, le Fe dans le sol n’est pas bio-disponible pour la plante. Les plantes ont développé des stratégies pour solubiliser le Fe du sol pour le rendre disponible et assimilable pour elles. Il y a deux stratégies, la première est caractéristique des dicotylédones et la seconde est caractéristique des monocotylédones. Le modèle utilisé dans cette étude est une culture cellulaire de Solanum tuberosum. Une partie de la recherche effectuée a permis la mesure d’activité et d’expression relative de certaines enzymes impliquées dans le métabolisme énergétique et la fourniture de précurseurs pour la synthèse d’ADN : la Nucléoside diphosphate kinase, la Ribonucléotide reductase, la Glucose 6-phosphate déshydrogénase et la 6-Phosphogluconate déshydrogénase dans les cellules en présence ou en absence de Fe. Chez certains organismes, la déficience en Fe est associée à une perte de croissance qui est souvent liée à une diminution de la synthèse d’ADN. Chez les cultures de cellules de S. tuberosum, les résultats indiquent que la différence de biomasse observée entre les traitements n’est pas due à une variation de l’activité ou l’expression relative d’une de ces enzymes. En effet, aucune variation significative n’a été détectée entre les traitements (+/- Fe) pour l’activité ni l’expression relative de ces enzymes. Une autre partie de la recherche a permis d’évaluer l’activité des voies métaboliques impliquées dans la stratégie 1 utilisée par S. tuberosum. Cette stratégie consomme des métabolites énergétiques: de l’ATP pour solubiliser le Fe et du pouvoir réducteur (NAD(P)H), pour réduire le Fe3+ en Fe2+. Des études de flux métaboliques ont été faites afin d’étudier les remaniements du métabolisme carboné en déficience en Fe chez S. tuberosum. Ces études ont démontré une baisse du régime dans les différentes voies du métabolisme énergétique dans les cellules déficientes en Fe, notamment dans le flux glycolytique et le flux de C à travers la phosphoenolpyruvate carboxylase. En déficience de Fe il y aurait donc une dépression du métabolisme chez S. tuberosum qui permettrait à la cellule de ralentir son métabolisme pour maintenir sa vitalité. En plus des flux, les niveaux de pyridines nucléotides ont été mesurés puisque ceux-ci servent à réduire le Fe dans la stratégie 1. Les résultats démontrent des niveaux élevés des formes réduites de ces métabolites en déficience de Fe. L’ensemble des résultats obtenus indiquent qu’en déficience de Fe, il y a une baisse du métabolisme permettant à la cellule de s’adapter et survivre au stress.

Compétences en littératie visuelle chez les étudiantEs en biologie au niveau collégial: bilan des apprentissages selon des activités digitales ou des activités de dessins à la main

This study examines the role of visual literacy in learning biology. Biology teachers promote the use of digital images as a learning tool for two reasons: because biology is the most visual of the sciences, and the use of imagery is becoming increasingly important with the advent of bioinformatics; and because studies indicate that this current generation of teenagers have a cognitive structure that is formed through exposure to digital media. On the other hand, there is concern that students are not being exposed enough to the traditional methods of processing biological information - thought to encourage left-brain sequential thinking patterns. Theories of Embodied Cognition point to the importance of hand-drawing for proper assimilation of knowledge, and theories of Multiple Intelligences suggest that some students may learn more easily using traditional pedagogical tools. To test the claim that digital learning tools enhance the acquisition of visual literacy in this generation of biology students, a learning intervention was carried out with 33 students enrolled in an introductory college biology course. The study compared learning outcomes following two types of learning tools. One learning tool was a traditional drawing activity, and the other was an interactive digital activity carried out on a computer. The sample was divided into two random groups, and a crossover design was implemented with two separate interventions. In the first intervention students learned how to draw and label a cell. Group 1 learned the material by computer and Group 2 learned the material by hand-drawing. In the second intervention, students learned how to draw the phases of mitosis, and the two groups were inverted. After each learning activity, students were given a quiz on the material they had learned. Students were also asked to self-evaluate their performance on each quiz, in an attempt to measure their level of metacognition. At the end of the study, they were asked to fill out a questionnaire that was used to measure the level of task engagement the students felt towards the two types of learning activities. In this study, following the first testing phase, the students who learned the material by drawing had a significantly higher average grade on the associated quiz compared to that of those who learned the material by computer. The difference was lost with the second “cross-over” trial. There was no correlation for either group between the grade the students thought they had earned through self-evaluation, and the grade that they received. In terms of different measures of task engagement, there were no significant differences between the two groups. One finding from the study showed a positive correlation between grade and self-reported time spent playing video games, and a negative correlation between grade and self-reported interest in drawing. This study provides little evidence to support claims that the use of digital tools enhances learning, but does provide evidence to support claims that drawing by hand is beneficial for learning biological images. However, the small sample size, limited number and type of learning tasks, and the indirect means of measuring levels of metacognition and task engagement restrict generalisation of these conclusions. Nevertheless, this study indicates that teachers should not use digital learning tools to the exclusion of traditional drawing activities: further studies on the effectiveness of these tools are warranted. Students in this study commented that the computer tool seemed more accurate and detailed - even though the two learning tools carried identical information. Thus there was a mismatch between the perception of the usefulness of computers as a learning tool and the reality, which again points to the need for an objective assessment of their usefulness. Students should be given the opportunity to try out a variety of traditional and digital learning tools in order to address their different learning preferences.

Étude portant sur la motivation des étudiantes et des étudiants du programme Soins infirmiers par rapport à leur apprentissage de la biologie au Collège de Maisonneuve

Ce projet d’essai a émergé de préoccupations d’enseignantes et d’enseignants du Collège de Maisonneuve, par rapport à la motivation des étudiantes et des étudiants du programme Soins infirmiers lors des cours obligatoires de biologie. De fait, il a été remarqué par les enseignantes et les enseignants de biologie que ces étudiantes et ces étudiants semblent posséder, pour la plupart, une bonne motivation dans leurs cours de biologie au cours des deux premières sessions du programme. Toutefois, à la troisième session, ces derniers semblent perdre leur motivation graduellement face à leur apprentissage de la biologie. Cela peut certainement nuire à la réussite scolaire, car l’effort fourni semble diminuer dans les activités en classe, leur préparation est bâclée, et un taux d’absentéisme est observé. C’est pour valider ces perceptions initiales qu’une étude a été menée auprès de ces étudiantes et ces étudiants à la session d’automne 2012. La question générale de l’étude vise à savoir: comment se situe la dynamique motivationnelle des étudiantes et des étudiants du programme Soins infirmiers dans le cadre de leur apprentissage de la biologie? Le premier objectif spécifique de l’étude est d’abord de connaître le degré de motivation des étudiantes et des étudiants du programme Soins infirmiers à l'égard de la biologie au fil des trois premières sessions du programme. L’étude nous permet ensuite d’évaluer chez les étudiantes et les étudiants l’évolution de leur motivation au sein d’un même cours, grâce à un questionnaire administré au début et à la fin de la session. Nous avons également interrogé par écrit les étudiantes et les étudiants afin que nous puissions identifier les causes justifiant l’évolution de leur motivation, s’il y a lieu. Une fois ces causes connues, lorsqu’il s’agit de causes sur lesquelles les enseignantes et les enseignants ont de l’emprise, nous avons voulu proposer quelques pistes d’intervention à réaliser dans le cadre de leurs pratiques, afin de favoriser la motivation des étudiantes et des étudiants. Plusieurs auteures et auteurs se sont intéressés à la motivation des étudiantes et des étudiants en contexte scolaire. Plusieurs de ces travaux ont permis d’élaborer le cadre théorique de cette étude. Les principaux travaux sur lesquels s’appuie cette étude sont ceux de Viau (2009) ainsi que d’autres auteures et auteurs tels Barbeau, Montini et Roy (1997a et b). Viau (2009) présente dans son ouvrage les différents facteurs qui peuvent influencer ce qu’il appelle la «dynamique motivationnelle» (p. 12). Ces facteurs sont reliés, certes à la classe et à l’école, mais également à la société et à la vie personnelle de l’étudiante et de l’étudiant. Lorsqu’une étudiante ou un étudiant est motivé par rapport à une activité, il s’engage dans cette activité pédagogique et il y persévère. Plus il s’engage et persévère dans une activité, plus il fait les apprentissages visés. Ses chances de réussite scolaire sont ainsi favorisées (Viau 2009). Lors de l’étude, nous avons questionné, au cours d’une même session, les étudiantes et les étudiants de trois cours de biologie via un questionnaire électronique (annexe C), à deux moments dans leur session, au début et à la fin. Le questionnaire porte sur les déterminants de la motivation selon Viau (2007, 2009), à savoir la perception de la valeur des activités pédagogiques, le sentiment de compétence par rapport à la réalisation de ces activités et la contrôlabilité sur le déroulement des activités. Cela nous a permis d’observer qu’en général la motivation de ces individus est suffisamment élevée et que, peu importe le cours, nous observons une diminution de la motivation au cours de la session. Nous avons également constaté que pour le troisième cours de la séquence, Biologie 903, le niveau de motivation est plus faible dès le début de la session par rapport aux deux autres cours. La raison la plus fréquemment invoquée pour justifier cette baisse de motivation est la charge de travail. Cette étude a permis de brosser le portrait de la situation motivationnelle en biologie à cette période et émettre quelques suggestions auprès du corps enseignant afin que celui-ci favorise et maintienne la motivation des étudiantes et des étudiants du programme Soins infirmiers.

Programme d’interventions nutritionnelles centrées sur une alimentation végétale minimalement transformée : évaluation des effets et exploration des déterminants influençant les choix alimentaires chez des adultes à risque de maladies cardiovasculaires

Résumé : Contexte: Les maladies cardiovasculaires (MCV) sont un enjeu contemporain de santé publique. Or, des recherches cliniques démontrent que certaines interventions sont efficaces dans leur traitement et prévention. Il s’agit d’interventions nutritionnelles éducatives priorisant des aliments végétaux minimalement transformés (VMT). Ces interventions promeuvent l’adoption de postures alimentaires se caractérisant par la consommation à volonté d’une grande variété d’aliments d’origine végétale (e.g. légumineuses, céréales entières, fruits, légumes) et par une diminution de la consommation d’aliments d’origine animale (e.g. viandes, œufs et produits laitiers) et ultra-transformés (e.g. riches en sucres, sel ou gras, et faibles en fibres). Objectifs: À l’aide d’un devis mixte concomitant imbriqué, nous avons évalué les effets d’un programme d’interventions éducatives visant à augmenter la consommation de VMT chez des adultes à risque de MCV et exploré les déterminants des modifications comportementales observées. Méthodologie : Divers paramètres physiologiques et anthropométriques ont été mesurés pré-post programme (n = 72) puis analysés avec un test t pour échantillons appariés ou un test signé des rangs de Wilcoxon. D’autre part, 10 entretiens semi-dirigés ont été réalisés post-programme et soutenus par un guide d’entretien basé sur le Food Choice Process Model. Les verbatims intégraux ont été codés selon la méthode d’analyse thématique. Résultats : Après 12 semaines, le poids (-10,5 lb, IC 95 %: 9,0-12,0), le tour de taille (-7,4 cm, IC 95 %:6,5-8,4), la tension artérielle diastolique (-3,2 mmHg, IC 95 %: 0,1-6,3), le cholestérol total (-0,87 mmol/ L, IC 95 %:0,57-1,17), le cholestérol LDL (-0,84 mmol/ L, IC 95 %: 0,55-1,13) et l’hémoglobine glyquée (-1,32 %, IC 95 %:-0,17-2,80) se sont significativement améliorés. L’analyse thématique des données qualitatives révèle que le programme, par la stimulation de valeurs de santé, d’éthique et d’intégrité, favorise la transformation des choix alimentaires vers une posture davantage axée sur les VMT durant une période clé du parcours de vie (i.e. pré-retraite). D’autres déterminants pouvant favoriser l’adoption d’une alimentation VMT ont été identifiés, dont les bénéfices importants observables à court terme, l’absence de restriction à l’égard de la quantité d’aliments VMT et le développement de compétences de planification dans l’acquisition et la préparation des aliments. Conclusion : Une intervention priorisant les VMT permet d’améliorer le profil cardiométabolique d’individus pré-retraités en raison de ses caractéristiques intrinsèques, mais aussi parce qu’elle modifie les valeurs impliquées dans les choix alimentaires.

Crosstalk Between Kinases, Phosphatases And Mirnas In Cancer.

Reversible phosphorylation of proteins, performed by kinases and phosphatases, is the major post translational protein modification in eukaryotic cells. This intracellular event represents a critical regulatory mechanism of several signaling pathways and can be related to a vast array of diseases, including cancer. Cancer research has produced increasing evidence that kinase and phosphatase activity can be compromised by mutations and also by miRNA silencing, performed by small non-coding and endogenously produced RNA molecules that lead to translational repression. miRNAs are believed to target about one-third of human mRNAs while a single miRNA may target about 200 transcripts simultaneously. Regulation of the phosphorylation balance by miRNAs has been a topic of intense research over the last years, spanning topics going as far as cancer aggressiveness and chemotherapy resistance. By addressing recent studies that have shown miRNA expression patterns as phenotypic signatures of cancers and how miRNA influence cellular processes such as apoptosis, cell cycle control, angiogenesis, inflammation and DNA repair, we discuss how kinases, phosphatases and miRNAs cooperatively act in cancer biology.

Water Stress Reveals Differential Antioxidant Responses Of Tolerant And Non-tolerant Sugarcane Genotypes.

The biochemical responses of the enzymatic antioxidant system of a drought-tolerant cultivar (IACSP 94-2094) and a commercial cultivar in Brazil (IACSP 95-5000) grown under two levels of soil water restriction (70% and 30% Soil Available Water Content) were investigated. IACSP 94-2094 exhibited one additional active superoxide dismutase (Cu/Zn-SOD VI) isoenzyme in comparison to IACSP 95-5000, possibly contributing to the heightened response of IACSP 94-2094 to the induced stress. The total glutathione reductase (GR) activity increased substantially in IACSP 94-2094 under conditions of severe water stress; however, the appearance of a new GR isoenzyme and the disappearance of another isoenzyme were found not to be related to the stress response because the cultivars from both treatment groups (control and water restrictions) exhibited identical changes. Catalase (CAT) activity seems to have a more direct role in H2O2 detoxification under water stress condition and the shift in isoenzymes in the tolerant cultivar might have contributed to this response, which may be dependent upon the location where the excessive H2O2 is being produced under stress. The improved performance of IACSP 94-2094 under drought stress was associated with a more efficient antioxidant system response, particularly under conditions of mild stress.

Sob o signo de Darwin? Sobre o mau uso de uma quimera

No ano de 2003 Francisco de Oliveria publicou um artigo intitulado "O Ornitorrinco" no qual fez considerações críticas sobre a conjectura politico-social daquele momento histórico. Tal artigo é permeado por um paralelo entre o evolucionismo darwinista e a visão do autor sobre a sociedade brasileira contemporânea. Entretanto, ao fazer tal analogia ele incorre numa série de equívocos teóricos sobre a teoria evolucionista. Tais equívocos consistem, em grande parte, numa substuição indevida entre aquilo que ficou conhecido como Darwinismo Social e a teoria neodarwinista como entendida pelos seus atuais proponentes. O presente trabalho identifica estes equívocos e os contextualiza dentro da teoria neodarwiniana. Além disso, fazemos um recorte histórico do processo de formação do pensamento evolucionista para enfatizar que a associação entre biologia e darwinismo social é mais complexa do que geralmente se assume.

Piaget segundo seus próprios argumentos

Neste artigo tivemos a intenção de oferecer ao leitor o resumo de um dos aspectos mais importantes da análise estrutural que realizamos, durante décadas, do texto de Jean Piaget, sobretudo as estreitas relações entre a Biologia e a Lógica na construção e na explicação do conhecimento científico. Nesse sentido, procuramos demonstrar que, a partir dos conceitos de implicação significante e de imagem mental criados por Piaget, um novo campo de investigações se abre, a saber, aquele que denominamos como o dos sistemas de significação não lógica, campo de suma relevância e que vem preencher uma secular lacuna entre a razão e a emoção até hoje presente nas pesquisas sobre os fenômenos normais e patológicos do psiquismo.

Spermatophore and Gonopore Morphology of the Southwestern-Atlantic Hermit Crab Pagurus exilis (Benedict, 1892) (Anomura, Paguridae)

Marcelo A. Scelzo, Marina Z. Fantucci, and Fernando L. Mantelatto (2010) Spermatophore and gonopore morphology of the southwestern-Atlantic hermit crab Pagurus exilis (Benedict, 1892) (Anomura, Paguridae). Zoological Studies 49(3): 421-433. The form and function of the spermatophore have been used as a complementary tool in studies of the reproductive biology and systematics of hermit crabs. In this context, we describe the spermatophore and gonopore morphology of Pagurus exilis. The spermatophores were extracted from the distal part of the vas deferens of specimens collected in Argentina and Brazil. The spermatophores were composed of 3 major regions: a main ampulla (with a sperm capsule inside and an accessory ampulla at the base), a stalk, and a pedestal. Each spermatophore had a distinct dorsolateral suture line around the ampulla, where the rupture occurs to release the sperm. The spermatophore total length was 1.5 times the main ampulla length. The main ampulla was oval and slightly flattened. A triangular accessory ampulla extended from the main ampulla base to the pedestal on 1 side, and contained no to several sperm. The stalk is short and flattened, and as wide as the main ampulla. One to 3 spermatophores were found attached to each pedestal, which was almost oblong in shape. The dimensions of the spermatophore and its component parts were directly influenced by the size of the hermit crab. Gonopores of males were covered by long pappose setae, while female gonopores bore a few short cuspidate setae. Specimens from Brazil and Argentina had the same spermatophore morphology, corroborating the previously observed absence of genetic differences between the both populations. The spermatophore morphology of this species has similarities with the broad general pattern of the Paguridae, being most similar to one of the (at least) 3 patterns of spermatophore morphology described for Pa gurus. http://zoolstud.sinica.edu.tw/Journals/49.3/421.pdf

Glycosaminoglycan chains from alpha(5)beta(1) integrin are involved in fibronectin-dependent cell migration

alpha(5)beta(1) integrin from both wild-type CHO cells (CHO-K1) and deficient in proteoglycan biosynthesis (CHO-745) is post-translationally modified by glycosaminoglycan chains. We demonstrated this using [(35)S]sulfate metabolic labeling of the cells, enzymatic degradation, immunoprecipitation reaction with monoclonal antibody, fluorescence microscopy, and flow cytometry. The alpha(5)beta(1) integrin heterodimer is a hybrid proteoglycan containing both chondroitin and heparan sulfate chains. Xyloside inhibition of sulfate incorporation into alpha(5)beta(1) integrin also supports that integrin is a proteoglycan. Also. cells grown with xyloside adhered on fibronectin with no alteration in alpha(5)beta(1) integrin expression. However, haptotactic motility on fibronectin declined in cells grown with xyloside or chlorate as compared with controls. Thus, alpha(5)beta(1) integrin is a proteoglycan and the glycosaminoglycan chains of the integrin influence cell motility on fibronectin. Similar glycosylation of alpha(5)beta(1) integrin was observed in other normal and malignant cells, suggesting that this modification is conserved and important in the function of this integrin. Therefore, these glycosaminoglycan chains of alpha(5)beta(1) integrin are involved in cellular migration on fibronectin.

A regulação endócrina dos balanços de cálcio

RESUMO: As concentrações circulantes de cálcio são notavelmente constantes a despeito das variações diárias na absorção intestinal e na eliminação renal deste elemento. A regulação da calcémia é um sistema complexo que compreende vários factores controladores (a calcémia, a fosforémia, as concentrações circulantes de paratormona (PTH) e calcitriol além de muitos outros factores como hormonas esteróides em geral, outros iões como o magnésio e outros factores hormonais) e vários órgãos alvo (glândulas paratiroideias, osso, rim e intestino). As respostas dos órgãos alvo também são muito variadas. No caso mais simples, a cristalização de sais de cálcio corresponde a uma mudança de fase em que participam moléculas orgânicas que a iniciam, aceleram ou inibem. Em geral a combinação de um factor controlador com o respectivo receptor de membrana (para polipeptídeos ou iões) ou intracelular (hormonas esteróides) é apenas o primeiro passo de uma cadeia bioquímica que introduz uma enorme amplificação na resposta. A esta variedade de mecanismos de resposta correspondem grandes diferenças nos tempos de resposta que podem ser de minutos a semanas. É hoje possível “observar” (medir) com apreciável rigor nos líquidos biológicos (sangue, urina, fezes, etc.) os factores mais importantes do sistema de regulação da calcémia (cálcio, fósforo, paratormona e calcitriol) assim como administrar estes factores em experiências agudas. Esta possibilidade reflecte – se na literatura neste campo que tem vindo a crescer. O advento das técnicas da biologia molecular tem permitido a caracterização molecular de algumas das disfunções da homeostase do cálcio e é de esperar um diagnóstico fisiopatológico cada vez mais rigoroso dessas disfunções. Com o avanço dos conhecimentos nesta área que não cessa de aumentar temos cada vez maiores capacidades para fazer diagnósticos e é cada vez mais difícil interpretar com rigor os correspondentes quadros metabólicos. A análise ou síntese de sistemas complexos é a actividade mais nobre dos engenheiros que lhes permite desenhar pontes, diques, barcos, aviões ou automóveis. Com o aparecimento de computadores de médio ou grande porte foi – lhes possível utilizar descrições matemáticas não só para desenhar sistemas como ainda para interpretar eventuais falhas na sua operação. Essas descrições matemáticas consistem numa sequência de operações realizadas num computador segundo um “programa informático” que receberam a designação genérica de modelos, por analogia com as famosas leis (equações) da física que foram deduzidas a partir de um certo número de postulados e que permitem representar matematicamente processos físicos. As famosas leis de Newton são talvez os exemplos mais famosos de “modelos” de sistemas físicos. A introdução de modelos matemáticos em biologia e particularmente em medicina só se deu recentemente.MÉTODOS No trabalho que aqui se apresenta construiu - se um modelo simplificado da homeostase do cálcio destinado ao cálculo de variáveis observáveis (concentrações de cálcio, fósforo, PTH e calcitriol) de modo a poderem comparar-se valores calculados com valores observados. A escolha dos componentes do modelo foi determinada pela nossa experiência clínica e pela informação fisiopatológica e clínica publicada. Houve a preocupação de construir o modelo de forma modular de modo a ser possível a sua expansão sem grandes transformações na descrição matemática (e informática) já existente. Na sua fase actual o modelo não pode ser usado como instrumento de diagnóstico. É antes uma ferramenta destinada a esclarecer “em princípio” mecanismos fisiopatológicos. Usou – se o modelo para simular um certo número de observações publicadas e para exemplificar a sua eventual aplicação clínica na simulação de situações hipotéticas e na análise de possíveis mecanismos fisiopatológicos responsáveis por situações de hipo ou hipercalcémias. Simultaneamente fez – se uma análise dos dados acumulados relativos a doentes vistos no Serviço de Endocrinologia do Instituto Português de Oncologia de Francisco Gentil – Centro Regional Oncológico de Lisboa, S.A. CONCLUSÕES Numa população de 894 doentes com patologias variadas do Instituto Português de Oncologia de Lisboa os valores da calcémia tiveram uma distribuição normal unimodal com uma média de 9.56 mg/dl, e um erro padrão de 0.41 mg/dl. Estas observações sugerem que a calcémia está sujeita a regulação. A partir dos resultados publicados em que o metabolismo do cálcio foi perturbado por infusões de cálcio, calcitriol ou PTH, de estudos bioquímicos e fisiológicos sobre os mecanismos de acção de factores controladores da calcémia e do estudo do comportamento de órgãos alvo (paratiroideias, intestino, osso e rim) foi possível construir um modelo matemático de parâmetros concentrados do sistema de regulação da calcémia. As expressões analíticas usadas foram baseadas na cinética enzimática de modo a que os seus parâmetros tivessem um significado físico ou fisiológico simples. O modelo revelou apreciável robustez e flexibilidade. É estável quando não perturbado e transita entre estados estacionários quando perturbado. Na sua forma actual gera simulações que reproduzem satisfatoriamente um número apreciável de dados experimentais colhidos em doentes. Isto não significa que possa ser usado como instrumento de diagnóstico aplicável a doentes individuais. O desenho do modelo comporta a adição posterior de novas relações quando surgirem situações para as quais se revele insuficiente. A utilização exaustiva do modelo permitiu explicitar aspectos do metabolismo do cálcio que ou não estão contidas na sua formulação actual – o aparecimento de hipertrofia ou de adenomas das paratiroideias e as alterações na estrutura óssea , a participação de outros factores controladores – magnésio, ou estão insuficientemente descritas – alterações do metabolismo do fósforo nos hipoparatiroidismos. A análise dos dados relativos aos doentes do Serviço de Endocrinologia do IPO permitiu o início da caracterização dos tipos de patologia que representam e de possíveis mecanismos fisiopatológicos subjacentes. Estas observações são o ponto de partida para análises futuras. São exemplos das relações encontradas: a distribuição dos doentes por dois grandes grupos conforme a calcémia é determinada pelas concentrações circulantes de PTH ou estas são determinadas pela calcémia; a distribuição sazonal das concentrações de Vit. D25. no sangue; a correlação negativa entre estas e as concentrações de PTH no sangue. Também foi possível extrair a cinética do controlo da PTH sobre a síntese de calcitriol. O estudo dos níveis circulantes de PTH no pós-operatório imediato de doentes paratiroidectomizados permitiu determinar as suas taxas de degradação metabólica. O modelo permitiu simular as relações Ca/PTH no sangue, Ca/Fracção excretada da carga tubular, Ca/P no sangue para valores normais ou altos de Ca. Foram feitas simulações de situações fisiopatológicas (em “doentes virtuais”): infusões crónicas de cálcio, PTH e calcitriol; alterações no comportamento de receptores. Estas simulações correspondem a experiências que não podem ser realizadas em humanos. São exemplos da utilização do modelo na exploração de possíveis mecanismos fisiopatológicos através da observação de resultados quantitativos inacessíveis à intuição. O modelo foi útil em duas fases do trabalho: Primeiro, durante a sua síntese implicou uma escolha criticamente selectiva de informação, sua análise quantitativa e processamento, uma explicitação rigorosa (analítica) das relações funcionais entre os controladores e as variáveis e da sua integração numa estrutura global; Segundo, a simulação de situações experimentais ou clínicas (dados do Serviço de Endocrinologia do IPO) em doentes obrigou a explicitar raciocínios fisiopatológicos habitualmente formulados em bases puramente intuitivas. Esta prática revelou comportamentos óbvios após as simulações – acção reduzida das infusões PTH (simulação de hiperparatiroidismos primários) enquanto não há inibição total da respectiva secreção, necessidade de aumento da massa secretora da paratiroideia nas insuficiências renais avançadas, etc. A síntese e utilização do modelo não implicaram uma preparação matemática avançada e foram possíveis mercê da disponibilidade de “software” interactivo especificamente desenhado para a simulação de sistemas dinâmicos em que os programas se escrevem em inglês usando a simbologia simples da álgebra elementar. A função nobre de modelos desta natureza é semelhante à dos modelos usados pelos físicos desde o século XVII: permitir explicações de carácter geral funcionando como uma ferramenta intelectual para manipulação de conceitos e para a realização de “experiências pensadas” (“thought experiments”) respeitando certos princípios físicos (princípios de conservação) que estabelecem as fronteiras da realidade. -------ABSTRACT: Calcium blood levels are remarkably constant despite great variations in calcium daily intake, intestinal absorption and renal excretion. The regulation of the calcium concentration in the blood is achieved by a complex system that includes several controller factors (mainly the serum levels of calcium, phosphorus, parathyroid hormone (PTH) and calcitriol but also of steroid hormones, ions such as magnesium and other hormonal factors) and several target organs (parathyroid glands, bone, kidney and intestine). The functional response to the controlling factors obeys a variety of kinetics. The precipitation of calcium salts is a simple phase transition in which organic molecules may provide nucleation centres or inhibit the process. The combination of a controller factor with its receptor located in the cell membrane (for peptides or ions) or in the nucleus (for steroid hormones) is only the first step of a biochemical chain that introduces a huge amplification in the response. To this great variability of response we have to add the times of response that vary from minutes to weeks. It is possible to “observe” (measure) with great accuracy in biological fluids (blood, urine, faeces, etc.) the most important factors intervening in the calcium regulation (calcium, phosphorus, PTH and calcitriol). The response of the system to acute infusions of the controlling factors has also been studied. Using molecular biology techniques it has been possible to characterize some calcium homeostasis dysfunctions and better physiopathological diagnosis are expected. With the increasingly new knowledge in this area we have better capacity to diagnose but it is harder to explain correctly the underlying metabolic mechanisms. The analysis or synthesis of complex systems is the noble activity of engineers that enables them to draw bridges, dams, boats, airplanes or cars. With the availability of medium-large frame computers it was possible to use mathematical descriptions not only to draw systems but also to explain flaws in its operations. These mathematical descriptions are generally known as models by analogy with the laws (equations) of physics that allow the mathematical description of physical processes. In practice it is not possible to find general solutions for the mathematical descriptions of complex systems but (numeric) computations for specific situations can be obtained with digital computers. The introduction of mathematical models in biology and particularly in medicine is a recent event. METHODS In this thesis a simplified model of calcium homeostasis was built that enables the computation of observable variables (concentrations of calcium, phosphorus, PTH and calcitriol) and allows the comparison between the simulation values and observed values. The choice of the model’s components was made according to our clinical experience and to the published clinical and physiopathological data. The model has a modular design that allows future expansions with minor alterations in its structure. In its present form the model cannot be used for diagnosis. It is a tool designed to enlighten physiopathological processes. To exemplify its possible clinical application in the simulation of hypothetical situations and in the analysis of possible mechanisms responsible for hypo or hypercalcemias the model was used to simulate a certain number of published observations. An analysis of clinical and laboratory data from the Endocrinology Department of the Portuguese Cancer Institute (I.P.O.F.G.-C.R.O.L.,S.A.) is also presented. CONCLUSIONS In a population of 188 patients without an identifiable disease of the calcium metabolism at the Portuguese Cancer Institute the calcemia levels had a unimodal distribution with an average of 9.56 mg/dL and a S.E.M of 0.41 mg/dL. This observation confirms that serum calcium is regulated. Using published data; in which calcium metabolism was disrupted by calcium, PTH or calcitriol infusions; from biochemical and physiological studies of the action of controller factors on the calcemia; in which the response of target organs (parathyroid glands, intestine, bone, kidney) was studied it was possible to build a mathematical model of concentrated parameters of the calcium homeostasis. Analytical expressions used were based on enzymatic kinetics. The model is flexible and robust. It is stable when not disturbed and changes between steady states when disturbed. In its present form it provides simulations that reproduce closely a number of experimental clinical data. This does not mean that it can be used as a diagnostic tool for individual patients. The exhaustive utilisation of the model revealed the need of future expansions to include aspects of the calcium metabolism not included in its present form –hypertrophy or adenomas of the parathyroid glands, bone structure changes, participation of other controller factors such as magnesium – or insufficiently described – phosphate metabolism in hypoparathyroidism. The analysis of the data collected from the I.P.O.’s Endocrinology Department allowed the initial characterization of the different pathologies represented and of their possible physiopathological mechanisms. These observations are a starting point for future analysis. As examples of the relations found were: the distribution of patients in two groups according to the dependency of calcium by PTH levels or PTH levels by calcium concentration; the seasonal distribution of the serum concentrations of D25; its negative correlation with PTH concentration. It was also possible to extract the kinetics of the control of the synthesis of calcitriol by PTH. The analysis of immediate post-surgical levels of PTH in parathyroidectomized patients allowed the determination of its metabolic clearance. The model also allowed the simulation of the relations between Ca/PTH in blood, serum Ca/Fraction of tubular load excreted and Ca/P in blood for normal and high values of calcium. Simulations were made of pathological situations (in “virtual patients”): chronic infusions of calcium, PTH and calcitriol; changes in the characteristics of receptors. These simulations are not possible in real persons. They are an example of the use of this model in exploring possible mechanisms of disease through the observation of quantitative results not accessible to simple intuition. This model was useful in two phases: Firstly, its construction required a careful choice of data, its quantitative analysis and processing, an analytical description of the relations between controller factors and variables and their integration in a global structure. Secondly, the simulation of experimental or clinical (I.P.O.’s Endocrinology Department) data implied testing physiopathological explanations that previously were based on intuition. The construction and utilisation of the model didn’t demand an advanced mathematical preparation since user-friendly interactive software was used. This software was specifically designed for the simulation of dynamic systems. The programs are written in English using elementary algebra symbols. The essential function of this type of models is identical to that of those used by physicists since the XVII century which describe quantitatively natural processes and are an intellectual tool for the manipulation of concepts and the performance of “thought experiments” based in certain physical principles (conservation principles) that are the frontiers of reality.------------------RESUMÉE: Les concentrations circulantes de calcium sont constantes même pendant des variations de l’absorption intestinale et de l’élimination rénale de cet élément. La régulation de la calcémie est un système complexe qui comprend plusieurs éléments contrôleurs (la calcémie, la phosphorémie, les concentrations circulantes de l’hormone parathyroïdienne (PTH) e du calcitriol et d’autres comme les hormones stéroïdes ou des ions comme le magnésium) et plusieurs organes (glandes parathyroïdiennes, l’os, le rein et l’intestin). Les réponses de ces organes sont variées. Dans le cas plus simple, la cristallisation des sels de calcium correspond à un changement de phase dans lequel y participent des molécules organiques que la débutent, l’accélèrent ou l’inhibent. Généralement la combinaison d’un élément contrôleur avec leur récepteur de membrane (pour les peptides ou les ions) ou intracellulaire (pour les hormones stéroïdes) n’est que le premier pas d’une chaîne biochimique qu’introduit une grande amplification de la réponse. A cette variété de réponses correspondent des grandes différences des temps de réponses qu’y vont des minuits a semaines. Il est possible « observer » (mesurer) dans les fluides biologiques (sang, urine, fèces, etc.) les éléments plus importants du système de régulation de la calcémie (calcium, phosphate, PTH et le calcitriol) et les administrer en expérimentes aigus. Cette possibilité est visible dans la littérature publiée dans ce domaine qui est en croissance permanente. L’avenir des techniques de biologie moléculaire a permis caractériser des nombreuses dysfonctions de la régulation de la calcémie et on attend un diagnostique physiopathologique de ces dysfonctions chaque fois plus rigoureuses. Les connaissances dans ce domaine s’agrandissent et on a de plus de capacités pour faire des diagnostiques et il est chaque fois plus difficile les interpréter. L’analyse ou synthèse de systèmes complexes est l’activité plus noble des ingénieurs qui les permit dessiner des ponts, bateaux, avions ou automobiles. Avec des ordinateurs de médium ou grand port il les est possible utiliser descriptions mathématiques pour dessiner les systèmes et interpréter des éventuelles fautes d’opération. Ces descriptions mathématiques sont une séquence d’opérations réalisées dans un ordinateur selon « un programme informatique » qui ont reçu la désignation générique de modèles, pour analogie avec les équations de la physique qui ont été déduits d’un nombre de postulées et qu’ont permit représenter des processus physiques en équations mathématiques. Les fameuses équations de Newton sont peut-être les exemples plus connus des systèmes physiques. L’introduction des modèles mathématiques en biologie et en particulier en médecine est un évènement récent. Dans ce travaille, on a construit un modèle simplifié de l’homéostasie du calcium pour calculer les variables observables (concentrations de calcium, phosphate, PTH et calcitriol) pour les comparer. Les choix des components a été déterminés par notre expérience clinique et par l’information physiopathologique et clinique publiée. Le modèle a été construit de façon modulaire ce que permit leur postérieur expansion sans des grandes altérations dans la description mathématique et informatique déjà existante. Dans cette forme le modèle ne peut être utilisé comme un instrument de diagnostique. Il est un outil pour éclairer la physiopathologie. Le modèle a été utilisé pour simuler un certain nombre d’observations publiées et pour exemplifier leur possible utilisation clinique dans la simulation des hypothèses et de la physiopathologie des situations d’hypo ou hypercalcémie. On a fait une analyse des éléments des procès cliniques des malades observées dans le Service d’Endocrinologie de l’IPOFG-CROL, SA. Dans une population de 894 malades avec des différentes pathologies les valeurs de calcémie on une distribution uni modale avec une Médie de 9.56 mg/dL et une erreur standard de 0.41 mg/dL. Ces observations suggèrent que la calcémie soit sujette de régulation. En utilisant des résultats de travaux publiés dans lesquels le métabolisme du calcium a été changé par des infusions de calcium, calcitriol ou PTH, des études biochimiques et physiologiques sur des mécanismes d’action des éléments contrôleurs de la calcémie et de l’étude du comportement des organes cible (parathyroïdes, intestin, rein, os), il a été possible de construire un modèle mathématique de paramètres concentrés du système de régulation de la calcémie. Les expressions analytiques utilisées ont été basées sur la cinétique enzymatique de façon à que les paramètres aient eu une signification physique ou biologique. Le modèle est stable quand il n’est pas perturbé et transit entre états stationnaires quand il est sujet a des perturbations. A ce moment il fait des simulations qui reproduisent de façon satisfaisant un nombre d’observations expérimentales. La construction du modèle permit l’addiction de nouvelles relations dans les cas ou il est insuffisant. L’utilisation exhaustive du modèle a permit expliciter des aspects du métabolisme du calcium qui y ne sont pas compris – l’hyperplasie ou la formation des adénomes des parathyroïdes, les altérations de la structure des os, la participation d’outres éléments régulateurs (magnésium), ou sont insuffisamment décrites – les altérations du métabolisme des phosphates dans l’hypoparathyroidism. L’analyse de l’information des malades du Service d’Endocrinologie a permit caractériser les pathologies représentées et leurs possibles mécanismes physiopathologiques. Ces observations sont le point de départ pour les analyses futures. Sont des exemples des relations trouvées: la distribution des malades par deux groupes: ceux dans lequel la calcémie est déterminée par la PTH ou ceux dans lesquels la PTH est déterminée par la calcémie; la distribution sazonale de la concentration de la vitamine D; la corrélation négative entre la vitamine D et la PTH. On a eu la possibilité de déduire la cinétique de control de la PTH sur la synthèse du calcitriol. L’étude des niveaux circulants de PTH sur des sujets parathyroidectomisées a permit déduire leur taux de dégradation métabolique. Le modèle a permit simuler les relations Ca/PTH dans le sang, Ca/fraction éliminée par le rein, Ca/P dans le sang pour des valeurs normales ou hautes de calcium. On a fait des simulations de situations physiopathologiques (dans “malades virtuelles”): Infusions chroniques de calcium, PTH ou calcitriol; altérations des récepteurs. Ces simulations ne peuvent pas être réalisées dans les humains. Sont des exemples d’utilisation du modèle dans l’exploration des possibles mécanismes de la physiopathologie en observant des résultats quantitatifs inaccessibles à l’intuition. Le modèle a été utile pendant deux étapes des travaux: La première, dans sa construction on a choisi l’information disponible, son analyse quantitative, l’explicitation rigoureuse (analytique) des relations fonctionnelles entre les contrôleurs et les variables et sa intégration dans une structure globale. La deuxième, la simulation de situations expérimentales ou cliniques (du Service d’Endocrinologie) a obligé d’expliciter des raisonnements physiopathologiques généralement formulés utilisant l’intuition. Cette pratique a montré des comportements – action réduite des infusions de PTH (jusqu’à l’inhibition totale de leur respective sécrétion), nécessité d’augmenter la masse sécréteuse de la parathyroïde dans les insuffisants rénales, etc. La synthèse et utilisation du modèle n’ont pas besoin d’une formation avancée en mathématique et sont possibles grâce à un programme interactif qui a été conçu pour la simulation des systèmes dynamiques dans lesquels le programme se construit en anglais en utilisant la symbolique élémentaire de l’algèbre. La fonction noble de ces modèles est semblable à celles des physiques du XVII siècle: Permettre établir explications générales en fonctionnant comme un outil intellectuel pour manipuler des concepts et pour la réalisation d’expérimentes pensées en respectant certains principes de la physique (principe de la conservation) qu’établissent les frontières de la réalité.

Annales de la Société Linnéenne de Lyon.

n.s. t. 1 (1853)

Annales de la Société Linnéenne de Lyon.

n.s. t. 2 (1855)

Annales de la Société Linnéenne de Lyon.

n.s. t. 5 (1858)