Regeling

Homeostase: wie regelt wat

Homeostase is het constant houden van het inwendig milieu — het bloedplasma, de weefselvloeistof en de lymfe rondom je cellen — terwijl het uitwendig milieu alle kanten op schommelt. Wat constant moet blijven: temperatuur, pH, osmotische waarde, glucosegehalte en de gehalten aan zuurstof en koolstofdioxide.

Twee stelsels doen het werk, en ze vullen elkaar aan. Het zenuwstelsel meet met zintuigen en receptoren en stuurt in milliseconden bij, maar kortdurend. Het hormoonstelsel gebruikt het bloed als postbode: trager, maar het effect houdt lang aan.

De uitvoerders zijn organen. De longen regelen de gaswisseling, de nieren water en zouten, de lever de glucose en de afbraak van aminozuren, en de huid de warmteafgifte.

Bouw en functie van de regelende organen

Elk orgaan is gebouwd voor zijn rol in de homeostase. De nier heeft haarvatenkluwens onder hoge druk voor de filtratie en lange buisjes om terug te halen wat bruikbaar is; daarmee stelt hij de waterhuishouding en de osmotische waarde bij.

Het bloed heeft zijn eigen buffer: hemoglobine en waterstofcarbonaat vangen vrijkomende waterstofionen op, zodat de pH nauwelijks verschuift als de koolstofdioxidedruk stijgt.

Meten gebeurt met receptoren op de juiste plek. Chemische receptoren volgen de samenstelling van het bloed — pCO2, pO2, pH, glucoseconcentratie — en drukreceptoren in de aortawand meten de bloeddruk. Zonder die metingen valt er niets bij te sturen.

De regelkring

Elke regeling heeft dezelfde vorm: een receptor meet, een regelcentrum vergelijkt de meting met de norm, en een effector stelt bij. Het effect komt via de receptor weer terug bij het begin — vandaar kring.

Bij negatieve terugkoppeling remt het effect de oorzaak, zodat de waarde terugveert naar de norm. Zo werkt vrijwel alle homeostase: het glucosegehalte, de temperatuur, de ademhaling.

Positieve terugkoppeling doet het omgekeerde: het effect versterkt de oorzaak en het proces jaagt zichzelf op. Dat is zeldzaam en altijd tijdelijk, want er moet een duidelijk eindpunt zijn — weeën die eindigen bij de geboorte, of een bloedstolsel dat af is.

Verstoring van het evenwicht

Een dynamisch evenwicht is geen stilstand: de waarde schommelt voortdurend, maar aanvoer en afvoer houden elkaar gemiddeld in balans.

Dat evenwicht raakt verstoord als één schakel van de regelkring uitvalt. Meet de receptor niet meer, ontbreekt het hormoon, of reageert het doelwitorgaan niet — bijvoorbeeld doordat de receptor ongevoelig is geworden — dan loopt de waarde weg. Tegengaan kan door de ontbrekende schakel aan te vullen of door de belasting te verlagen; bij welke van de twee dat het meest oplevert, moet je kijken waar de kring precies breekt.

Hoe een hormonale regelkring werkt

Een hormoon is een signaalstof die endocrien wordt afgegeven: rechtstreeks aan het bloed, zonder afvoerbuis. Dat is het verschil met exocriene afgifte, waarbij het product via een buis naar een holte of naar buiten gaat.

Het hormoon komt overal, maar werkt alleen waar cellen de bijbehorende hormoonreceptor hebben — het doelwitorgaan. De reactie hangt onder meer af van hormoonconcentratie, aantal en gevoeligheid van receptoren en de toestand van de doelwitcel.

Vaak zit er een keten voor: de hypothalamus geeft een releasing hormoon af, de hypofyse reageert met een eigen hormoon, en pas de klier daaronder levert het hormoon dat het werk doet. Het eindproduct remt de stappen erboven weer af — negatieve terugkoppeling over drie niveaus.

De hormoonklieren en hun hormonen

De hypothalamus koppelt zenuwstelsel aan hormoonstelsel; de hypofyse eronder is de stuurklier die schildklier, bijnier en geslachtsklieren aanzet.

Daaronder zit de rest, elk met een eigen taak. De schildklier regelt met schildklierhormoon de snelheid van de stofwisseling. Het bijniermerg levert adrenaline, dat het lichaam in één keer klaarzet voor inspanning. De eilandjes van Langerhans in de alvleesklier houden met insuline en glucagon het bloedsuikergehalte tussen nauwe grenzen. De nier geeft bij zuurstoftekort EPO af, waarop het beenmerg meer rode bloedcellen maakt. Eierstok en teelbal leveren de geslachtshormonen, en het verteringskanaal zijn eigen verteringshormonen.

Waar het hormoon aangrijpt hangt af van zijn bouw: op een receptor in het celmembraan, of op een receptor binnen in de cel.

Signalen ontvangen

Een cel merkt een signaalstof pas op als hij de bijpassende receptor heeft. Past het signaal, dan volgt een respons: een enzym dat aanslaat, een kanaal dat opengaat, of een gen dat wordt afgelezen.

Zit de receptor in het membraan, dan komt het signaal zelf de cel niet in. Het wordt binnen overgenomen door een second messenger, die op zijn beurt een signaalcascade in gang zet — een reeks stappen waarbij elke stap de volgende activeert. Onderweg wordt het signaal steeds groter, zodat één hormoonmolecuul aan de buitenkant duizenden reacties binnenin kan opleveren.

Twee soorten respons

Waar een hormoon aangrijpt, hangt af van of het door het celmembraan komt.

Een peptidehormoon bestaat uit aminozuren en komt er niet doorheen. Het bindt aan een receptor in het celmembraan, en het signaal gaat binnen verder via een tweede boodschapper. Het effect grijpt in op wat er al in het cytoplasma klaarligt, en is er dus snel — maar het houdt ook kort aan.

Een steroïdhormoon is vetachtig en gaat wél door het membraan heen. Het bindt aan een receptor in het cytoplasma, waarna het complex naar de kern gaat en daar genen aan- of uitzet. Dat kost tijd, want er moet eerst eiwit gemaakt worden, maar het effect blijft veel langer hangen.

Celcommunicatie op grotere schaal

Celcommunicatie blijft niet bij de cel. Doordat cellen elkaar aansturen, kan een weefsel als geheel reageren, kunnen organen op elkaar afgestemd raken en kan het hele organisme zich aanpassen aan wat er buiten gebeurt.

Je ziet dat aan wat er misgaat als het hapert. Reageren cellen niet meer op insuline, dan loopt niet alleen die ene cel maar de hele glucosehuishouding van het lichaam uit de pas. Wat op moleculair niveau begint, is op organismeniveau een ziektebeeld.

Bouw van het zenuwstelsel

Het zenuwstelsel valt in twee delen uiteen. Het centrale zenuwstelsel is hersenen plus ruggenmerg; het perifere bestaat uit alle zenuwen daarbuiten, die de verbinding maken met receptoren, spieren en klieren.

De grote hersenen hebben een sterk geplooide schors met centra die elk hun eigen taak hebben: zien, horen, gevoel, spraak, beweging. De kleine hersenen stemmen bewegingen op elkaar af en bewaken evenwicht en houding. De hersenstam regelt ademhaling, hartslag en bloeddruk, en het ruggenmerg geeft signalen door en handelt eenvoudige reacties zelf af.

Waar veel cellichamen bij elkaar liggen is het weefsel grijs, waar uitlopers met myeline lopen wit. Daarnaast is er een indeling naar functie: het animale deel stuurt bewust de skeletspieren aan, het autonome deel regelt de organen buiten je wil om. Binnen dat autonome deel zet het orthosympatische zenuwstelsel het lichaam klaar voor inspanning.

Van prikkel naar reactie

Een prikkel is een verandering die een receptor kan opmerken, en elke receptor is gevoelig voor één soort: een temperatuurreceptor voor warmte of kou, een lichtreceptor voor licht, een tastreceptor voor druk en aanraking, een pijnzenuw voor beschadiging.

Is de prikkel sterk genoeg, dan ontstaat er een impuls. Die is altijd even sterk; hoe krachtiger de prikkel, hoe hoger de frequentie en hoe meer zenuwcellen meedoen.

De route ligt vast. Een sensorisch neuron brengt de impuls naar het centrale zenuwstelsel, schakelneuronen verwerken hem daar, en een motorisch neuron brengt de opdracht naar een spier of klier. De uitlopers zijn vaak omwikkeld door cellen van Schwann, die samen de myelineschede vormen; door de insnoeringen daarin springt de impuls vooruit en gaat hij veel sneller. Het parasympatische deel stuurt intussen alles aan wat met rust te maken heeft.

Regelkringen en reflexen

Een regelkring meet, vergelijkt en stuurt bij. Een receptor levert de waarde, een centrum vergelijkt die met de norm en een effector corrigeert het verschil. Het resultaat komt weer bij de receptor terecht, en daarmee is de kring rond.

De reflexboog is daarvan de kortste uitvoering. De impuls loopt van receptor via een sensorisch neuron naar het ruggenmerg of de hersenstam, bij bijvoorbeeld een terugtrekreflex via schakelneuronen naar een motorisch neuron, en meteen terug naar de spier. Voor het op gang brengen van deze reflex is bewuste verwerking in de grote hersenen niet nodig. Bij een rekreflex kan het sensorische neuron ook rechtstreeks een motorisch neuron activeren: je hand is al teruggetrokken voordat je de pijn voelt.

Wat er in zo'n schakeling gebeurt, hangt af van de binnenkomende signalen. Exciterende signalen brengen de volgende cel dichter bij haar prikkeldrempel, inhiberende juist verder ervandaan. De cel telt alles bij elkaar op en vuurt pas als het saldo de drempel haalt.

Signaalverwerking in de zenuwcel

In rust is de binnenkant van het membraan negatief ten opzichte van de buitenkant: de rustpotentiaal. Concentratieverschillen en selectieve doorlaatbaarheid, vooral voor kalium, bepalen de rustpotentiaal. De natrium/kalium-pomp houdt de ionengradiënten met ATP in stand.

Haalt een prikkel de prikkeldrempel, dan slaat het verschil kort om — de actiepotentiaal. Die is altijd even sterk: sterkere prikkels leveren geen grotere impuls op, maar een hogere frequentie. Direct erna volgt de refractaire periode, waarin de cel niet opnieuw kan reageren; daardoor loopt de impuls maar één kant op.

De impuls wekt zichzelf steeds een stukje verderop op. Bij een uitloper met myeline springt hij van insnoering naar insnoering, en dat gaat veel sneller. In de synaps neemt een neurotransmitter het over, die exciterend of inhiberend kan werken.

Communiceren over korte en lange afstand

Cellen hebben voor elke afstand een andere manier. Naast elkaar gaat het rechtstreeks, bijvoorbeeld via gap junctions die kleine stoffen en signalen van cel naar cel doorlaten. Niet alle celverbindingen hebben deze functie. In de buurt gebeurt het met stoffen als cytokinen, die vooral bij afweer en ontsteking het werk verdelen.

Over grote afstand zijn er twee routes. De zenuwcel legt een vaste lijn aan naar precies één plek en is razendsnel. Het hormoon gaat met het bloed overal heen en bereikt alle cellen die de juiste receptor hebben — trager, maar in één keer overal.

Spieren, gewrichten en beweging

Een skeletspier is met pezen verbonden aan botten. Als de spier verkort, trekt zij aan een bot en ontstaat beweging rond een gewricht. Een spier kan actief trekken, maar niet duwen. Voor tegengestelde bewegingen werken daarom antagonisten samen, zoals een buigspier en een strekspier. Het skelet vormt een hefboom; de plaats van de aanhechting beïnvloedt de benodigde kracht.

Spiervezels bevatten actine- en myosinefilamenten. Door cyclische binding en loslating schuiven de filamenten langs elkaar. De filamenten zelf worden niet korter. Een zenuwsignaal activeert de spiervezel; calcium maakt de bindingsplaatsen beschikbaar en ATP is nodig voor de cyclus en het herstel van de calciumverdeling. Meer kracht ontstaat onder meer door meer motorische eenheden tegelijk te activeren.

Skeletspieren worden aangestuurd via motorische neuronen. Glad spierweefsel zit bijvoorbeeld in de darmwand en werkt grotendeels onbewust; hartspierweefsel heeft een eigen ritmische activiteit. Bij inspanning nemen ATP-verbruik en warmteproductie toe. Bloedsomloop, ventilatie en temperatuurregeling moeten daardoor samen reageren. Spiervermoeidheid heeft meerdere oorzaken; lactaat is geen verklaring voor alle vermoeidheid of voor spierpijn dagen later.