Dictaat Fysiologie
Erik Meijer
Introductie
Fysiologie is de wetenschap van een goed functionerend lichaam. Verstoringen in de humane
fysiologie leiden tot het ontstaan van aandoeningen (pathofysiologie). De werking van individuele
organen goed te begrijpen is het nodig om hun anatomie te kennen. Om geneesmiddelen te kunnen
ontwikkelen is het nodig om goed te snappen hoe processen werken. Er wordt hierbij gekeken naar
verschillende niveaus: moleculair → eiwit → cel → weefsel → orgaan → orgaanstelsel → organisme.
Homeostase
Homeostase is een geïntegreerd begrip in de fysiologie. Homeostase is een gecoördineerd
fysiologisch proces die de staat van een organisme zo constant mogelijk probeert te houden. Er kan
onderscheid gemaakt worden tussen actieve en passieve processen.
Claude Bernard (1813-1878) was de eerste die de hypothese stelde dat wanneer de conditie binnen een cel
stabiel is de conditie van het lichaam ook stabiel is. Walter Cannon (1871-1945) was de eerste die de term
homeostase introduceerde. Arthur Guyton (1919-2003) was de eerste die onderscheid maakte tussen actieve en
passieve processen om homeostase te bewerkstelligen.
Homeostase begint bij de cel. Het celmembraan is erg belangrijk voor homeostase. Deze zorgt er
namelijk voor dat er niets zomaar vanuit de buitenwereld binnen kan komen. Processen zoals
diffusie, endocytose, exocytose en specifieke transporteiwitten zijn essentieel om homeostase te
bewerkstelligen. Het lichaam bestaat uit allerlei gespecialiseerde orgaansystemen die bijdragen om
de interne omgeving binnen de normale limieten te houden. Het hele lichaam draagt bij aan de
optimale situatie in de cel.
Homeostase bestaat niet uit vaste waarden, de conditie van het lichaam is dynamisch. Er zijn echter
wel limieten waar het lichaam tussen moet blijven voor homeostase. Die limieten hebben vaak maar
een klein bereik en zodra het lichaam over die limieten heen komt dan spreken we van
pathofysiologie. Homeostase is essentieel voor optimale functie van het lichaam.
Glucose homeostase is een voorbeeld van een
homeostatisch proces. Er spelen twee hormonen een rol
bij het reguleren van homeostase, namelijk insuline en
glucagon. Wanneer het bloedglucose level stijgt ten
opzichte van de normale 90 mg glucose per 100 ml bloed,
dan wordt de pancreas gestimuleerd om insuline te
produceren en insuline zorgt ervoor dat glucose
opgenomen worden in spiercellen. Daarnaast wordt
glucose omgezet in glucogeen voor opslag in de lever.
Wanneer glucose niveaus te laag worden dan wordt de
pancreas gestimuleerd om glucagon te produceren en dit
hormoon zet glucogeen weer om in glucose (zie
afbeelding hiernaast).
1
,Wat ook erg belangrijk is, is de
homeostase van vloeistoffen in
het lichaam. Vocht komt in het
lichaam door drankjes, voedsel
en oxidatie. Vocht gaat het
lichaam uit door urine en
zweet. Wanneer er meer wordt
gedronken en er dus te veel
vloeistof in het lichaam is, dan
wordt de urine output
gestimuleerd. Wanneer er te
weinig vloeistof in het lichaam
aanwezig is dan wordt een
dorstig gevoel gestimuleerd (zie
afbeelding hiernaast).
Het behouden van het volume en samenstelling van lichaamsvocht is essentieel voor homeostase.
Lichaamsvochten worden gedefinieerd als waterige oplossingen die opgeloste stoffen bevatten
zowel binnen als buiten de cel. Intracellulair lichaamsvocht (ICF) is de vloeistof binnen cellen en die
heeft een hoog kalium-ion gehalte. Extracellulair lichaamsvocht (ECF) is de vloeistof buiten cellen en
heeft een hoog natrium-ion gehalte. Het ECF kan opgedeeld worden in plasma en interstitiële
vloeistof (ISF). ISF is de vloeistof tussen weefsel. De meeste vloeistof zit in de cellen (2/3) en een
kleiner gedeelte er buiten (1/3). Plasma is verantwoordelijk voor de toevoer en afvoer van
nutriënten. De voedingsstoffen bewegen vanuit het plasma naar het interstitiële vloeistof en vanaf
hier gaan de voedingsstoffen de cel in en uit. De compositie van het ECF is niet constant, maar
verandert aan de hangt van de samenstelling.
Wanneer er een afwijking is in de gezondheid van een persoon, dan worden verschillende
homeostatische processen gemeten, zoals bloeddruk, hartslag, voedingsstoffen, etc. De homeostase
staat constant onder druk. Dit kunnen fysische indrukken zijn zoals intense hitte of een gebrek aan
zuurstof. Dit kunnen ook veranderingen zijn in de interne omgeving, zoals een te laag
glucosegehalte. Ook fysiologische stress heeft invloed op de homeostase, zoals stress. De
afwijkingen kunnen mild en tijdelijk zijn,
maar ook intens en langdurend.
Afwijkingen buiten het acceptabele
bereik worden gecorrigeerd door
negatieve en positieve feedback
regulatie.
Wanneer er een onbalans optreedt in
de homeostase dan wordt deze
verandering gedetecteerd door een
receptor. Deze receptor stuurt via een
bepaalde weg informatie naar het
controlecentrum. Dit controlecentrum
stuurt de informatie door naar een
effector. Deze effector heeft invloed op
de homeostasebalans en verwijdert de
onbalans (zie afbeelding hiernaast).
2
,Negatieve feedback geeft correctie in de tegenovergestelde richting als de afwijking. De begrippen
die belangrijk zijn bij dit proces zijn dus:
- Variabele: alles wat verandert en gemeten kan worden
- Set-point: optimale waarde
- Deviatie: afwijking van het set-point
- Correctie: effector compenseert de afwijking
Positieve feedback promoot de verandering in de richting van de afwijking om verder van het set-
point af te liggen. Dit gebeurt vaak alleen bij ziekte, maar er zijn ook situaties waarbij dit een gezond
mechanisme, zoals bevalling. Uiteindelijk moet positieve feedback weer gecorrigeerd worden door
positieve feedback.
Bij bevalling dan drukt het hoofd van het
kind tegen de baarmoederwand aan van de
moeder en deze wordt gestimuleerd en er
gaat een impuls naar de hersenen. De
hersenen stimuleren productie van oxytocine
waardoor de baarmoederwand gaat
samentrekken. Het hoofdje van de baby
wordt nog dichter bij de baarmoederwand
aangedrukt, wat leidt tot nog meer
oxytocine. Dit is een vorm van positieve
feedback. Zodra de baby geboren is kickt de
negatieve feedback direct in.
Feedbacksystemen hebben communicatie nodig. Deze communicatie kan via hormonen verlopen en
via neuronen. Effecten van neuronen zijn snel en via hormonen zijn wat langzamer. Neuronen
dragen signaal over door middel van neurotransmitters. Hormonen worden gevormd in klieren. Bij
neuronen is het signaal elektrisch en heeft het synapsen met een specifiek en lokaal doelwit.
Hormonen komen in heel het lichaam terecht en hebben soms een algemeen effect en soms een
specifiek effect. Neuronen zijn snel met een responstijd van 1-10 milliseconden en hormonen hebben
een responstijd in orde van seconden tot soms zelfs dagen. Het effect van neuronen stopt ook vlug
terwijl de effecten van hormonen lang duren nadat de stimulus gestopt is.
Receptoren zijn lichaamsstructuren die veranderingen in een gecontroleerde situatie monitoren. De
receptoren zenden input naar het controlecentrum. Een voorbeeld is het einde van een zenuw in de
huid die een signaal geeft als er sprake is van temperatuurverandering. De hersenen zijn het
controlecentrum. Het controlecentrum bepaald hoe erg de waardes mogen afwijken, evalueert de
input ontvangen van de receptoren en genereert een output. Deze output kan in de vorm van
zenuwimpulsen en hormonen zijn. De effector ontvangt de output van het controlecentrum en
produceert een respons of een effect die de conditie verandert. Deze effectoren zijn in vrijwel elk
orgaan en weefsel terug te vinden.
Homeostase kost veel energie. Het is een erg complex systeem, want een enkele feedback heeft vaak
effect op meerdere processen, daarnaast werken feedbacks nooit alleen. Feedbackmechanismen
kunnen synergistisch werken (samenwerken) of antagonistisch werken (tegenwerken). Er is veel
overmaat in ons lichaam aanwezig betreft alle homeostatische processen.
3
,Set-points kunnen ook veranderen, zo kan bijvoorbeeld de set-point voor temperatuur veranderen.
De normale temperatuur bij mensen is 37oC. Er zijn meerdere soorten organismen, namelijk de
poikilothermen (koudbloedigen) en de homeothermen (warmbloedigen). De koudbloedigen
investeren geen energie in het constant houden van hun lichaamstemperatuur, terwijl
warmbloedigen dit wel doen. De lichaamstemperatuur van mensen varieert met de tijd van de dag,
relatief hoog overdag en relatief laag ’s nachts. Ook varieert onze temperatuur bij fysieke inspanning.
De menstruatiecyclus heeft ook invloed op de lichaamstemperatuur. De leeftijd van een persoon
heeft ook invloed op de temperatuur, bijvoorbeeld baby’s kunnen zichzelf nog niet zo goed constant
houden.
Het verliezen van warmte gebeurt op verschillende manieren.
De meeste hitte gaat verloren door het uitstralen ervan (60%).
Daarnaast kan er ook conductief hitte verloren gaan door een
vast voorwerp aan te raken (normaal gesproken minimaal). Er
kan ook conventief hitte kwijtgeraakt worden door contact te
hebben met een vloeistof. Als laatste wordt er ook hitte door
verdamping van zweet kwijtgeraakt (zie afbeelding hiernaast).
De reden dat er zoveel methoden nodig zijn om hitte kwijt te
raken is, omdat hitte een bijproduct is van cellulaire oxidatie om
energie te produceren. Onze spieren produceren ongeveer 25%
van onze lichaamswarmte, lever en andere buikorganen
ongeveer 50% en onze hersenen ongeveer 15%.
Wanneer het lichaam niet meer in staat is om homeostase in
temperatuur te bereiken, dan spreken we bij een te hoge
temperatuur van hyperthermie (vb. bij lange blootstelling aan
hitte en hoge luchtvochtigheid) en bij een te lage temperatuur
van hypothermie (vb. bij lange blootstelling aan koud water).
Om de temperatuur te meten zijn er periferale thermische
receptoren (aan de huid) en centrale thermische censoren (in de kern). De hersenen zijn een
centrale regulator in het proces. Wanneer het lichaam blootgesteld wordt aan kou dan worden er
mechanismen geactiveerd waardoor je gaat trillen, het bloed trekt weg van de huid door
vasoconstrictie (vernauwing van bloedvaten) en je krijgt kippenvel. Hierdoor wordt warmte beter
vastgehouden. Bij hitte trekt er meer bloed naar de huid toe door vasodilatie (vaatverwijding) om
hitte kwijt te raken en het lichaam begint te zweten waardoor je afkoelt. Daarnaast wordt beweging
zoveel mogelijk vermeden, dus je wordt loom. Hieronder staat een tabel van de consequenties van
afwijkingen van de normale lichaamstemperatuur.
4
, Bij een zonnesteek stijgt de temperatuur dusdanig dat de vaten heel erg wijd zijn. De hersenen en
het hard worden niet goed meer doorbloedt waardoor mensen het bewustzijn verliezen. Het bloed
gaat bij deze temperatuur stollen en er verspreiden zich bloedpropjes door het lichaam. De spieren
worden afgebroken en uiteindelijk falen de lever en de nieren.
Hyperthermie kan ook ontstaan door sporten.
Sport verhoogd de energieproductie waardoor er
ook meer energie verloren gaat. Bij intens
sporten kan het echter mogelijk zijn dat het
lichaam niet in staat is om genoeg te zweten om
al de hitte af te voeren die het eigenlijk kwijt zou
moeten zijn. Dit veroorzaakt dat het lichaam gaat
oververhitten. In dit geval is er geen verandering
in de set-point. Het lichaam beseft zich dat de
temperatuur te hoog is, maar het zweten is
simpelweg op maximale capaciteit (zie grafiek
hiernaast).
Bij hyperthermia geïnduceerd door koorts (hyperpyrexia), is er wel sprake van een veranderd set-
point. Dit wordt veroorzaakt door zogenaamde pyrogenen. Dit kunnen exogene pyrogenen, zoals LPS
dat in de celwand van bacteriën, maar ook stoffen in het lichaam zelf zijn in reactie op een bacterie
of virus. Pyrogenen is in staat om de bloed-breinbarrière te overschrijden. De BBB is een goede
bescherming van de hersenen en laat maar weinig stoffen door. LPS zorgt dat de hersenen een stof
vrijlaten die de set-point in temperatuur verhogen. Je lichaam gaat trillen zodat tijdelijk de
temperatuur omhooggaat. Zodra de infectie is opgeruimd begin je met zweten en de koorts ‘breekt’.
Dat is het moment waarbij de set-point weer naar een normaal niveau gaat (zie grafiek hieronder).
En soms gebruikt het lichaam een constante verandering van de set-point.
Koorst kan verminderd worden door het innemen van COX-inhibitors. COX is verantwoordelijk voor
de productie van de factoren die het set-point veranderen (PGE2). Asparine is bijvoorbeeld een COX-
inhibitor. Hierdoor gaat de set-point weer (meer) naar de standaard set-point toe.
5
