HC2: Homeostase en de vitale orgaansystemen

Algemene informatie

• Welke onderwerpen worden behandeld in het hoorcollege?
  • In dit college worden enkele basisbegrippen en feiten omtrent homeostase en fysiologie besproken
• Welke onderwerpen worden besproken die niet worden behandeld in de literatuur?
  • Alle onderwerpen in dit college worden ook behandeld in de literatuur
• Welke recente ontwikkelingen in het vakgebied worden besproken?
  • Er zijn geen recente ontwikkelingen besproken
• Welke opmerkingen worden er tijdens het college gedaan door de docent met betrekking tot het tentamen?
  • Er zijn geen opmerkingen over het tentamen gemaakt
• Welke vragen worden behandeld die gesteld kunnen worden op het tentamen?
  • Er zijn geen mogelijke vragen behandeld

Wat is fysiologie en homeostase?

Vitale parameters zijn:

• Ademhaling
• Temperatuur
• Bloeddruk
• Polsfrequentie

Fysiologie:

Fysiologie is de bestudering van vitale functies van het lichaam, bijvoorbeeld:

• Hoe functioneren individuele organen
• Hoe werken deze samen?
• Welke interacties spelen zich zowel binnen als tussen de organen af?

Het is een bestudering van de integratie van processen op moleculair, cellulair, orgaan en organismaal niveau.

Homeostase:

Homeostase is het aanpassen/constant houden van belangrijke biologische parameters die ervoor zorgen dat een organisme normaal kan functioneren in variabele toestanden. 

Hierbij moet de parameter worden aangepast aan de heersende omstandigheden, waarvan een aantal in dit blok aan bod komen:

• Bloeddruk en circulerend bloedvolume
• Bloedsamenstelling (pH, gassen, elektrocyten)
• Osmolaliteit en celvolume

Orgaansystemen

3 orgaansystemen dragen bij aan de homeostase:

• Cardiovasculair systeem
  • Aan- en afvoer van brandstof en andere bestanddelen die nodig zijn om de samenstelling van cellen en extracellulaire ruimte te optimaliseren
• Ademhalingssysteem
  • Afvoer van CO₂ en aanvoer van voldoende O₂
  • Filtratie van bloed
  • Verzorging van enkele metabole functies
• Nieren en urinewegen
  • Verwijderen afval àregelen de bloedsamenstelling
  • Volumeregulatie en osmoregulatie

De orgaansystemen moeten uitwisseling kunnen hebben met het externe milieu. De 3 orgaansystemen werken samen:

• Interactie van het cardiovasculaire systeem met het ademhalingssysteem: zorgt voor de aanvoer van zuurstof en voedingsstoffen naar de cellen van de longen àademhaling is circulair àcirculaire drukverandering in de bloedvaten
• Interactie van de longen met het cardiovasculaire systeem: de longen zorgen voor de aanvoer van zuurstof en de afvoer van CO₂ in het hart
• Interactie van het ademhalingssysteem met de nieren: de nieren hebben zuurstof nodig om te kunnen werken
• Interactie van de nieren met het ademhalingssysteem: zorgt voor pH regulatie en verwijdering van (schadelijke) afvalstoffen uit het bloed

Er moet een verband zijn tussen:

• "Metabolic rate": 2000 kcal/dag
  • Koolhydraten: 4 kcal/gram → 1 L O₂ nodig
  • Vet: 9 kcal/gram → 2 L O₂ nodig
  • Eiwit: 4 kcal/gram → 1 L O₂
  • Per liter zuurstof wordt 5 kcal verbrand → per dag is 400 liter zuurstof nodig
• "Respiratory rate": 15 ademhalingen per minuut
  • 400 ml lucht per ademhaling
    • 15/min x 400 ml → 6 L lucht/min
    • 6 x 24 x 60 L lucht/dag = 8000 L lucht/dag
  • 25% van het volume van lucht bestaat uit zuurstof → er wordt 8000 liter lucht per dag geademd
• "Heart rate": 60 slagen per minuut
  • Binnengeademde zuurstof moet via het cardiovasculaire systeem afgegeven worden aan weefsels, zodat substraten verbrandt kunnen worden
  • Zuurstof wordt gebonden aan hemoglobine en door het bloed getransporteerd
    • Arterieel bloed: 100% O₂ saturatie door hemoglobine
      • 150 gram Hb/L bloed met Hb O₂ capaciteit 1,36 ml O₂/gram Hb → 150 x 1,36 = 200 mL O₂ per liter
    • Niet al het zuurstof wordt afgegeven aan de organen → in het veneuze bloed zit ook nog O₂
      • O₂ saturatie in veneus bloed is ongeveer 75% → 150 ml O₂/L bloed
  • Cardiac output: hartfrequentie x slagfrequentie
    • 5 L/min x 50 ml O₂/L = 250 ml O₂/min
      • Per dag is er dus 250 ml x 60 x 24 = 360 L O₂

Kenmerkende eigenschappen van homeostase

Homeostase wordt op twee manieren bereikt:

• Intrinsiek: autoregulatie → verandering in de directe omgeving leidt tot aanpassing
  • Weefselhypoxie in vitale organen leidt tot vasodilatatie
• Extrinsiek: d.m.v. het centrale zenuwstelsel en endocriene systeem
  • Inspanning: gaat vergezeld met toename van het hartminuutvolume, minuutventilatie en vasoconstrictie in de tractus digestivus

Regelsystemen:

Er zijn verschillende soorten regelsystemen betrokken bij de homeostase:

• Open: geen terugkoppeling
  • Er is een ingangssignaal waarna een proces als reactie plaatsvindt →het uitgangssignaal wordt veranderd
• Gesloten: met terugkoppeling (bijv. longventilatie)
• Negatieve terugkoppeling
• Positieve terugkoppeling
  • Feed forward
  • Er is sprake van een “kring”:
  • Er is een streefwaarde (bijv. een pH-waarde die gewenst is)
  • Een comparator/vergelijker vergelijkt een waarde op een bepaald moment met de streefwaarde
  • Er vindt een correctiesignaal en een proces plaats
  • Het uitgangssignaal/resultaat wordt via een sensor teruggekoppeld naar de comparator
  • Na het proces kan een verstoring optreden

De output van het controlerende systeem is de input van het gecontroleerde systeem. De output van het gecontroleerde systeem is de input van het controlerende systeem. 

Componenten van het terugkoppelsysteem:

Een feedback systeem heeft een aantal componenten:

1. Een stimulus produceert veranderingen in een variabele
2. De verandering wordt gedetecteerd door een receptor of sensor
3. Via afferente paden wordt de informatie verzonden naar een controlecentrum → input
4. Vanaf het controlecentrum wordt de informatie via efferente paden vervoerd naar een effector → output
5. Om de omvang van de stimulus te beïnvloeden koppelt de responsie van de effector terug → de variabele wordt teruggedrongen naar homeostase

Overige kenmerken:

Verdere kenmerken voor homeostase zijn:

• Feed forward: een vooruitmelding of een dreigende onbalans → geen verstoring, maar een anticipatie
  • Bij inspanning moeten bepaalde waarden constant blijven → er worden anticiperende signalen verzonden om ervoor te zorgen dat dit gebeurt
• Redundantie: meerdere regelmechanismen voor de regulatie van één parameter
  • Een apparaat kan zijn uitgevoerd met meervoudig aanwezige onderdelen, zodat het goed blijft functioneren als een onderdeel defect raakt
  • Gegevens kunnen redundant (dubbel of drievoudig) worden opgeslagen
  • Bij het in standhouden van het effectief circulerend volume spelen zeer veel organen en orgaansystemen een belangrijke rol
• Steady state: een stationaire toestand → als men in de tijd kijkt, ziet men geen verandering
  • Er kan een equilibrium of een non-equilibrium zijn
  • Er is en equilibrium als de krachten die op een bepaald proces werken elkaar opheffen
  • Een situatie van steady state met equilibrium kost geen energie, een situatie met non-equilibrium kost wel energie
  • Er is geen evenwicht bij het verschil tussen de intra- en extracellulaire concentraties op het gebied van natrium- en kaliumionen → om de concentraties in stand te houden is een natrium/kaliumpomp nodig die energie verbruikt
  • Er is evenwicht tussen inspanning en zuurstofgebruik

Er is een hiërarchie tussen de regelsystemen, waardoor competitie ontstaat. Zo heeft bij een ernstige bloeding de bewaking van het effectief circulerend bloedvolume een hogere prioriteit dan de handhaving van de osmolaliteit.

Adaptatie en aanpassingsvermogen

Alle parameters moeten aangepast kunnen worden aan veranderingen, zoals bij de adaptatie aan hoogte:

1. De longen zorgen voor toename van ventilatie → de partiële druk van CO₂ verlaagt
2. De nieren zorgen voor een toename aan EPO → de hoeveelheid hemoglobine stijgt en hiermee ook de hematocriet (hoeveelheid rode bloedcellen in het bloed) en het plasmavolume daalt
3. Het hart past het hartminuutvolume en de concentratie van atriaal natriuretisch peptide (ANP) aan
   • Dit hormoon heeft een direct effect op de natriumresorptie in de nieren

Aanpassing is niet altijd in dienst van de homeostase. Zo zorgt remodelering van het hart bij een hartinfarct voor verminderde doorbloeding en functieverlies, terwijl het bij inspanningstraining juist zorgt voor een verhoogde doorbloeding en functie.