Cellen en weefsels. 1.1 Kenmerken van het leven

Transcriptie

1 Cellen en weefsels 1 Binnen de humane biologie worden de volgende twee wetenschappelijke disciplines onderscheiden: fysiologie: leer der verrichtingen. Deze wetenschap bestudeert de verrichtingen van het menselijk lichaam en de functies van de verschillende onderdelen. Dankzij de recente ontwikkelingen op het gebied van microbiologie en biochemie ontwikkelt de fysiologie zich snel met als gevolg het ontstaan van steeds weer nieuwe onderzoeks- en behandelingsmethoden. anatomie: ontleedkunde. Deze wetenschap houdt zich bezig met het bestuderen van de bouw van het menselijk lichaam. Zij beschrijft hoe organen ten opzichte van elkaar zijn gelegen, hoe de bloedvoorziening van deze organen verloopt, enzovoort. Veel anatomische kennis is verkregen door het bestuderen van stoffelijke overschotten. Deze kennis vormt de basis voor onder andere het lichamelijk onderzoek. Aangezien functie en bouw van het lichaam nauw met elkaar samenhangen zijn ook de fysiologie en anatomie sterk met elkaar verbonden. Als eerste worden in dit hoofdstuk de kenmerken van het menselijk lichaam als organisme beschreven. Daarbij speelt de homeostase een belangrijke rol. Vervolgens wordt ingegaan op de kleinste levende eenheden van het menselijk lichaam: de cellen. Cellen met dezelfde functie vormen weefsels. Ten slotte komt in dit hoofdstuk de algemene topografie aan bod. 1.1 Kenmerken van het leven Bij de elementaire functies van de levende organismen, en dus ook van de mens, worden de volgende kenmerken onderscheiden: metabolisme (stofwisseling): dit is het proces waarbij bepaalde stoffen worden omgezet in andere stoffen met als doel het verrichten van een of andere vorm van arbeid (fysieke arbeid in spieren, elektrische arbeid in hersenen, chemische arbeid in groei, enzovoort). Ook de functies van het opnemen van stoffen, zoals voedsel en zuurstof, en het uitscheiden van afbraakproducten zijn kenmerken van het leven; ze zijn nodig om de stofwisselingsprocessen in het lichaam mogelijk te maken. Het metabolisme bestaat uit twee afzonderlijke deelprocessen: katabolisme en anabolisme. Onder katabolisme wordt verstaan het uit- BSL - ALG_A4_1KMM

2 1 Cellen en weefsels 21 eenvallen van grote moleculen in kleinere moleculen. Hiervan is bijvoorbeeld sprake bij de spijsvertering in het maag-darmkanaal, maar ook tijdens de verbrandingsprocessen in de cellen. Onder anabolisme wordt het totaal van alle opbouwreacties verstaan. Als grondstoffen voor het anabolisme worden tussenproducten van het katabolisme gebruikt. Zo worden de spiereiwitten bijvoorbeeld gemaakt uitgaande van aminozuren, die bij de vertering van het voedsel ontstaan; groei: hierbij treedt een volumevergroting van het lichaam op doordat in het lichaam zelf nieuwe bouwstenen worden gevormd. Groei vindt plaats nadat met behulp van bepaalde stofwisselingsprocessen de hiertoe benodigde stoffen, zoals voedsel en zuurstof, vanuit de omgeving zijn opgenomen; voortplanting: hierbij neemt het aantal individuen toe, wat noodzakelijk is voor het voortbestaan van de soort; adaptatie: dit is het vermogen om zich aan te passen aan veranderde levensomstandigheden, bijvoorbeeld de toename van het aantal erytrocyten (rode bloedcellen) bij een verblijf in een omgeving met een relatief lage zuurstofspanning (hooggebergte); prikkelbaarheid: dit is het vermogen om te reageren op prikkels vanuit de buitenwereld of vanuit het menselijk lichaam zelf; prikkelverwerking: de inwendige reacties blijven vaak niet beperkt tot een bepaalde plaats, maar kunnen door het gehele lichaam worden doorgegeven en verwerkt; beweging; het lichaam en de lichaamsonderdelen veranderen van vorm en plaats. Bij al deze functies is er ook nog een onderscheid in animale en vegetatieve functies. Animale functies zijn functies die het lichaam in staat stellen te reageren op plotselinge veranderingen van de omgeving, zoals prikkelbaarheid, prikkelverwerking en beweging. Vegetatieve functies zijn functies die de groei, de ontwikkeling en het voortbestaan van het individu en de soort mogelijk maken. Hiertoe behoren: opname van voedsel en zuurstof, celstofwisseling, uitscheiding, groei en voortplanting. 1.2 Hiërarchische opbouw De cel is de kleinste levende zelfstandige eenheid waaruit het organisme is opgebouwd. Het is de fundamentele bouwsteen van het menselijk lichaam. Bij meercellige organismen, zoals de mens, is er sprake van een sterke specialisatie van de cellen, dat wil zeggen dat de aanvankelijk uniforme cellen zich geleidelijk op verschillende wijzen hebben ontwikkeld met het oog op een bepaalde functie, waartoe ze tevens een bepaalde vorm hebben gekregen. Een groep cellen met dezelfde vorm en functie heet een weefsel, bijvoorbeeld spierweefsel en zenuwweefsel. Meestal bevat een weefsel een karakteristieke tussencelstof. Een orgaan is opgebouwd uit verschillende, samenwerkende weefsels, BSL - ALG_A4_1KMM

3 22 Medische fysiologie en anatomie waardoor het geheel een bepaalde functie uitoefent. Het hart zorgt bijvoorbeeld voor de circulatie van het bloed. Een orgaanstelsel bestaat uit een groep samenwerkende organen belast met het uitvoeren van een bepaalde functie; het spijsverteringsstelsel bijvoorbeeld wordt gevormd door mond, oesofagus (slokdarm), maag, darmen, pancreas, lever en galblaas. Het menselijk lichaam, dat uit verschillende samenwerkende orgaanstelsels is opgebouwd, wordt een organisme genoemd. 1.3 Het menselijk lichaam als eenheid Als gevolg van specialisatie van de cellen van het menselijk lichaam kan niet iedere cel alle functies uitoefenen; hij is van andere delen van het organisme afhankelijk. Voor deze onderlinge samenhang en voor de coördinatie van functies van verschillende organen en orgaanstelsels zijn transport en regulatie nodig. Zuurstof en voedsel worden vanuit de omgeving in het lichaam opgenomen en via het bloedvatstelsel naar de cellen getransporteerd. Vanuit de cellen worden afbraakproducten óf via het lymfevatstelsel óf rechtstreeks door het bloedvatstelsel naar de uitscheidingsorganen vervoerd. Deze zorgen er op hun beurt voor dat de afbraakproducten uit het lichaam worden verwijderd. Het reguleren geschiedt door het zenuwstelsel en het hormoonstelsel. Het zenuwstelsel en het hormoonstelsel zorgen voor de integratie van de verrichtingen van de organen en de orgaanstelsels; deze stelsels laten alle organen en orgaanstelsels op de juiste wijze samenwerken. Ook het op een doeltreffende en snelle wijze reageren op veranderingen in de buitenwereld wordt door deze stelsels geregeld. Het zenuwstelsel is in staat om signalen met hoge snelheid door het gehele lichaam te sturen waardoor de werking van de organen (bijvoorbeeld hart en longen) plotseling versneld of vertraagd wordt. Het hormoonstelsel werkt langzamer, wat verklaard kan worden door het feit dat de hormonen, die door speciale hormoonklieren of bepaalde weefsels worden afgescheiden, via het bloed elders in het lichaam hun regulerende werking uitoefenen. In veel gevallen hebben de hormonen een stimulerende werking op bepaalde organen homeostase Met homeostase (homeostase = gelijk blijven) wordt aangeduid het streven van het lichaam naar het constant houden van het inwendige milieu van het lichaam, waartoe ook het bloed behoort. Alle systemen in het lichaam (ademhaling, spijsvertering, uitscheiding, enzovoort) veroorzaken veranderingen in dit inwendige milieu. Doordat deze systemen ook elkaar beïnvloeden worden deze veranderingen meestal snel weer gecorrigeerd. Het zenuwstelsel en het hormoonstelsel spelen hierbij een belangrijke rol. Twee voorbeelden maken het principe van homeostase duidelijk. Iemand die gaat sporten produceert meer koolstofdioxide (CO 2 ) door de toegenomen verbranding. Vrijwel onmiddellijk neemt dan de stroomsnelheid van het bloed toe (het hart gaat sneller kloppen) om BSL - ALG_A4_1KMM

4 1 Cellen en weefsels 23 dit CO 2 naar de longen af te voeren. Ook wordt de ademhaling gestimuleerd zodat het CO 2 daarna kan worden uitgeademd. Door dit compensatiemechanisme zal de CO 2 -concentratie in het bloed maar beperkt stijgen. Na een maaltijd wordt er veel glucose in het bloed opgenomen. Vrijwel direct reageert het lichaam op deze verandering met de productie van insuline. Dit hormoon stimuleert onder andere de opname van glucose in cellen, waardoor de concentratie in het bloed weer normaliseert. In dit boek zal op een groot aantal plaatsen aandacht worden geschonken aan processen die van belang zijn voor de homeostase. In dit hoofdstuk worden in dit verband de vochtbalans, de elektrolytenbalans en de regulatie van de ph besproken. Vochtbalans De hoeveelheid water die dagelijks bij volwassenen moet worden opgenomen, bedraagt gemiddeld 2,1 liter. Dit gebeurt via dranken en vast voedsel. Daarnaast wordt er per etmaal nog ongeveer 0,4 l oxidatiewater geproduceerd tijdens het verbrandingsproces in de cellen. De opgenomen hoeveelheid moet gelijk zijn aan de hoeveelheid vocht die dagelijks met de urine, zweet, feces en via uitademing het lichaam verlaat. Er is sprake van een zogenaamde waterbalans of vochtbalans. Via de huid verdampt ml water ongemerkt door uitwaseming. Het totale waterverlies is afhankelijk van de omgevingstemperatuur. Bij warm weer of zware arbeid verliest het lichaam door zweet meer vocht (tabel 1.1). Tabel 1.1 Vochtbalans. vochtverlies normale temperatuur warm weer langdurige zware arbeid huid 350 ml 350 ml 350 ml luchtwegen 350 ml 250 ml 650 ml feces 100 ml 100 ml 100 ml zweet 200 ml 1500 ml 5000 ml urine 1500 ml 1300 ml 600 ml totaal 2500 ml 3500 ml 6700 ml Het lichaam van een jongvolwassene bevat 60% water en 40% vaste stof. Een persoon met een gewicht van 70 kg heeft dus ongeveer 42 liter water. Bij een vochtbalans van 2,5 liter per etmaal zet een volwassene dus ongeveer 6% (2,5/42) van de totale hoeveelheid water om. Anders gezegd: in ruim zestien dagen is al het lichaamswater ververst. Van de 42 liter water in het lichaam van een volwassene is ongeveer 70% intracellulair (30 liter) en de overige 12 liter bevindt zich extracellulair: 3 liter bloedplasma en 9 liter weefselvocht (interstitieel vocht). BSL - ALG_A4_1KMM

5 24 Medische fysiologie en anatomie Het percentage water in het lichaam varieert sterk met de leeftijd: een zuigeling bevat ongeveer 75% water, een bejaarde 45 tot 50%. Hiermee moet bij de dosering van geneesmiddelen rekening worden gehouden. Ook de wateromzet varieert per leeftijdscategorie: een baby van zes maanden oud heeft een gewicht van 7 kg. De totale hoeveelheid lichaamswater is dan ongeveer 4,6 liter. Op deze leeftijd is de vochtbalans ongeveer 1 liter per etmaal, ofwel 22% van het lichaamswater. Anders gezegd: deze baby ververst in vijf dagen de totale hoeveelheid lichaamswater: driemaal zo snel als een volwassene. Het risico op uitdroging is daarom bij jonge kinderen veel groter dan bij volwassenen. De vochtbalans is sterk gekoppeld aan de elektrolytenbalans (zie volgende paragraaf). Water speelt in het lichaam een veelzijdige rol: bouwstof (het cytoplasma bestaat voor 75% uit water), oplosmiddel en transportmiddel. Water speelt bovendien een belangrijke rol bij de warmteregulatie door transpiratie en is dan ook te beschouwen als de koelvloeistof bij uitstek. Omgekeerd vervoert het water de warmte van de plaats waar het wordt geproduceerd (lever, spieren) naar de plaatsen waar warmte nodig is om het lichaam op temperatuur te houden. Om een te hoge concentratie van afvalstoffen in het bloed ( uremie, zie intermezzo 1.1) te voorkomen moet een volwassene ten minste 400 ml urine per etmaal produceren. In de praktijk wordt een veilige ondergrens van 1000 ml voor een volwassene aangehouden. Bij de regeling van de vochtbalans spelen enkele hormonen een belangrijke rol. Deze zullen in andere hoofdstukken uitgewerkt worden. Intermezzo 1.1 Verstoorde vochtbalans Wanneer de vochtbalans is verstoord heeft dit ernstige gevolgen voor de lichaamsfuncties. Een vochtverlies van 10% is al zeer ernstig; wanneer het vochtverlies meer dan 20% bedraagt, kan dit dodelijk zijn. Bij sterk vochtverlies zullen de nieren minder urine produceren om het evenwicht zoveel mogelijk te kunnen handhaven. Bij extreem vochtverlies (bijvoorbeeld door een massale bloeding) kan de productie van urine zelfs geheel stoppen. Dit wordt anurie genoemd. Het gevolg is dat de concentratie van allerlei afvalstoffen in het bloed stijgt, met ernstige consequenties ( uremie ). Een te groot watergehalte in het lichaam is eveneens schadelijk. Dit kan bijvoorbeeld het gevolg zijn van het (meestal onder dwang) in korte tijd drinken van grote hoeveelheden water (hyperhydratie). Waterintoxicatie kan ook het gevolg zijn van een overmatige afgifte van het hormoon ADH (zie hoofdstuk 7). Hierdoor ontstaat waterretentie en als gevolg daarvan hyponatriëmie. Als gevolg hiervan ontstaat een osmotische gradiënt BSL - ALG_A4_1KMM

6 1 Cellen en weefsels 25 tussen de bloedvaten in de hersenen en de liquor waardoor hersenoedeem kan optreden. In gevorderde gevallen kan dit leiden tot verwardheid, convulsies en eventueel coma. Elektrolytenbalans De mens moet dagelijks een bepaalde hoeveelheid mineralen (zouten) opnemen. In de fysiologie wordt liever de term elektrolyten gebruikt omdat de zouten in oplossing altijd in ionen (geladen deeltjes) zijn gesplitst. Er zijn positieve ionen (kationen), zoals H +, Na +, K + en Ca 2+, en negatief geladen ionen (anionen), zoals Cl - (chloride) en HCO 3 - (bicarbonaat). De nieren (zie hoofdstuk 5) hebben een belangrijke invloed op de elektrolytenbalans. Bepaalde elektrolyten heeft het lichaam slechts in beperkte hoeveelheden nodig. Deze worden sporenelementen of micro-elementen genoemd. Voorbeelden zijn fluor, jood, koper, zink en kobalt. De functie van de elektrolyten kan in het kort als volgt worden samengevat: bouwstof: bijvoorbeeld calcium- en magnesiumzouten in de botten en ijzer als bouwsteen van hemoglobine (Hb) in de erytrocyten (zie paragraaf 2.1.5); osmolariteit: dit begrip slaat op het evenwicht dat moet bestaan in de samenstelling van lichaamsvloeistoffen (bloed, lymfe, weefselvocht) en cytoplasma (zie paragraaf 1.6.2); bestanddelen van hormonen en enzymen: voorbeelden hiervan zijn jood in de schildklierhormonen T 3 en T 4, koper, kobalt en ijzer die betrokken zijn bij talrijke enzymfuncties; impulsgeleiding; spiercontractie. In hoofdstuk 10 is de functie van de elektrolyten uitgebreider beschreven. ph Van alle deeltjes die in het bloed voorkomen is het waterstofion (H + ) het kleinst en het agressiefst. Waterstofionen kunnen met praktisch alle organische verbindingen reageren, waarbij veel schade kan worden aangericht. Het is daarom van het grootste belang dat de concentratie waterstofionen in het bloed constant wordt gehouden. Zuur In de scheikunde wordt onder een zuur verstaan: een stof die waterstofionen kan afstaan. Bekende voorbeelden van zuren zijn: zoutzuur, zwavelzuur, azijnzuur en fosforzuur. De chemische formule van zoutzuur is HCl, een verbinding van waterstof en chloor. Wanneer zoutzuur in water wordt opgelost, zullen alle moleculen zich splitsen in waterstofionen en chloride-ionen. Een dergelijk zuur wordt een BSL - ALG_A4_1KMM

7 26 Medische fysiologie en anatomie sterk zuur genoemd. De splitsing van zoutzuur kan als chemische reactie als volgt worden weergegeven: HCl? H + + Cl - Azijnzuur (hier weergegeven als HAc) is een voorbeeld van een zwak zuur. Dat betekent dat niet alle azijnzuurmoleculen zich splitsen. Een deel van moleculen blijft als HAc in de oplossing. Dit wordt als volgt weergegeven: HAc $ H + + Ac - Wanneer oplossingen van zoutzuur en azijnzuur van gelijke sterkte met elkaar worden vergeleken, zullen er dus in de zoutzuuroplossing meer H + -ionen voorkomen dan in de azijnzuuroplossing. In zuiver water komen vrijwel geen gesplitste moleculen en dus ook bijna geen H + -ionen voor. Zuiver water is dus te beschouwen als een zeer zwak zuur. Helaas is aan de formule van een stof niet af te lezen of een stof een sterk zuur is of niet. Zo heeft glucose de formule C 6 H 12 O 6. Toch is glucose in het geheel niet zuur, omdat de waterstofatomen onlosmakelijk in het molecuul gebonden zijn. Base Een base is een stof die H + -ionen kan binden. Een voorbeeld van een base is een oplossing van natriumhydroxide (natronloog). De hydroxide-ionen binden waterstofionen volgens de reactie: OH - + H +? H 2 O Hydroxide is een sterke base, dat wil zeggen: vrijwel alle aanwezige waterstofionen worden gebonden. Een voorbeeld van een zwakke base is fosfaat. De reactie van fosfaat (PO 4 3- ) met waterstofionen wordt dan geschreven als: PO H + $ HPO 4 2- Oplossing Een oplossing is zuur als in die oplossing meer H + -ionen voorkomen dan in zuiver water. Dit kan alleen maar als er een zure stof in het water is opgelost die H + -ionen heeft afgestaan. Een oplossing is basisch of alkalisch als er minder H + -ionen in voorkomen dan in zuiver water. Dit kan alleen maar als er in het water een basische stof is opgelost, immers die stof heeft H + -ionen uit het water gebonden. Om aan te geven of een oplossing zuur dan wel basisch is, is de grootheid ph ingevoerd. De ph van zuiver water is precies gelijk aan 7,0. Een zure oplossing heeft een ph die kleiner is, een basische oplossing heeft een ph die groter is dan 7,0. Hoe lager de ph, hoe zuurder de oplossing (= hoe meer waterstofionen). Een oplossing van zoutzuur heeft dus een lagere ph dan een vergelijkbare oplossing van azijnzuur. De ph-schaal is een logaritmische schaal. Dit betekent dat in een oplossing met een ph van 6,0 tienmaal zoveel waterstofionen voorkomen als in een oplossing met een ph van 7,0. BSL - ALG_A4_1KMM

8 1 Cellen en weefsels 27 De ph van arterieel bloed (dus in de slagaders) ligt altijd tussen 7,35 en 7,45. Arterieel bloed is dus licht-alkalisch. Bij een ph lager dan 7,35 zijn er zoveel meer H + -ionen in het bloed dat eiwitten beschadigd kunnen raken. Een dergelijke situatie wordt een acidose genoemd. Bij een ph groter dan 7,45 (alkalose) worden er juist H + -ionen van de bloedeiwitten afgehaald. Ook dit is al heel snel levensbedreigend. Buiten de arteriële bloedbaan kan de ph wel buiten de grenzen van 7,35 en 7,45 komen. Een bekend voorbeeld is de ph in de maag. Door de aanwezigheid van zoutzuur bedraagt deze ongeveer 2,0. Bij de verbrandingsprocessen in het lichaam ontstaan voortdurend zuren. De belangrijkste zijn koolzuur en melkzuur. De volgende factoren voorkomen dat de ph van het bloed, ondanks de vorming van deze zuren, te veel gaat veranderen: ph-buffers; dit zijn stoffen die bij een verandering van de concentratie waterstofionen in het bloed de ph constant kunnen houden. Zij zijn opgebouwd uit moleculen, die zowel H + -ionen kunnen afgeven als opnemen. Wanneer het bloed te zuur dreigt te worden fungeren zij als base. Wanneer de ph van het bloed dreigt te stijgen, geven zij juist H + -ionen af. De belangrijkste buffers in het bloed zijn fosfaat, bicarbonaat, plasma-eiwitten en hemoglobine; ademhaling; bij de uitademing wordt koolstofdioxide weer uit het bloed verwijderd; urineproductie; een overschot aan H + -ionen kan met de urine geloosd worden. De nieren zijn bovendien in staat om bij een acidose extra bicarbonaat te vormen en aan het bloed af te geven. Dit bicarbonaat bindt het overschot aan H + -ionen. Intermezzo 1.2 Acidose en alkalose Op basis van de oorzaak worden acidose en alkalose ingedeeld in respiratoire en non-respiratoire ( metabole ) vormen. Een respiratoire acidose komt voor bij patiënten met ademhalingsproblemen. Zij zijn niet meer in staat om alle CO 2 uit te ademen. De concentratie hiervan in het bloed zal stijgen en de ph zal dus dalen. De patiënt zal dit proberen te compenseren door sneller en dieper adem te halen en meer zuur via de nieren te lozen. Na 24 uur gaan de nieren bicarbonaat produceren. Deze base wordt aan het bloed afgegeven waardoor de acidose verder wordt gecompenseerd. Een respiratoire alkalose is meestal het gevolg van een te snelle ademhaling (hyperventileren). Een metabole acidose komt onder andere voor bij diabetici omdat hun stofwisseling zogenaamde ketozuren vormt. Deze patiënten hebben een opvallende snelle ademhaling om de ph te corrigeren (Kussmaul-ademhaling). Hierdoor is de concentratie van koolstofdioxide lager dan normaal. Samenvattend: een acidose in combinatie met een hoge concen- BSL - ALG_A4_1KMM

9 28 Medische fysiologie en anatomie tratie van koolstofdioxide wijst op een respiratoire oorzaak, de combinatie met een lage concentratie koolstofdioxide duidt op een (gedeeltelijk gecompenseerde) metabole vorm. Een metabole alkalose kan optreden bij langdurig braken of bij het gebruik van bepaalde diuretica ( plaspillen ). Het lichaam verliest dan te veel waterstofionen. 1.4 De fundamentele eenheid van het lichaam: de cel De cel vormt de kleinste fundamentele eenheid van leven, zowel wat bouw en structuur als wat werking en functie betreft. Het is de kleinste levende bouwsteen van het menselijk lichaam. De leer van de cel wordt cytologie genoemd bouw en functie van cellen De buitenste begrenzing van een menselijke cel wordt gevormd door een celmembraan. Dit is anders dan bij plantencellen en bacteriën. Deze laatste organismen leven vaak in een voor hen vijandige omgeving. Als bescherming ligt er daarom om het celmembraan nog een tweede laag: de celwand. De werking van antibiotica als penicilline is erop gebaseerd, dat deze middelen de celwand afbreken. Omdat deze bij menselijke cellen niet voorkomt zijn deze niet gevoelig voor dit middel. Het binnenste van de cel wordt gevormd door een waterige oplossing, het cytoplasma, met daarin een groot aantal bestanddelen, de zogenaamde organellen. Organellen zijn celstructuren met een bepaalde functie: werkplaatsen van de cel. Het cytoplasma zelf bestaat vooral uit water (75%) met daarin opgelost zouten, eiwitten, koolhydraten en vetten. De eiwitten hebben onder andere belangrijke enzymfuncties. Hier volgt een bespreking van de bouw en functie van het celmembraan en de belangrijkste organellen (afbeelding 1.1 en 1.2). Afbeelding 1.1 Schematische voorstelling van een cel met daarin de algemeen voorkomende organellen. actinefilamenten ruw endoplasmatisch reticulum poriën celmembraan centriool met microtubuli peroxisoom nucleolus kern vesikel golgi-complex glad endoplasmatisch reticulum lysosoom mitochondriën intermediaire filamenten BSL - ALG_A4_1KMM

10 1 Cellen en weefsels Afbeelding 1.2 Een cel, elektronenmicroscopisch (vergroting ). 1 celkern 2 kernmembraan 3 celmembraan 4 golgi-apparaat 5 glad endoplasmatisch reticulum 6 mitochondriën 7 celkern 8 lysosoom 9 ruw endoplasmatisch reticulum Celmembraan Het celmembraan wordt ook wel aangeduid als plasmamembraan. De basisstructuur is een dubbele laag fosfolipiden (afbeelding 1.3). Fosfolipidenmoleculen hebben een vetoplosbaar en een wateroplosbaar deel. De moleculen rangschikken zich zo, dat de vetoplosbare delen naar elkaar toe wijzen en de wateroplosbare naar buiten, naar het cytoplasma en de vloeistof buiten de cel. Op deze manier vormt het celmembraan een barrière voor wateroplosbare stoffen. Vetoplosbare stoffen, zoals vetoplosbare hormonen, kunnen wel door het celmembraan diffunderen. Voor bepaalde stoffen als glucose, water en aminozuren zijn specifieke carriers in het celmembraan aanwezig. Deze carriers hebben een eiwitstructuur. Soms vormen deze eiwitten simpelweg een kanaal door het membraan, soms werken zij als een pomp. In dit laatste geval kunnen zij ten koste van energie stoffen tegen de concentratie in vervoeren, dat wil zeggen van een lage naar een hoge concentratie. Dan is er sprake van actief membraantransport. Het leefmilieu van de cel is het waterige milieu rondom de lichaamscellen: het weefselvocht (andere benamingen daarvoor zijn: interstitieel vocht, intern milieu, weefselvloeistof en intercellulaire vloeistof). Dit heeft vrijwel dezelfde samenstelling als bloedplasma en varieert dus, bijvoorbeeld na een maaltijd. Door de selectieve opname van voedingsstoffen is het milieu in de cel veel constanter. Naast fosfolipiden en eiwitten vormt cholesterol de derde bouwsteen van celmembranen. Cholesterol geeft stevigheid aan het celmembraan, vooral in membranen van zenuwcellen. Het celmembraan bezit soms uitstulpingen: microvilli (borstelzoom) BSL - ALG_A4_1KMM

11 30 Medische fysiologie en anatomie Afbeelding 1.3 Structuur van het celmembraan volgens het vloeibaar mozaïekmodel. De bimoleculaire lipidenlaag bevat allerlei eiwitten. glycocalix glycoproteïne glycolipide extracellulair integraal eiwit dubbele fosfolipidenlaag cytoplasma integraal eiwit filamenten van cytoskelet cholesterol perifeer eiwit intracellulair (zie paragraaf en afbeelding en 10.16). Deze vergroten het oppervlak en daardoor het resorberend vermogen van de cel. Kern De kern (nucleus) is omgeven door het kernmembraan dat het kernplasma (nucleoplasma) omsluit. Het kernmembraan is een dubbelmembraan met poriën, waardoor direct contact mogelijk is tussen de kern en het cytoplasma. In het kernplasma (protoplasma van de kern) bevinden zich het chromatine en een of meer kernlichaampjes (nucleoli). Het chromatine, bestaande uit eiwitten en DNA, is een fijnkorrelige structuur, die zich gemakkelijk laat kleuren. Voorafgaand aan kerndeling ontstaan uit het chromatine de chromosomen. De celkern is de drager van de aanleg voor de erfelijke eigenschappen: de genen. Doordat de genen uiteindelijk bepalen welke eiwitten en dus ook welke enzymen er in het cytoplasma ontstaan, vervult de kern in de cel de functie van regulator van de levensverrichtingen, dat wil zeggen van de stofwisseling in de organellen, bijvoorbeeld de synthese van eiwitten (o.a. enzymen) en de verbranding. De kern speelt ook een belangrijke rol bij de celdeling, doordat celdeling wordt voorafgegaan door kerndeling. Endoplasmatisch reticulum Het endoplasmatisch reticulum (ER) is een gesloten netwerk (reticulum) van holten en kanalen, gelegen in het cytoplasma. Het wordt begrensd door twee dicht tegen elkaar liggende membranen, die een voortzetting zijn van het eveneens uit twee lagen bestaande kernmembraan. Wanneer zich aan de buitenzijde van het endoplasmatisch reticulum ribosomen bevinden, wordt gesproken van ruw endoplasmatisch reticulum. De ribosomen komen ook vrij in het cytoplasma voor. Het zijn bolvormige tot ovaalvormige structuren die betrokken zijn bij de eiwitsynthese. Het inwendige kanalensysteem van het ER dient voor het transport van eiwitten die op het oppervlak zijn gesynthetiseerd. Glad endoplasmatisch reticulum, dat geen ribosomen bevat, speelt een rol in de synthese van vetten en steroïden in de cel. Het vormt tevens een overgang naar het golgi-apparaat. BSL - ALG_A4_1KMM

12 1 Cellen en weefsels 31 Golgi-apparaat Het golgi-apparaat (golgi-complex) is opgebouwd uit een groot aantal door membranen omgeven holten. Het staat enerzijds in verbinding met het endoplasmatisch reticulum en anderzijds met het celmembraan. In de blaasjes van het golgi-apparaat worden producten, met name eiwitten, die zijn gemaakt op het endoplasmatisch reticulum, bewerkt voor hun functie binnen de cel en buiten de cel, bijvoorbeeld enzymen. De blaasjes (met de enzyminhoud) versmelten met het celmembraan zodat de enzymen buiten de cel gebracht worden. Zo komen bijvoorbeeld de enzymen van de pancreascellen naar buiten om in de dunne darm het voedsel te verteren. Er is sprake van exocytose (zie paragraaf 1.6.3). Behalve eiwitten wordt in het golgi-apparaat ook slijm geproduceerd en vervolgens afgegeven. Lysosomen Lysosomen zijn bolvormige organellen ontstaan uit het golgi-apparaat. Onder normale omstandigheden beschikken ze over enzymen voor de intracellulaire vertering van macromoleculen, stoffen met een hoge molecuulmassa (eiwitten, vetten, polysachariden). Bij afwezigheid of deficiëntie hiervan ontstaan er ophopingen van voornoemde macromoleculen, die bekendstaan als lysosomale stapelingsziekten (zie hoofdstuk 13). Ze bezitten een aantal enzymen die in staat zijn om normale celbestanddelen te splitsen, waardoor de cel wordt gelyseerd (opgelost). In een levende cel bezitten de lysosomen aan de buitenzijde een beschermend membraan. Wanneer een micro-organisme door een cel wordt gefagocyteerd (in een blaasje opgenomen) versmelt het membraan van het lysosoom met het membraan van het fagocytoseblaasje. De inhoud van de lysosomen komt zo bij het micro-organisme, dat door de lysosomale enzymen wordt afgebroken. Lysosomen komen dan ook veel voor in leukocyten (witte bloedcellen), de cellen van het afweersysteem (zie hoofdstuk 3). Bij donorbloed worden de leukocyten door centrifugeren verwijderd, waardoor het bloed langer houdbaar is. Er is ook een direct verband tussen het verouderingsproces van de cel en het aantal lysosomen. Naarmate de cellen ouder worden, neemt ook het aantal lysosomen toe. Lysosomale stapelingsziekten zijn erfelijke stofwisselingsziekten. Door een slecht functionerend lysosomaal enzym ontstaat stapeling van afbraakmateriaal in lysosomen. Voorbeelden zijn de ziekte van Gaucher en Fabry (beide stapeling van lipiden) en de ziekte van Pompe (stapeling van glycogeen). Geen enkele van de ruim veertig verschillende lysosomale stapelingsziekten is te genezen, er zijn echter voor enkele stapelingsziekten wel behandelingsmogelijkheden: enzymvervangingstherapie, waarbij het ontbrekende enzym via een infuus wordt toegediend; substraatderivatietherapie, waarbij een medicijn de aanmaak van de stof die stapelt vermindert, waardoor er minder stapeling optreedt; beenmergtransplantatie of navelstrengstamceltransplantatie. BSL - ALG_A4_1KMM

13 32 Medische fysiologie en anatomie Mitochondriën Mitochondriën zijn bolvormige tot langgerekte organellen, opgebouwd uit een dubbelmembraan waarvan het binnenste veel plooien (cristae) bezit. In mitochondriën speelt zich de reactie af tussen zuurstof, dat via de ademhaling is opgenomen, en de voedingstoffen, die na vertering uit het maag-darmkanaal zijn opgenomen, met als eindproducten koolstofdioxide en water (aerobe verbranding). Deze reactie levert de energie voor de cel (zie paragraaf 1.5). Ze worden daarom ook wel de energiecentrales van de cel genoemd. Daarom bevatten vooral cellen die veel energie verbruiken veel mitochondriën. Voorbeelden zijn levercellen, hart- en spiercellen. Ook in bepaalde delen van de hersenen zitten meer mitochondriën dan in andere delen. Behalve in de celkern komt ook in de mitochondriën DNA voor. Omdat de mitochondriën in een bevruchte eicel van de moeder afkomstig zijn, speelt dit DNA een belangrijke rol bij erfelijkheids- en stamboomonderzoek. Mitochondriale ziekten zijn erfelijke stofwisselingsziekten waarbij de functie van energiecentrale niet goed werkt. De ziekte leidt tot zeer veel uiteenlopende verschijnselen. Het meest frequent ontstaan klachten in weefsels waarin veel mitochondriën voorkomen. De klachten zijn bijvoorbeeld spierslapte, hersenfunctiestoornissen met een verstandelijke handicap en motorische stoornissen. Peroxisomen Peroxisomen komen vooral voor in cellen van lever en nieren. Zij zijn te beschouwen als gespecialiseerde lysosomen. Peroxisomen hebben hun naam te danken aan het feit dat bij de meeste afbraakreacties in een peroxisoom gebruikgemaakt wordt van de stof waterstofperoxide, die in het organel wordt gevormd. In een vervolgreactie worden met dit (op zich giftige) peroxide schadelijke verbindingen als alcohol afgebroken. Het peroxide speelt ook een belangrijke rol in de afbraak van vetzuren uit ons voedsel. Ten slotte vindt de vorming van myeline (van belang bij de impulsgeleiding over zenuwbanen, zie paragraaf 1.9.4) gedeeltelijk in de peroxisomen plaats. Er is een groot aantal (zeldzame maar zeer ernstige) ziekten bekend die worden veroorzaakt door slecht of niet-functionerende perxisomen. De bekendste is het syndroom van Zellweger. Centrosoom Het centrosoom speelt een belangrijke rol bij de celdeling, doordat het de polen vormt. Een centrosoom is opgebouwd uit twee centriolen. Ciliën en flagellen Ciliën en flagellen zijn celaanhangsels die bij veel cellen voorkomen. Zo bevatten de epitheelcellen in de luchtpijp ciliën (trilhaartjes), die zorgen voor het transport van slijm. Zaadcellen bevatten flagellen (zweepdraden), die zorgen voor de voortbeweging van deze cellen. BSL - ALG_A4_1KMM

14 1 Cellen en weefsels Celmetabolisme: verbranding in de cel De activiteiten in de hierboven genoemde organellen zijn bepalend voor de cel als geheel en dus ook voor het menselijk lichaam als totaliteit. De verschillende celactiviteiten worden uiteindelijk gereguleerd door de celkern. De benodigde energie wordt opgewekt in de cel zelf in de speciaal daartoe bestemde organellen: de mitochondriën. De mitochondriën worden dan ook aangeduid als de krachtcentrales in de cel. Bij de verbranding wordt onderscheid gemaakt in aerobe en anaerobe verbranding. In alle cellen is de directe energiebron voor de celactiviteiten de stof die bekendstaat onder de naam ATP, voluit adenosinetrifosfaat. ATP is een zeer energierijke verbinding waarmee activiteiten kunnen worden uitgevoerd. Bij de verbranding wordt de energie tijdelijk opgeslagen in de vorm van de stof ATP volgens de reactie: ADP + fosfaat? ATP Wanneer deze energie nodig is voor een of andere vorm van arbeid (mechanische arbeid in spieren, chemische arbeid voor het anabolisme of elektrische arbeid voor impulsgeleiding) verloopt deze reactie in omgekeerde richting, waarbij de opgeslagen energie weer vrijkomt aerobe verbrandingsprocessen De afbraak van voedingsstoffen verloopt meestal met behulp van zuurstof: aerobe oxidatie. Brandstoffen als glucose en vetzuren worden tijdens de reactie met zuurstof in de cel omgezet in koolstofdioxide en water. Hierbij komt energie vrij anaerobe verbrandingsprocessen Onder omstandigheden waarbij er een tekort is aan zuurstof verloopt de verbranding anaeroob. Deze levert veel minder energie dan de aerobe verbranding. Zo levert de anaerobe verbranding van glucose slechts twee moleculen ATP per molecuul glucose, terwijl aeroob de winst 36 ATP per molecuul glucose is. Het eindproduct van de anaerobe verbranding is melkzuur, dat uiteenvalt in lactaat en waterstofionen, waardoor de omgeving zuur wordt. Dit is bijvoorbeeld het geval in een (over)belaste spier of in situaties waarin de stroomsnelheid van het bloed sterk is verminderd, zoals bij een shock. De concentratie lactaat in het bloed is daarom een goede maat om de ernst van een shock in te schatten koolhydraten, vetten en eiwitten De meest bekende brandstoffen zijn koolhydraten (sacharose, zetmeel) en lipiden (vetten). In het spijsverteringskanaal worden de disachariden, zoals sacharose (sucrose), en de polysachariden (zetmeel) afgebroken tot glucose, dat dan als brandstof beschikbaar is (zie hoofd- BSL - ALG_A4_1KMM

15 34 Medische fysiologie en anatomie stuk 10). In de lever- en spiercellen ligt altijd glycogeen in opslag, dat ook afgebroken kan worden tot glucose voor het oxidatieproces. Vetten zijn een uitstekende brandstof. Een gram vet levert tweemaal zoveel ATP als een gram koolhydraat. Dit komt door het relatief grote aantal waterstofatomen per molecuul vet. In de laatste stap van het aerobe verbrandingsproces (terminale ademhalingsketen) koppelen deze atomen zich namelijk met zuurstof waardoor water ontstaat en er ATP vrijkomt. 1.6 Celmembraantransport Er zijn twee mechanismen waarop transport van kleine moleculen door membranen kan plaatsvinden: passief transport, waarbij geen ATP vereist is, en actief transport, waarvoor ATP nodig is. Het transport van grote moleculen en deeltjes vindt plaats door exocytose en endocytose passief transport Voor passief transport is geen ATP vereist. Hieronder vallen: diffusie, osmose en filtratie. Diffusie Wanneer we een suikerklontje in een glas thee doen en we roeren niet, dan zien we na verloop van tijd slierten van een dikke suikeroplossing van de bodem van het glas naar boven trekken. Na lange tijd heeft de suiker zich gelijkmatig door de thee verspreid. Wanneer iemand met deodorant spuit ruiken we dat na een tijdje in het hele huis. Dit zijn twee voorbeelden van diffusie. Onder diffusie wordt het verschijnsel verstaan dat gassen, veel vloeistoffen (de zogenaamde mengbare vloeistoffen) en oplossingen spontaan vermengen. Diffunderende stoffen bewegen zich van plaatsen met een hoge concentratie naar plaatsen met een lage concentratie, totdat de concentraties overal gelijk zijn (Latijn: diffundere = zich verspreiden). Diffusie wordt veroorzaakt door de beweging van de moleculen. De drijvende kracht achter diffusie is het streven van de natuur om de concentratie van stoffen overal gelijk te krijgen. Hoe groter de beweeglijkheid van de moleculen is, hoe sneller de diffusie verloopt. Het blijkt dan ook dat de diffusie bij gassen sneller verloopt dan bij vloeistoffen. De snelheid van een diffusieproces hangt af van een aantal factoren: temperatuur, naarmate de temperatuur hoger is neemt de snelheid toe; molecuulmassa; kleine moleculen diffunderen sneller dan grote moleculen; concentratieverschil; hoe groter dit verschil, hoe sneller de diffusie; het concentratieverschil wordt ook wel diffusiegradiënt genoemd; diffusieoppervlak; door een groot oppervlak kunnen per tijdseenheid meer moleculen passeren; BSL - ALG_A4_1KMM

16 1 Cellen en weefsels 35 afstand, de dikte van het diffusiemembraan: hoe groter de afstand, hoe langzamer de diffusie verloopt. De sterkte van de diffusiestroom wordt uitgedrukt in de wet van Fick, waarbij concentratieverschil, membraanoppervlak en membraandikte zijn betrokken (zie verder paragraaf 4.3, waarin de diffusieprocessen van de gassen zuurstof en koolstofdioxide worden besproken). Bij de ademhaling is sprake van een groot concentratieverschil (spanningsverschil) en een groot diffusieoppervlak gekoppeld aan een zeer dun diffusiemembraan. Hierdoor zijn de voorwaarden vervuld om in een kort tijdsbestek grote hoeveelheden zuurstof vanuit de alveoli (longblaasjes) naar het bloed over te brengen en omgekeerd zeer veel CO 2 vanuit het bloed naar de alveoli. In de weefsels vinden eveneens diffusieprocessen plaats. Overigens zijn er in de fysiologie maar weinig stoffen die vrij over een celmembraan kunnen diffunderen. Dit zijn CO 2, O 2 en ureum (een afvalproduct van de eiwitstofwisseling). In sommige gevallen wordt de diffusie vergemakkelijkt door speciale carriers ( ondersteunde diffusie, afbeelding 1.4). Dit zijn membraaneiwitten die specifiek stoffen over een celmembraan kunnen transporteren. Een voorbeeld van een dergelijk carriertransport is het transport van glucose over het celmembraan. De glucosecarrier bindt aan de buitenzijde van de cel een molecuul glucose. Hierna ondergaat het carriereiwit een vormverandering zodat het glucosemolecuul zich aan de andere zijde van het membraan bevindt. Het glucosemolecuul wordt losgelaten en de carrier neemt zijn oorspronkelijke vorm weer aan, waarna het volgende glucosemolecuul kan worden overgebracht. Het zal duidelijk zijn dat transport door middel van een carrier in tegenstelling tot vrije diffusie aan een maximum is gebonden. Dit maximum wordt bepaald door de snelheid waarmee de carrier van vorm verandert. Carriers zijn over het algemeen zeer specifiek. Zo kan de glucosecarrier geen andere suikers dan glucose over het celmembraan vervoeren. Deze carrier staat onder controle van het hormoon insuline (zie hoofdstuk 7). Veel carriers kunnen alleen functioneren wanneer zij twee deeltjes tegelijk kunnen vervoeren. De bovenbeschreven glucosecarrier neemt A vrije diffusie transporteiwit plasmamembraan B ondersteunde diffusie hydrofiel deeltje extracellulaire vloeistof kanaaleiwit + + Afbeelding 1.4 Schematische voorstelling van vrije diffusie (A) en diffusie ondersteund door membraaneiwitten (B) door het plasmamembraan. cytoplasma hydrofoob deeltje + + ion + intracellulaire vloeistof BSL - ALG_A4_1KMM

17 36 Medische fysiologie en anatomie tegelijk met het glucosemolecuul ook een Na + -ion mee naar binnen. De beweging van de deeltjes over het membraan kan ook tegengesteld zijn. In de nieren komen carriers voor die alleen functioneren als zij een Na + -ion en een H + -ion in tegengestelde richting vervoeren. De gevolgen hiervan zijn merkbaar in het geval van een acidose. De nieren proberen deze te compenseren door extra H + -ionen uit te scheiden. In plaats daarvan neemt de uitscheiding van natrium af, waardoor de Na + -concentratie in het bloedplasma zal stijgen. Osmose Onder het begrip osmose wordt de diffusie van water door een semipermeabel (halfdoorlatend) membraan verstaan. Dit is een membraan waarbij het oplosmiddel (water) wel kan passeren en de opgeloste stof niet of slechts zeer langzaam. Een voorbeeld hiervan is te zien in afbeelding 1.5. Een suikeroplossing wordt gescheiden van water door een semipermeabel vlies. Aanvankelijk is daarin een geconcentreerde suikeroplossing aanwezig. Doordat de natuur altijd streeft naar evenwicht zal in dit geval, doordat suiker het membraan niet kan passeren, water zich gaan verplaatsen in de richting van de suikeroplossing. De suikeroplossing oefent dus een aanzuigkracht uit op het omringende water (osmos = aandrang). De aanzuigkracht wordt osmotische druk genoemd. De grootte van de osmotische druk wordt bepaald door de concentratie van deeltjes die niet over het semipermeabele membraan kunnen diffunderen. Afbeelding 1.5 Osmose. oplossing niet-geconcentreerde geconcentreerde oplossing H 2 O semipermeabele membraan Het verschijnsel osmose is ook op een andere manier te verklaren. Hiertoe dient het begrip waterconcentratie gehanteerd te worden. In een oplossing is er dan sprake van de concentratie van de opgeloste stof en van de waterconcentratie. In een geconcentreerde oplossing is er dus een hoge concentratie van de opgeloste stof en een geringe waterconcentratie. Wanneer een geconcentreerde suikeroplossing door een semipermeabel vlies is gescheiden van zuiver water (de BSL - ALG_A4_1KMM

18 1 Cellen en weefsels 37 waterconcentratie is dan 100%) zal water naar de suikeroplossing diffunderen doordat daarin de waterconcentratie geringer is. Op deze wijze is het duidelijker dat osmose een kwestie is van diffusie, namelijk diffusie van water. Osmose speelt een belangrijke rol bij de cellen van alle organismen doordat membranen semipermeabel zijn. Deze doorlaatbaarheid verschilt voor verschillende membranen. De wand van de capillairen (haarvaten) is voor alle in het bloed opgeloste stoffen doorlaatbaar, met uitzondering van eiwitten. Natrium, kalium en glucose kunnen dus vrij het bloed uit diffunderen, eiwitten niet. De eiwitconcentratie bepaalt daarom de osmotische druk van het bloed. Omdat eiwitten grote moleculen (colloïden) zijn, wordt deze druk vaak aangeduid met de colloïd-osmotische druk (COD). Tegenwoordig wordt de COD ook vaak oncotische druk (Grieks: oncos = zwelling) genoemd vanwege de relatie met oedeemvorming. Voor het celmembraan ligt de situatie anders. Deze is slechts voor zeer weinig stoffen doorlaatbaar, meestal alleen wanneer er voor die stoffen (bijvoorbeeld glucose) een transportsysteem is aangelegd. Het celmembraan is bijvoorbeeld niet doorlaatbaar voor natrium, kalium en chloride. De osmotische druk over een celmembraan wordt daarom vooral bepaald door de zoutconcentratie. Dit wordt de kristalloïdosmotische druk genoemd. Samenvattend: transport van water over het membraan van de capillairen wordt bepaald door het verschil in eiwitconcentratie binnen en buiten de bloedbaan: de colloïd-osmotische druk. Transport van water over het celmembraan wordt vooral bepaald door een verschil in zoutconcentratie binnen en buiten de cel: de kristalloïd-osmotische druk. Intermezzo 1.3 Bepaling van de osmolariteit van het bloedplasma De colloïd-osmotische waarde van het bloedplasma volgt rechtstreeks uit de concentratie totaal eiwit in het bloedplasma. Om de kristalloïd-osmotische waarde te berekenen, zou eigenlijk de concentratie van alle zouten in het bloedplasma bepaald moeten worden. Dit is natuurlijk ondoenlijk. Daarom worden in de praktijk allerlei vereenvoudigingen gehanteerd. Veelgebruikte formules zijn: kristalloïd-osmotische waarde = 2 [Na + + K + ] Omdat tegenover ieder Na + - en K + -ion per definitie een negatief deeltje moet voorkomen, wordt de concentratie van deze ionen met twee vermenigvuldigd. Iets nauwkeuriger is de volgende berekening: kristalloïd-osmotische waarde = 2 [Na + + K + ] + glucose + ureum BSL - ALG_A4_1KMM

19 38 Medische fysiologie en anatomie In het bloed treden osmotische verschijnselen op, onder andere bij de erytrocyten (rode bloedcellen). Wanneer het bloedplasma een hogere zoutconcentratie bezit (en dus een lagere waterconcentratie) dan de erytrocyten, zal er diffusie van water plaatsvinden vanuit de erytrocyten naar het bloedplasma (afbeelding 1.6a). In de erytrocyten is in dat geval de waterconcentratie namelijk hoger dan in het bloedplasma. In dit geval is het bloedplasma hyperosmotisch ten opzichte van de bloedcellen. De term hyperosmotisch verdient de voorkeur boven de gebruikelijke term hypertonisch omdat de laatste wordt gehanteerd voor afzonderlijke deeltjes. Hetzelfde geldt voor de termen isotonisch en hypotonisch, die daarom nu bij voorkeur worden aangeduid respectievelijk als iso-osmotisch en hypo-osmotisch. Wanneer het bloedplasma minder opgeloste stoffen bevat dan de erytrocyten is het bloedplasma hypo-osmotisch (Grieks: hypo = onder) ten opzichte van de erytrocyten. De consequentie hiervan is dat er diffusie van water zal plaatsvinden vanuit het bloedplasma naar de erytrocyten. Immers, in dit geval is de waterconcentratie in het bloedplasma hoger dan in de erytrocyten. Het gevolg is dat de erytrocyten zwellen en ten slotte barsten. Dit verschijnsel wordt hemolyse genoemd (afbeelding 1.6b). Wanneer twee oplossingen dezelfde osmotische waarde bezitten worden ze iso-osmotisch (Grieks: isos = gelijk) ten opzichte van elkaar genoemd. Onder normale omstandigheden is het bloedplasma dan ook altijd iso-osmotisch ten opzichte van de vloeistof in de erytrocyten. Afbeelding 1.6 a. Erytrocyt in een hyperosmotisch milieu. De cel krijgt een doornappelvorm. b. Erytrocyt in een hypo-osmotisch milieu. Er treedt hemolyse op. Intermezzo 1.4 Infusievloeistoffen Wanneer een patiënt vocht moet worden toegediend, wordt uiteraard ook gebruikgemaakt van een iso-osmotische oplossing. Een oplossing van 0,9% NaCl heeft dezelfde osmotische waarde als het bloedplasma. Deze veelgebruikte iso-osmotische oplossing wordt fysiologische zoutoplossing ( fysiologisch zout ) genoemd, omdat door toediening van deze vloeistof de normale fysiologie van de erytrocyten intact blijft. Een iso-osmotische glucoseoplossing zal een andere concentratie moeten hebben dan een iso-osmotische oplossing van keua b BSL - ALG_A4_1KMM

20 1 Cellen en weefsels 39 kenzout. In de eerste plaats splitst NaCl (keukenzout) wanneer het wordt opgelost in water in twee deeltjes, te weten een natriumion en een chloride-ion. De formule van glucose is C 6 H 12 O 6, dus een glucosemolecuul is opgebouwd uit in totaal 24 atomen (6 koolstofatomen, 12 waterstofatomen en 6 zuurstofatomen). Bij het oplossen in water blijven deze atomen echter aan elkaar gebonden. Een oplossing van 1 mol keukenzout per liter levert om die reden tweemaal zoveel deeltjes als een oplossing van 1 mol glucose per liter. Omdat het aantal deeltjes per liter de osmolariteit bepaalt, is de osmolariteit van 1 mol keukenzout per liter daarom tweemaal zo groot als die van een oplossing van 1 mol glucose per liter. Wanneer de concentratie in grammen per liter of in procenten wordt uitgedrukt, speelt er nog een tweede factor mee. Een glucosemolecuul is ongeveer driemaal zo zwaar als een keukenzoutmolecuul. Voor een gelijk aantal deeltjes is dus driemaal zoveel glucose als keukenzout nodig. Wanneer beide bovenstaande factoren worden gecombineerd, luidt de conclusie dat er voor een iso-osmotische glucoseoplossing ongeveer zesmaal zoveel stof nodig is als voor een fysiologische zoutoplossing. Dat komt overeen met een oplossing van glucose van ruim 5% (50 gram glucose per liter). Voor infusievloeistoffen wordt meestal 5% glucose gebruikt. In dit verband zal het ook duidelijk zijn dat wanneer de cellen glucose opslaan in de vorm van glycogeen (zie hoofdstuk 10) het osmotisch effect van een glucose-infuus sterk wordt gereduceerd. Infusievloeistoffen bevatten naast NaCl of glucose vaak nog andere bestanddelen. Zo zal er in het geval van een patiënt met een acidose een base, meestal bicarbonaat, aan het infuus worden toegevoegd. Bij een alkalose wordt er een zuur (bijvoorbeeld zoutzuur) aan het infuus toegevoegd. Om de iso-osmolariteit van het infuus te handhaven, moet de concentratie van deze toevoegingen op de concentratie zout of glucose in mindering worden gebracht. Bij een patiënt die een groot bloedvolume heeft verloren, wordt soms een grootmoleculaire stof (albumine of dextraan, een soort zetmeel) aan het infuus toegevoegd. Hiermee wordt de colloïdosmotische druk van het bloed verhoogd, waardoor een groter deel van de infusievloeistof in de bloedbaan zal blijven. Filtratie Filtratie is het proces, waarbij water met opgeloste stoffen zich over een wand verplaatst. De drijvende kracht achter filtratie is de hydrostatische druk (druk die door het water wordt uitgeoefend). Filtratie speelt een belangrijke rol bij het uittreden van bloedplasma met voedingsstoffen uit de capillairen (zie hoofdstuk 2) en bij de vorming van urine (zie hoofdstuk 5). Het proces zal in die hoofdstukken verder worden toegelicht. BSL - ALG_A4_1KMM

21 40 Medische fysiologie en anatomie actief transport Voor actief transport is ATP vereist. Het mechanisme achter actief transport vertoont veel overeenkomsten met het beschreven carriertransport. Ook nu is er sprake van een eiwit in het celmembraan, dat vormveranderingen ondergaat, waarvoor in dit geval ATP nodig is. Een bijzondere eigenschap van actief transport is dat hiermee deeltjes ook van een lage naar een hoge concentratie kunnen worden vervoerd. Het bekendste voorbeeld van actief transport is de natrium/ kaliumpomp (Na/K-pomp). Deze pomp vervoert tegelijkertijd natriumionen vanuit de cel naar het interstitium en kaliumionen vanuit het interstitium de cel in. In beide gevallen is dat van een plaats met een lage concentratie naar een plaats met een hoge concentratie. De Na/K-pomp speelt een belangrijke rol bij de impulsgeleiding in de hartspiercellen (zie hoofdstuk 2) en de zenuwcellen (zie hoofdstuk 6) endocytose en exocytose Endocytose en exocytose worden samen ook wel aangeduid met blaasjestransport. Bij endocytose omsluit het celmembraan een deel van de vloeistof in het interstitium met de daarin opgeloste stoffen. De aldus gevormde blaasjes (vesikels) worden als kleine organellen in de cel opgenomen. Daarna kunnen zij bijvoorbeeld versmelten met de membranen van de lysosomen, waardoor de inhoud van deze twee organellen vermengd wordt. Levercellen bijvoorbeeld zijn door endocytose in staat te veel cholesterol uit het bloed te verwijderen en in de lysosomen op te nemen. Cholesterol wordt vervolgens in de lysosomen afgebroken. Een bijzondere vorm van endocytose is fagocytose (zie hoofdstuk 3). Hierbij worden vaste deeltjes als bacteriën in de cel opgenomen. Wanneer vloeibaar materiaal in een cel wordt opgenomen wordt dat pinocytose genoemd (Grieks: pinein = drinken). Omgekeerd kunnen in de cel gevormde stoffen worden verpakt in een blaasje van membraanmateriaal. Als het membraan van dit blaasje vervolgens versmelt met het celmembraan van de cel, kan deze stof naar het interstitium worden afgegeven. Dit heet exocytose (afbeelding 1.7 en 1.8). Het golgi-apparaat speelt hierbij een belangrijke rol. De combinatie van endocytose en exocytose komt onder andere voor in de darmwand. Stoffen uit het voedsel worden dan door middel van endocytose in de cellen van de darmwand opgenomen en daarna door exocytose afgegeven aan de bloedvaten of de lymfevaten (zie hoofdstuk 10). 1.7 Celdeling Het menselijk lichaam ontwikkelt zich door deling en groei vanuit de zygote (bevruchte eicel). Bij deling van een cel ontstaan dochtercellen die vrijwel identiek zijn aan de moedercel. Iedere celdeling wordt voorafgegaan door een kerndeling. Bij zich delende cellen wordt een celcyclus onderscheiden die in twee stadia wordt onderverdeeld, namelijk de mitose en de interfase. BSL - ALG_A4_1KMM