Informatie

4.1: Homeostase - Biologie


Het handhaven van homeostase vereist dat het lichaam continu zijn interne condities controleert. EEN setpunt is de fysiologische waarde waarrond het normale bereik fluctueert. EEN normaal bereik is de beperkte reeks waarden die optimaal gezond en stabiel is. Negatieve feedback is een mechanisme dat voorkomt dat een fysiologische reactie buiten het normale bereik komt door de actie om te keren zodra het normale bereik wordt overschreden. Het handhaven van homeostase door negatieve feedback gaat te allen tijde door het hele lichaam en een begrip van negatieve feedback is dus fundamenteel voor een begrip van de menselijke fysiologie.

Negatieve feedback

Een negatief feedbacksysteem heeft drie basiscomponenten (Figuur 1a). EEN sensor, ook wel receptor genoemd, is een onderdeel van een feedbacksysteem dat een fysiologische waarde bewaakt. Deze waarde wordt gerapporteerd aan het controlecentrum. De controle Centrum is het onderdeel in een feedbacksysteem dat de waarde vergelijkt met het normale bereik. Als de waarde te veel afwijkt van het setpoint, activeert de centrale een effector. Een effector is het onderdeel in een feedbacksysteem dat een verandering veroorzaakt om de situatie om te keren en de waarde terug te brengen naar het normale bereik.

Om het systeem in beweging te krijgen, moet een stimulus een fysiologische parameter buiten zijn normale bereik (dat wil zeggen, voorbij homeostase) sturen. Deze stimulus wordt "gehoord" door een specifieke sensor. Bij de controle van de bloedglucose detecteren specifieke endocriene cellen in de pancreas bijvoorbeeld overtollige glucose (de stimulus) in de bloedbaan. Deze bètacellen in de pancreas reageren op de verhoogde bloedglucosespiegel door het hormoon insuline in de bloedbaan af te geven. De insuline signaleert skeletspiervezels, vetcellen (adipocyten) en levercellen om de overtollige glucose op te nemen en uit de bloedbaan te verwijderen. Naarmate de glucoseconcentratie in de bloedbaan daalt, wordt de afname van de concentratie - de eigenlijke negatieve feedback - gedetecteerd door alfacellen van de alvleesklier en stopt de afgifte van insuline. Dit voorkomt dat de bloedsuikerspiegel onder het normale bereik blijft dalen.

Mensen hebben een soortgelijk feedbacksysteem voor temperatuurregeling dat werkt door warmteverlies of warmtewinst te bevorderen (Figuur 1b). Wanneer het temperatuurregulatiecentrum van de hersenen gegevens ontvangt van de sensoren die aangeven dat de lichaamstemperatuur het normale bereik overschrijdt, stimuleert het een cluster van hersencellen dat het 'warmteverliescentrum' wordt genoemd. Deze stimulatie heeft drie belangrijke effecten:

  • Bloedvaten in de huid beginnen te verwijden, waardoor meer bloed uit de lichaamskern naar het huidoppervlak kan stromen, waardoor de warmte naar de omgeving kan uitstralen.
  • Naarmate de bloedtoevoer naar de huid toeneemt, worden zweetklieren geactiveerd om hun output te verhogen. Terwijl het zweet van het huidoppervlak in de omringende lucht verdampt, neemt het warmte mee.
  • De diepte van de ademhaling neemt toe en een persoon kan ademen door een open mond in plaats van door de neusgangen. Dit verhoogt verder het warmteverlies uit de longen.

Daarentegen vermindert activering van het warmtewinstcentrum van de hersenen door blootstelling aan kou de bloedstroom naar de huid, en bloed dat terugkeert uit de ledematen wordt omgeleid naar een netwerk van diepe aderen. Deze opstelling houdt de warmte dichter bij de lichaamskern vast en beperkt het warmteverlies. Als het warmteverlies ernstig is, veroorzaken de hersenen een toename van willekeurige signalen naar de skeletspieren, waardoor ze samentrekken en rillingen veroorzaken. De spiersamentrekkingen van rillingen geven warmte af terwijl ze ATP verbruiken. De hersenen activeren de schildklier in het endocriene systeem om schildklierhormoon af te geven, wat de metabolische activiteit en warmteproductie in cellen door het hele lichaam verhoogt. De hersenen geven ook signalen aan de bijnieren om epinefrine (adrenaline) af te geven, een hormoon dat de afbraak van glycogeen in glucose veroorzaakt, dat als energiebron kan worden gebruikt. De afbraak van glycogeen in glucose resulteert ook in een verhoogd metabolisme en warmteproductie.

Denk er over na

Waterconcentratie in het lichaam is van cruciaal belang voor een goede werking. Het lichaam van een persoon behoudt een zeer strikte controle over de waterstanden zonder bewuste controle door de persoon. Bekijk deze video om meer te weten te komen over de waterconcentratie in het lichaam.

Een YouTube-element is uitgesloten van deze versie van de tekst. Je kunt het hier online bekijken: pb.libretexts.org/aapi/?p=64

Welk orgaan heeft de primaire controle over de hoeveelheid water in het lichaam?

[oefengebied rijen=”2″][/oefengebied]
[reveal-answer q=”414726″]Antwoord weergeven[/reveal-answer]
[hidden-answer a=”414726″]Nieren hebben de primaire controle over de hoeveelheid water in het lichaam.[/hidden-answer]

Positieve feedback

Positieve feedback intensiveert een verandering in de fysiologische toestand van het lichaam in plaats van deze ongedaan te maken. Een afwijking van het normale bereik resulteert in meer verandering en het systeem beweegt verder weg van het normale bereik. Positieve feedback in het lichaam is alleen normaal als er een definitief eindpunt is. Bevalling en de reactie van het lichaam op bloedverlies zijn twee voorbeelden van positieve feedbackloops die normaal zijn, maar alleen worden geactiveerd wanneer dat nodig is.

Een voldragen bevalling is een voorbeeld van een situatie waarin het in stand houden van de bestaande lichaamstoestand niet gewenst is. Er zijn enorme veranderingen in het lichaam van de moeder nodig om de baby aan het einde van de zwangerschap te verdrijven. En de gebeurtenissen van de bevalling, als ze eenmaal zijn begonnen, moeten snel tot een einde komen, anders komt het leven van de moeder en de baby in gevaar. Het extreme spierwerk van arbeid en bevalling is het resultaat van een positief feedbacksysteem (Figuur 2).

De eerste weeën (de stimulus) duwen de baby naar de baarmoederhals (het laagste deel van de baarmoeder). De baarmoederhals bevat rekgevoelige zenuwcellen die de mate van rekken (de sensoren) bewaken. Deze zenuwcellen sturen berichten naar de hersenen, die er op hun beurt voor zorgen dat de hypofyse aan de basis van de hersenen het hormoon oxytocine in de bloedbaan afgeeft. Oxytocine veroorzaakt sterkere samentrekkingen van de gladde spieren in de baarmoeder (de effectoren), waardoor de baby verder door het geboortekanaal wordt geduwd. Hierdoor wordt de baarmoederhals nog meer uitgerekt. De cyclus van uitrekken, het vrijkomen van oxytocine en steeds krachtiger weeën stopt pas als de baby is geboren. Op dit punt stopt het uitrekken van de baarmoederhals, waardoor de afgifte van oxytocine stopt.

Een tweede voorbeeld van positieve feedback is het ongedaan maken van extreme schade aan het lichaam. Na een penetrerende wond is overmatig bloedverlies de meest directe bedreiging. Minder bloedcirculatie betekent een verminderde bloeddruk en verminderde doorbloeding (doorbloeding) naar de hersenen en andere vitale organen. Als de perfusie ernstig wordt verminderd, worden vitale organen uitgeschakeld en sterft de persoon. Het lichaam reageert op deze potentiële catastrofe door stoffen in de beschadigde bloedvatwand vrij te geven die het proces van bloedstolling in gang zetten. Naarmate elke stollingsstap plaatsvindt, stimuleert het de afgifte van meer stollingsstoffen. Dit versnelt de processen van stolling en afsluiting van het beschadigde gebied. De stolling vindt plaats in een lokaal gebied op basis van de streng gecontroleerde beschikbaarheid van stollingseiwitten. Dit is een adaptieve, levensreddende cascade van gebeurtenissen.


Homeostase

Abstract

Homeostase duidt op het in stand houden of reguleren van vitale interne variabelen in een toestand van relatieve constantheid. Automatische cellulaire mechanismen, neurale en endocriene controles en gedrag dragen allemaal in belangrijke mate bij aan homeostase. Organismen die in een groter aantal externe omgevingen functioneren, hebben de neiging om meer interne variabelen te reguleren en hebben complexere systemen die belangrijke variabelen reguleren - bijvoorbeeld de aanpasbare mechanismen waarmee wij zoogdieren de lichaamstemperatuur regelen, stellen ons in staat om in een veel groter bereik van externe temperaturen te functioneren dan reptielen. De meeste fysiologische homeostatische mechanismen zijn afhankelijk van negatieve feedback, dat wil zeggen, signalen die verband houden met de gereguleerde variabele worden gedetecteerd en zorgen ervoor dat het systeem reageert op een manier die de signalen vermindert.


16.1 Homeostase en osmoregulatie

Homeostase verwijst naar de relatief stabiele toestand in het lichaam van een dier. Dierlijke organen en orgaansystemen passen zich voortdurend aan interne en externe veranderingen aan om deze stabiele toestand te behouden. Voorbeelden van interne condities die homeostatisch worden gehandhaafd, zijn het niveau van bloedglucose, lichaamstemperatuur, bloedcalciumgehalte. Deze omstandigheden blijven stabiel vanwege fysiologische processen die resulteren in negatieve feedbackrelaties. Als de bloedglucose of calcium stijgt, stuurt dit een signaal naar organen die verantwoordelijk zijn voor het verlagen van de bloedglucose of calcium. De signalen die de normale niveaus herstellen zijn voorbeelden van negatieve feedback. Wanneer homeostatische mechanismen falen, kunnen de resultaten ongunstig zijn voor het dier. Homeostatische mechanismen houden het lichaam in dynamisch evenwicht door zich voortdurend aan te passen aan de veranderingen die de systemen van het lichaam tegenkomen. Zelfs een dier dat schijnbaar inactief is, handhaaft dit homeostatische evenwicht. Twee voorbeelden van factoren die homeostatisch worden geregeld zijn temperatuur en watergehalte. De processen die de homeostase van deze twee factoren in stand houden, worden thermoregulatie en osmoregulatie genoemd.

Homeostase

Het doel van homeostase is het handhaven van een evenwicht rond een specifieke waarde van een bepaald aspect van het lichaam of zijn cellen, een instelpunt genoemd. Hoewel er normale schommelingen zijn vanaf het instelpunt, zullen de systemen van het lichaam meestal proberen terug te gaan naar dit punt. Een verandering in de interne of externe omgeving wordt een stimulus genoemd en wordt gedetecteerd door een receptor. De reactie van het systeem is om de activiteiten van het systeem aan te passen, zodat de waarde teruggaat naar het instelpunt. Als het lichaam bijvoorbeeld te warm wordt, worden er aanpassingen gedaan om het dier af te koelen. Als de glucosespiegels in het bloed stijgen na een maaltijd, worden aanpassingen gedaan om ze te verlagen en om de voedingsstof in weefsels te krijgen die het nodig hebben of om het op te slaan voor later gebruik.

Wanneer er een verandering optreedt in de omgeving van een dier, moet er een aanpassing worden gemaakt zodat de interne omgeving van het lichaam en de cellen stabiel blijft. De receptor die de verandering in de omgeving waarneemt, maakt deel uit van een feedbackmechanisme. De stimulus - temperatuur, glucose of calciumgehalte - wordt gedetecteerd door de receptor. De receptor stuurt informatie naar een controlecentrum, vaak de hersenen, die de juiste signalen doorstuurt naar een effectororgaan dat in staat is om een ​​juiste verandering teweeg te brengen, omhoog of omlaag, afhankelijk van de informatie die de sensor verzond.

Thermoregulatie

Dieren kunnen in twee groepen worden verdeeld: dieren die een constante lichaamstemperatuur behouden ondanks verschillende omgevingstemperaturen, en dieren die een lichaamstemperatuur hebben die gelijk is aan hun omgeving en dus varieert met de omgevingstemperatuur. Dieren die hun lichaamstemperatuur niet intern beheersen, worden ectothermen genoemd. De lichaamstemperatuur van deze organismen is over het algemeen vergelijkbaar met de temperatuur van de omgeving, hoewel de individuele organismen dingen kunnen doen die hun lichaam iets onder of boven de omgevingstemperatuur houden. Dit kan zijn onder de grond graven op een warme dag of rusten in het zonlicht op een koude dag. De ectothermen zijn koelbloedig genoemd, een term die misschien niet van toepassing is op een dier in de woestijn met een zeer warme lichaamstemperatuur.

Een dier dat een constante lichaamstemperatuur handhaaft ondanks veranderingen in de omgeving, wordt een endotherm genoemd. Deze dieren kunnen een activiteitsniveau handhaven dat een ectotherm dier niet kan, omdat ze interne warmte genereren die ervoor zorgt dat hun cellulaire processen optimaal blijven werken, zelfs als de omgeving koud is.

Concepten in actie

Bekijk deze Discovery Channel-video over thermoregulatie om illustraties te zien van het proces bij verschillende dieren.

Dieren behouden of verdrijven warmte op verschillende manieren. Endotherme dieren hebben een vorm van isolatie. Ze hebben vacht, vet of veren. Dieren met een dikke vacht of veren creëren een isolerende luchtlaag tussen hun huid en inwendige organen. IJsberen en zeehonden leven en zwemmen in een omgeving waar het vriest en behouden toch een constante, warme lichaamstemperatuur. Zo gebruikt de poolvos zijn pluizige staart als extra isolatie als hij zich bij koud weer opkrult om te slapen. Zoogdieren kunnen de lichaamswarmteproductie verhogen door te rillen, wat een onvrijwillige toename van spieractiviteit is. Bovendien kunnen de arrector pili-spieren samentrekken, waardoor individuele haren rechtop gaan staan ​​wanneer het individu het koud heeft. Dit verhoogt de isolerende werking van het haar. Mensen behouden deze reactie, die niet het beoogde effect heeft op ons relatief haarloze lichaam, maar in plaats daarvan "kippenvel" veroorzaakt. Zoogdieren gebruiken ook vetlagen als isolatie. Verlies van aanzienlijke hoeveelheden lichaamsvet zal het vermogen van een persoon om warmte vast te houden in gevaar brengen.

Ectothermen en endothermen gebruiken hun bloedsomloop om de lichaamstemperatuur op peil te houden. Vasodilatatie, het openen van slagaders naar de huid door ontspanning van hun gladde spieren, brengt meer bloed en warmte naar het lichaamsoppervlak, waardoor straling en warmteverlies door verdamping worden vergemakkelijkt, waardoor het lichaam wordt gekoeld. Vasoconstrictie, de vernauwing van bloedvaten naar de huid door samentrekking van hun gladde spieren, vermindert de bloedstroom in perifere bloedvaten, waardoor bloed naar de kern en vitale organen wordt geforceerd, waardoor warmte wordt behouden. Sommige dieren hebben aanpassingen aan hun bloedsomloop waardoor ze warmte van slagaders kunnen overbrengen naar aders die naast elkaar stromen, waardoor het bloed wordt verwarmd dat terugkeert naar het hart. Dit wordt een tegenstroomwarmte-uitwisseling genoemd en voorkomt dat het koude veneuze bloed het hart en andere inwendige organen afkoelt. De tegenstroomaanpassing wordt gevonden in dolfijnen, haaien, beenvissen, bijen en kolibries.

Sommige ectotherme dieren gebruiken veranderingen in hun gedrag om de lichaamstemperatuur te helpen reguleren. Ze zoeken gewoon koelere gebieden tijdens het heetste deel van de dag in de woestijn om te voorkomen dat het te warm wordt. Dezelfde dieren kunnen 's avonds op rotsen klimmen om warmte op te vangen op een koude woestijnnacht voordat ze hun holen binnengaan.

Thermoregulatie wordt gecoördineerd door het zenuwstelsel (Figuur 16.2). De processen van temperatuurbeheersing zijn gecentreerd in de hypothalamus van de geavanceerde dierlijke hersenen. De hypothalamus handhaaft het instelpunt voor lichaamstemperatuur door reflexen die vasodilatatie of vasoconstrictie en rillingen of zweten veroorzaken. Het sympathische zenuwstelsel onder controle van de hypothalamus stuurt de reacties die de veranderingen in temperatuurverlies of temperatuurstijging veroorzaken die het lichaam terugbrengen naar het instelpunt. Het instelpunt kan in sommige gevallen worden aangepast. Tijdens een infectie worden verbindingen genaamd pyrogenen geproduceerd en circuleren naar de hypothalamus, waardoor de thermostaat op een hogere waarde wordt gezet. Hierdoor kan de lichaamstemperatuur stijgen tot een nieuw homeostatisch evenwichtspunt in wat gewoonlijk koorts wordt genoemd. De toename van lichaamswarmte maakt het lichaam minder optimaal voor de groei van bacteriën en verhoogt de activiteit van cellen zodat ze beter in staat zijn om de infectie te bestrijden.

Visuele verbinding

Wanneer bacteriën worden vernietigd door leukocyten, komen pyrogenen vrij in het bloed. Pyrogenen zetten de thermostaat van het lichaam op een hogere temperatuur, met koorts tot gevolg. Hoe kunnen pyrogenen ervoor zorgen dat de lichaamstemperatuur stijgt?

Osmoregulatie

Osmoregulatie is het proces van het handhaven van de zout- en waterbalans (osmotische balans) over membranen in het lichaam. De vloeistoffen in en omringende cellen zijn samengesteld uit water, elektrolyten en niet-elektrolyten. Een elektrolyt is een verbinding die bij oplossen in water uiteenvalt in ionen. Een niet-elektrolyt daarentegen dissociëert niet in ionen in water. De lichaamsvloeistoffen omvatten bloedplasma, vloeistof die zich in cellen bevindt en de interstitiële vloeistof die zich in de ruimten tussen cellen en weefsels van het lichaam bevindt. De membranen van het lichaam (zowel de membranen rond cellen als de "membranen" gemaakt van cellen die lichaamsholten bekleden) zijn semipermeabele membranen. Semipermeabele membranen zijn permeabel voor bepaalde soorten opgeloste stoffen en voor water, maar celmembranen zijn typisch ondoordringbaar voor opgeloste stoffen.

Het lichaam bestaat niet op zichzelf. Er is een constante toevoer van water en elektrolyten in het systeem. Overtollig water, elektrolyten en afvalstoffen worden naar de nieren getransporteerd en uitgescheiden, wat helpt om de osmotische balans te behouden. Onvoldoende vochtinname resulteert in vochtconservering door de nieren. Biologische systemen staan ​​voortdurend in wisselwerking met en wisselen water en voedingsstoffen uit met de omgeving door middel van consumptie van voedsel en water en door uitscheiding in de vorm van zweet, urine en ontlasting. Zonder een mechanisme om de osmotische druk te reguleren, of wanneer een ziekte dit mechanisme beschadigt, bestaat de neiging om giftig afval en water op te hopen, wat ernstige gevolgen kan hebben.

Zoogdiersystemen zijn geëvolueerd om niet alleen de algehele osmotische druk over membranen te reguleren, maar ook specifieke concentraties van belangrijke elektrolyten in de drie belangrijkste vloeistofcompartimenten: bloedplasma, interstitiële vloeistof en intracellulaire vloeistof. Omdat de osmotische druk wordt geregeld door de beweging van water over membranen, kan het volume van de vloeistofcompartimenten ook tijdelijk veranderen. Aangezien bloedplasma een van de vloeibare componenten is, heeft osmotische druk een directe invloed op de bloeddruk.

Uitscheidingsstelsel

Het menselijke uitscheidingssysteem functioneert om afvalstoffen uit het lichaam te verwijderen via de huid als zweet, de longen in de vorm van uitgeademde kooldioxide en via het urinestelsel in de vorm van urine. Alle drie deze systemen nemen deel aan osmoregulatie en afvalverwijdering. Hier richten we ons op het urinestelsel, dat bestaat uit de gepaarde nieren, de urineleider, urineblaas en urethra (Figuur 16.3). De nieren zijn een paar boonvormige structuren die zich net onder de lever in de lichaamsholte bevinden. Elk van de nieren bevat meer dan een miljoen kleine eenheden, nefronen genaamd, die bloed filteren dat de metabolische afvalstoffen van cellen bevat. Al het bloed in het menselijk lichaam wordt ongeveer 60 keer per dag gefilterd door de nieren. De nefronen verwijderen afvalstoffen, concentreren ze en vormen urine die in de blaas wordt opgevangen.

Intern heeft de nier drie regio's: een buitenste cortex, een medulla in het midden en het nierbekken, het uitgebreide uiteinde van de urineleider. De nierschors bevat de nefronen — de functionele eenheid van de nier. Het nierbekken verzamelt de urine en leidt naar de urineleider aan de buitenkant van de nier. De urineleiders zijn urinedragende buizen die de nier verlaten en in de urineblaas ledigen.

Bloed komt elke nier binnen vanuit de aorta, de hoofdslagader die het lichaam onder het hart van stroom voorziet, via een nierslagader. Het wordt verdeeld in kleinere vaten totdat het elke nefron in haarvaten bereikt. Binnen de nefron komt het bloed in nauw contact met de afvalverzamelende tubuli in een structuur die de glomerulus wordt genoemd. Water en veel opgeloste stoffen die in het bloed aanwezig zijn, waaronder ionen van natrium, calcium, magnesium en andere, evenals afvalstoffen en waardevolle stoffen zoals aminozuren, glucose en vitamines, verlaten het bloed en komen het tubulussysteem van de nefron binnen. Terwijl materialen door de tubulus gaan, worden veel van het water, benodigde ionen en bruikbare verbindingen terug geabsorbeerd in de haarvaten die de tubuli omringen, waardoor de afvalstoffen achterblijven. Een deel van deze reabsorptie vereist actief transport en verbruikt ATP. Sommige afvalstoffen, waaronder ionen en sommige medicijnen die in het bloed achterblijven, diffunderen uit de haarvaten in de interstitiële vloeistof en worden opgenomen door de tubuluscellen. Deze afvalstoffen worden vervolgens actief uitgescheiden in de tubuli. Het bloed verzamelt zich dan in steeds grotere vaten en verlaat de nier in de nierader. De nierader sluit zich aan bij de inferieure vena cava, de hoofdader die het bloed vanuit het onderlichaam naar het hart terugvoert. De hoeveelheden water en ionen die opnieuw in de bloedsomloop worden opgenomen, worden zorgvuldig gereguleerd en dit is een belangrijke manier waarop het lichaam het watergehalte en de ionenniveaus regelt. Het afval wordt opgevangen in grotere tubuli en verlaat vervolgens de nier in de urineleider, die leidt naar de blaas waar urine, de combinatie van afvalstoffen en water, wordt opgeslagen.

De blaas bevat sensorische zenuwen, rekreceptoren die aangeven wanneer het geleegd moet worden. Deze signalen creëren de drang om te urineren, die vrijwillig tot een limiet kan worden onderdrukt. De bewuste keuze om te urineren zet signalen in het spel die de sluitspieren openen, ringen van gladde spieren die de opening afsluiten, naar de urethra waardoor urine uit de blaas en het lichaam kan stromen.

Carrièreverbinding

Dialyse technicus

Dialyse is een medisch proces waarbij afvalstoffen en overtollig water uit het bloed worden verwijderd door diffusie en ultrafiltratie. Wanneer de nierfunctie faalt, moet dialyse worden uitgevoerd om het lichaam kunstmatig te ontdoen van afvalstoffen en vloeistoffen. Dit is een essentieel proces om patiënten in leven te houden. In sommige gevallen ondergaan de patiënten kunstmatige dialyse totdat ze in aanmerking komen voor een niertransplantatie. Bij anderen die geen kandidaat zijn voor niertransplantatie, is dialyse een levenslange noodzaak.

Dialysetechnici werken meestal in ziekenhuizen en klinieken. Hoewel sommige functies op dit gebied de ontwikkeling en het onderhoud van apparatuur omvatten, werken de meeste dialysetechnici in de directe patiëntenzorg. Hun on-the-job taken, die meestal plaatsvinden onder direct toezicht van een geregistreerde verpleegkundige, zijn gericht op het geven van dialysebehandelingen. Dit kan het beoordelen van de geschiedenis van de patiënt en de huidige toestand omvatten, het beoordelen van en reageren op de behoeften van de patiënt voor en tijdens de behandeling, en het bewaken van het dialyseproces. De behandeling kan het nemen en rapporteren van de vitale functies van een patiënt omvatten, het voorbereiden van oplossingen en apparatuur om nauwkeurige en steriele procedures te garanderen.


Bekijk de video: Biologie van Tim - Gedrag en prikkels (December 2021).