Definitie
Een feedback mechanisme is een fysiologisch regulerend systeem dat ofwel het lichaam terugbrengt naar een normale interne toestand (homeostase) of, minder gebruikelijk, een intern systeem verder weg brengt van homeostase. Er bestaan twee mechanismen – een negatief en een positief. Deze werken via zenuwbanen of chemische stoffen zoals hormonen om een stimulerend of remmend effect te veroorzaken. Terugkoppelingsmechanismen komen ook voor in ecosystemen.
Wat is een terugkoppelingsmechanisme?
In de biologie is een terugkoppelingsmechanisme een fysiologische lus die het lichaam ofwel in de richting van de normale, stabiele toestand brengt ofwel ervan verwijdert. Het terugkoppelingsmechanisme, ook wel terugkoppellus genoemd, versterkt een bepaalde biologische route of remt deze af. Deze paden brengen het lichaam meestal terug naar de homeostase. Een homeostatische toestand verwijst naar de stabiele toestand van het inwendige milieu van organismen.
Zowel positieve als negatieve terugkoppelingssystemen hebben drie componenten nodig om specifieke fysiologische paden aan te passen:
- Receptor: (of sensor) ontvangt informatie en zendt deze naar het controlecentrum.
- Controlecentrum: (of evaluator) verwerkt receptorinformatie en stimuleert de effector.
- Effector: voert een stimulerend of remmend effect uit volgens instructies van het controlecentrum.
Signalen kunnen worden verzonden via zenuwbanen (actiepotentialen en neurotransmitters) of via chemische signalen (meestal hormonen).
Wanneer we het over fysiologie hebben, hebben we het meestal over homeostase binnen verschillende systemen. Het lichaam streeft naar een constante interne omgeving. Het heeft deze stabiliteit nodig om optimaal te kunnen functioneren.
Als we ergens van schrikken, gaat de hartslag omhoog en stroomt het bloed naar de vitale organen en spieren om ons voor te bereiden op een ontsnapping. Op een bepaald moment moet het lichaam terugkeren naar de homeostase. Het is ongezond om lange tijd in deze opgewonden toestand te blijven. De meeste – negatieve – terugkoppelingsmechanismen werken om het lichaam terug te brengen naar homeostase.
Homeostase kan door veel dingen worden aangetast. Gifstoffen in onze omgeving, wat we eten, onze gemoedstoestand, hoe gezond we zijn, de samenstelling van ons DNA, en de effecten van medicatie en recreatieve drugs. Al deze zaken kunnen ons op cellulair niveau (receptor, controlecentrum of effector) beïnvloeden en afwijkingen in het terugkoppelingsmechanisme veroorzaken.
Alternatief vinden we ook terugkoppelingsmechanismen in onze omgeving. Een ecosysteem dat een konijnenpopulatie ondersteunt, kan bijvoorbeeld in de voedselbehoeften van drie roofvogels voorzien. Als die konijnenpopulatie sterk vermindert door ziekte, kan het niet langer evenveel roofdieren ondersteunen. Een of twee roofvogels moeten op zoek naar andere voedselbronnen of verhongeren. Zodra de konijnenpopulatie weer normaal is, kunnen er weer meerdere roofvogels op af komen. Als de konijnenpopulatie blijft toenemen, kunnen andere roofdieren zich in dat ecosysteem vestigen. In dit geval is de gezondste verhouding tussen roofdier en prooi het equivalent van homeostase.
Open en gesloten-lus terugkoppelingsmechanismen
In een open-lus terugkoppelingsmechanisme zijn de regelstappen relatief eenvoudig. Input van receptoren komt aan bij het controlecentrum en, na verwerking, stuurt dat specifieke controlecentrum signalen naar geassocieerde effectorcellen.
In een gesloten-lusmechanisme is een extra structuur aan het werk. Deze meet voortdurend de uitvoer van de effector en geeft deze informatie rechtstreeks door aan de receptoreenheden. De extra structuur – de comparator – zal dus van invloed zijn op de informatie die bij het controlecentrum aankomt.
Een goed voorbeeld van een closed-loop feedback mechanisme is de thermoregulatie bij zoogdieren. Bij de regeling van de lichaamstemperatuur bevindt de comparator zich in de hypothalamus. Als vergelijker heeft dit kleine gebied te horen gekregen wat de normale lichaamstemperatuur zou moeten zijn.
Thermoregulerende receptoren in het hele lichaam zenden via zenuwimpulsen voortdurend informatie naar een ander gebied in de hypothalamus. Dit gebied is het thermoregulerende controlecentrum. De receptoren detecteren veranderingen in temperatuurvariabelen. Wanneer in deze variabelen afwijkingen worden vastgesteld, sturen receptoren in dat deel van het lichaam waarschuwingssignalen naar de hypothalamus. Het controlecentrum zendt zenuw- en/of chemische signalen naar de thermoregulerende effectoren. Deze effectoren bevinden zich hoofdzakelijk in de schildklier, de bloedvatwanden en de skeletspieren.
Wanneer we het erg koud hebben, worden we bleek en rillen we. Onze stofwisseling versnelt (gestimuleerd door schildklierhormoon) omdat een hogere stofwisseling extra warmte produceert. De bloedvaten dicht bij de huid vernauwen zich om warmteverlies naar de buitenwereld te beperken. Haren op onze armen gaan overeind staan en voegen een extra isolatielaag toe. Spiersamentrekkingen genereren extra warmte. Dit zijn allemaal het resultaat van een negatief terugkoppelingsmechanisme; het lichaam probeert terug te keren naar een streefwaarde van 37°C (98,6°F).
Wanneer we het te warm hebben, worden we blozend en lusteloos, en gaan we zweten. Perifere bloedvaten verwijden zich om hun oppervlak te vergroten, zodat lichaamswarmte aan de buitenwereld kan worden afgestaan. Er worden lagere niveaus schildklierhormoon geproduceerd die de stofwisselingssnelheid vertragen en de warmteproductie in het lichaam verminderen. Zweet koelt het lichaam af. Dit is ook een negatief terugkoppelingsmechanisme dat probeert de lichaamstemperatuur weer op een normaal niveau te brengen.
We willen geen positief terugkoppelingssysteem voor temperatuurbeheersing. Het opzettelijk buiten het homeostatische bereik brengen van de kerntemperatuur kan fataal zijn. Het enige voorbeeld van een positief terugkoppelingsmechanisme in termen van thermoregulatie doet zich voor bij extreem hoge koorts of wanneer we gedurende lange perioden worden blootgesteld aan buitentemperaturen van 109°F en meer. Dergelijke hoge temperaturen verhogen de stofwisselingssnelheid in plaats van deze te verlagen; hierdoor neemt de interne warmteproductie verder toe. Op dit punt zal de lichaamswarmte blijven stijgen tot een fatale temperatuur is bereikt – ongeveer 113°F.
Zonder de comparator zou het bovenstaande thermoregulatoire mechanisme open-loop zijn. Echter, de comparator maakt van thermoregulatie een gesloten-lus systeem. In plaats van uitsluitend te vertrouwen op thermoreceptoren, vergelijkt een ander deel van de hypothalamus voortdurend receptor- en effectorgegevens met de geprogrammeerde normale lichaamstemperatuurwaarden. Dit betekent dat de lichaamstemperatuur altijd in de gaten wordt gehouden – per slot van rekening zijn de meest kritische systemen van het lichaam ervan afhankelijk.
Positief terugkoppelingsmechanisme
Een lus met een positief terugkoppelingsmechanisme is een pad dat een effect veroorzaakt dat veel verder gaat dan de toestand van homeostase. Het versterkt een deel van een fysiologisch systeem dat zich reeds buiten het homeostatische bereik bevindt. Er bestaan zeer weinig positieve lussen in vergelijking met negatieve.
Positieve feedbacklussen vereisen, net als de negatieve vormen, de combinatie van receptor, controlecentrum, en effector. Zij trachten het lichaam verder weg te brengen van de stabiele toestand van homeostase. Voorbeelden van positieve terugkoppelingsmechanismen vindt u verderop.
Negatieve terugkoppelingsmechanismen
Een negatief terugkoppelingsmechanisme kan niet worden gezien als het tegendeel van een positief. Een positief terugkoppelingsmechanisme brengt het lichaam verder buiten het bereik van de homeostase. Dit kan een stimulerend of remmend effect zijn. Waar het hier om gaat is dat de richting van het effect zich verwijdert van het homeostatische bereik.
Het negatieve terugkoppelingsmechanisme daarentegen brengt het lichaam terug in de richting van het homeostatische bereik. Het komt dus vaker voor dan een positieve terugkoppelingslus. Ook hier kunnen zowel stimulerende als remmende effecten worden toegepast om het lichaam terug te brengen naar een normale toestand. Wanneer we het bijvoorbeeld te warm hebben, wordt er minder schildklierhormoon geproduceerd. De productie van schildklierhormoon wordt geremd om de lichaamstemperatuur weer op een normaal peil te brengen, als onderdeel van een negatief terugkoppelingsmechanisme. Wanneer we het te koud hebben, wordt de productie van schildklierhormoon gestimuleerd om de lichaamstemperatuur te verhogen – en ook dit is een negatief terugkoppelingsmechanisme.
Voorbeelden van terugkoppelingsmechanismen
Er zijn duizenden voorbeelden van terugkoppelingsmechanismen in de wereld van de biologie waaruit men kan kiezen. We hebben al gekeken naar thermoregulatie en een eenvoudig ecosysteem. De meeste zijn voorbeelden van negatieve terugkoppelingsmechanismen, omdat dit het meest voorkomende type is.
Bedenk een willekeurig deel van het lichaam en je zult een terugkoppelingslus in het spel kunnen vinden. De bloedsuikerregulatie in een gezond individu wordt geregeld door twee hormonen:
- Insuline: verlaagt de bloedglucoseconcentratie
- Glucagon: verhoogt de bloedglucoseconcentratie
Nadat we hebben gegeten, worden hogere bloedglucosewaarden gedetecteerd door bètacellen (receptoren) in de alvleesklier. De alvleesklier (controlecentrum) produceert insuline. Deze hormoonboodschapper vertelt de effector (de lever) overtollige bloedglucose op te slaan in de vorm van glycogeen – een voorbeeld van een negatieve terugkoppelingslus die hoge bloedglucosewaarden terugbrengt naar normale waarden.
Als we lange tijd niet hebben gegeten, wordt de bloedglucose lager dan de waarden in het normale bereik. Alfacellen (receptoren) in de alvleesklier zenden signalen uit die in andere delen van de alvleesklier (controlecentrum) worden verwerkt. Er wordt besloten om een chemisch signaal in de vorm van glucagon naar de lever te sturen (effector). De lever reageert door zijn glucagonvoorraden af te breken en glucose te produceren. Dit brengt een lage bloedglucosemeting terug op een normaal niveau. Weer een negatieve terugkoppellus.
Positieve terugkoppelingsmechanismen zijn vaak schadelijk, omdat zij de interne omgeving opzettelijk nog verder van homeostase brengen. Kankercellen produceren eiwitten die positieve terugkoppelingslussen in werking stellen en bijdragen tot de vorming van tumoren. Zij doen dit door het leven van cellen te verlengen tot ver voorbij hun normale (homeostatische) levensduur.
Een goed voorbeeld van een positief terugkoppelingsmechanisme zou de cytokinestorm zijn. Van coronavirusziekte is bekend dat het dit buitensporige ontstekingseffect bij de mens teweegbrengt. Overmatige cytokineproductie als ontstekingsreactie op het virus kan leiden tot multi-orgaanfalen en de dood. Een progressieve toename van ontstekingseffecten die het lichaam nog verder buiten de homeostatische norm brengt, maakt dit tot een positief terugkoppelingsmechanisme.
Een ‘positiever’ positief terugkoppelingsmechanisme is bijvoorbeeld te vinden bij de bevalling; met name de voortdurend toenemende productie van oxytocine wanneer de baby op de baarmoederhals duwt en zich door het geboortekanaal beweegt. De receptoren zijn in dit geval zintuigcellen in de baarmoeder en het geboortekanaal; het controlecentrum is de hypofyse. De hypofyse geeft oxytocine af als een chemische boodschapper (hormoon) die de baarmoeder vertelt sterker samen te trekken. Wanneer het vrouwelijk lichaam in homeostase is, trekt de baarmoeder niet samen. Dit is dus een goed voorbeeld van een positieve terugkoppellus.
