Een van de overkoepelende thema’s van de biologie is dat structuur de functie bepaalt; hoe iets is gerangschikt stelt het in staat een specifieke taak uit te voeren. We zien dit op alle niveaus in de hiërarchie van biologische organisatie, van atomen tot de biosfeer. Laten we eens kijken naar enkele voorbeelden waar structuur de functie bepaalt.

• Moleculair niveau – eiwitten. De vorm (structuur) van een eiwit bepaalt de functie ervan. Er zijn bijvoorbeeld twee basisvormen voor eiwitten: vezelig en bolvormig (rond). Vezelige eiwitten, zoals collageen (figuur 18.1), hebben de vorm van een touw en geven stevigheid aan onze huid om te voorkomen dat deze scheurt. Vezelige eiwitten zijn structurele eiwitten omdat ze de huid helpen vorm te geven en te ondersteunen. Globulaire eiwitten, zoals hemoglobine (figuur 18.2), worden gebruikt om zuurstof in het bloed te transporteren. Andere voorbeelden van bolvormige eiwitten met verschillende functies zijn enzymen (katalyseren of versnellen chemische reacties in het lichaam) en plasmamembraaneiwitten (kunnen stoffen over het celmembraan transporteren, een rol spelen in de celcommunicatie, fungeren als enzymen, of helpen de cel te identificeren met de rest van het lichaam).

• Cellulair niveau – skeletspiercellen. De structuur van skeletspiercellen maakt het mogelijk dat zij de functie van contractie hebben, waardoor wij kunnen bewegen. De skeletspiercellen waaruit uw biceps brachii spier bestaat zijn bijvoorbeeld met pezen aan beide uiteinden van het opperarmbeen bevestigd en zitten vol met contractiele eiwitten (actine en myosine) (figuur 18.3). Wanneer de contractiele eiwitten samentrekken, verkorten ze de spiercel, die vervolgens aan de uiteinden van het opperarmbeen trekt en u in staat stelt uw onderarm te buigen (figuur 18.4).

• Individueel niveau (anatomie en fysiologie). Bij het bestuderen van de mens is anatomie de studie van de structuur van het lichaam (bv. waar de quadricepsspier zich bevindt) en fysiologie de studie van hoe het lichaam functioneert (bv. hoe de quadricepsspier samentrekt). Laten we eens kijken naar de anatomie van het hart, die de functie van het hart bepaalt. Het hart bestaat uit vier holle kamers (boezems en kamers) en is opgebouwd uit hartspiercellen (figuur 18.5). Deze structuur zorgt ervoor dat het hart de functie heeft om bloed rond te pompen door het lichaam. Als de structuur van het hart verandert (bijvoorbeeld als sommige hartkamers uitgerekt of verwijd raken), dan neemt de functie van het hart af omdat het hart niet meer zoveel bloed kan rondpompen, wat uiteindelijk congestief hartfalen zal veroorzaken.

• Ecosysteemniveau. Een ecosysteem bestaat uit een gemeenschap van alle verschillende soorten die in een bepaald geografisch gebied leven, evenals alle niet-levende componenten (bijv. water, zand, licht, zuurstof). Als we kijken naar de structuur van een koraalrif-ecosysteem, zien we dat de koralen, die de basissoorten zijn, bescherming en habitat bieden aan andere soorten (figuur 18.6). Het koraalrif beschermt andere soorten, zoals vissen, tegen oceaangolven en stromingen en geeft ze een plek om zich te verbergen voor roofdieren.

10.2 Menselijke weefseltypen

De term weefsel wordt gebruikt om een groep soortgelijke cellen aan te duiden die samen in het lichaam worden aangetroffen en die samenwerken om specifieke functies uit te voeren. Vanuit evolutionair perspectief verschijnen weefsels in complexere organismen.

Hoewel er vele soorten cellen in het menselijk lichaam zijn, zijn zij georganiseerd in vier categorieën van weefsels: epitheelweefsel, bindweefsel, spierweefsel, en zenuwweefsel. Elk van deze categorieën wordt gekenmerkt door specifieke functies die bijdragen tot de algemene gezondheid en het onderhoud van het lichaam. Een verstoring van de structuur van een weefsel is een teken van verwonding of ziekte. Dergelijke veranderingen kunnen worden vastgesteld door middel van histologie, de microscopische studie van het uiterlijk, de organisatie en de functie van weefsel.

De vier soorten weefsels

Epitheelweefsel, ook wel epitheel genoemd, verwijst naar de vellen cellen die de buitenoppervlakken van het lichaam bedekken, interne holten en doorgangen afbakenen, en bepaalde klieren vormen. Voorbeelden van epitheelweefsel zijn de huid, de slijmvliezen, de endocriene klieren en de zweetklieren. Bindweefsel, zoals de naam al aangeeft, bindt de cellen en organen van het lichaam samen en functioneert bij de bescherming, ondersteuning en integratie van alle delen van het lichaam. Het bindweefsel is divers en omvat botten, pezen, ligamenten, kraakbeen, vet en bloed. Spierweefsel is prikkelbaar, reageert op stimulatie en trekt samen om beweging te geven, en komt voor in drie grote typen: skeletspieren (willekeurige spieren), gladde spieren, en hartspieren in het hart. Zenuwweefsel is ook prikkelbaar, waardoor elektrochemische signalen zich kunnen voortplanten in de vorm van zenuwimpulsen die communiceren tussen verschillende delen van het lichaam (figuur 18.7).

Het volgende organisatieniveau is het orgaan, waar twee of meer soorten weefsels samenkomen om specifieke functies uit te oefenen. Net zoals kennis van de structuur en functie van cellen je helpt bij het bestuderen van weefsels, zal kennis van weefsels je helpen begrijpen hoe organen functioneren.

Figuur 10.7 Vier soorten weefsels: Lichaam De vier soorten weefsels worden geïllustreerd in zenuwweefsel, gelaagd plaveiselepitheelweefsel, hartspierweefsel, en bindweefsel in dunne darm. Met de klok mee vanaf zenuwweefsel, LM × 872, LM × 282, LM × 460, LM × 800. (Microfoto’s ter beschikking gesteld door de Regenten van de Universiteit van Michigan Medical School © 2012)

10.3 Orgaansystemen van de mens

Een orgaansysteem is een groep organen die samenwerken om belangrijke functies uit te voeren of in fysiologische behoeften van het lichaam te voorzien. Figuur 18.8 hieronder toont de elf verschillende orgaansystemen in het menselijk lichaam. Het toewijzen van organen aan orgaansystemen kan onnauwkeurig zijn, omdat organen die tot een systeem “behoren” ook functies kunnen hebben die integraal deel uitmaken van een ander systeem. In feite dragen de meeste organen bij aan meer dan één systeem. In deze cursus zullen we enkele, maar niet al deze orgaansystemen bespreken.

Orgaansystemen van het menselijk lichaam

Tabel 10.1 hieronder bevat een lijst met de 11 orgaansystemen, hun onderdelen en functies.

Orgaanstelsel Grootste organen Functie Skeletstelsel Botten, ligamenten, kraakbeen Steun en bescherming Musculair Skeletspieren, pezen Voluntaire beweging Circulatie Hart, bloedvaten Vervoer stoffen Respiratoir Nasholte, keelholte, strottenhoofd, longen Gasuitwisseling en geluid Vertering Mond, maag, darmen, lever, alvleesklier Voeding van voedingsstoffen Luchtweg Nieren, blaas Filtreren bloed, waterhuishouding Intestinair Huid, haar, nagels Bescherming Reproductief Ovaria/testes, klieren, baarmoeder, vagina/penis Reproductie Lymfatisch Monsillen, milt, lymfeklieren Immuunbescherming Nervus Hersenen, ruggenmerg, zenuwen Integratie, communicatie en controle Endocrien Hypothalamus, hypofyse, schildklier, bijnieren, gonaden Integratie, communicatie, en controle

10.4 Homeostase

Alvorens over te gaan tot de bespreking van de afzonderlijke orgaansystemen, is het van belang het begrip homeostase nog eens onder de loep te nemen. Homeostase verwijst naar het handhaven van een relatief stabiele toestand in het lichaam. Menselijke organen en orgaansystemen passen zich voortdurend aan interne en externe veranderingen aan om deze stabiele toestand te handhaven. Voorbeelden van inwendige condities die in homeostase worden gehandhaafd zijn het niveau van de bloedglucose, de lichaamstemperatuur en het calciumgehalte in het bloed. Deze condities blijven stabiel door controle door negatieve terugkoppeling. Als de bloedglucose of het calcium stijgt, stuurt dit een signaal naar organen die verantwoordelijk zijn voor het verlagen van de bloedglucose of het calcium. De signalen die de variabele terugbrengen naar het normale bereik (ook wel het setpoint genoemd) zijn voorbeelden van negatieve terugkoppeling. Wanneer homeostatische mechanismen falen, wordt de persoon ziek en kan sterven.

Controle van homeostase

Wanneer een verandering optreedt in de omgeving van een persoon, moet een aanpassing worden gemaakt. Een receptor (vaak een neuron) neemt de verandering in de omgeving waar, stuurt vervolgens een signaal naar het controlecentrum (in de meeste gevallen de hersenen), dat op zijn beurt een reactie genereert die wordt doorgegeven aan een effector, die de gereguleerde variabele terugbrengt naar het normale bereik. De effector is een spier (die samentrekt of ontspant) of een klier die afscheidt. Homeostatica wordt in stand gehouden door negatieve terugkoppellussen. Positieve terugkoppellussen duwen het organisme in feite verder uit de homeostase, maar kunnen noodzakelijk zijn om leven mogelijk te maken. Homeostase wordt gecontroleerd door het zenuwstelsel en het endocriene systeem.

Negatieve terugkoppelingsmechanismen

Elk homeostatisch proces dat de richting van de prikkel terugverandert in de richting van het normale bereik is een negatieve terugkoppelingslus. Het kan de prikkel verhogen of verlagen, maar de prikkel mag niet doorgaan zoals hij deed voordat de receptor hem waarnam. Met andere woorden, als een niveau te hoog is, doet het lichaam iets om het omlaag te brengen, en omgekeerd, als een niveau te laag is, doet het lichaam iets om het omhoog te brengen. Vandaar de term negatieve terugkoppeling. Een voorbeeld is het op peil houden van de bloedglucosespiegel. Nadat een persoon heeft gegeten, stijgt het glucosegehalte in het bloed. Gespecialiseerde cellen in de alvleesklier merken dit, en het hormoon insuline wordt door het endocriene systeem vrijgegeven. Insuline zorgt ervoor dat de bloedglucosespiegel daalt, zoals te verwachten is in een systeem met negatieve terugkoppeling, zoals geïllustreerd in figuur 18.9. Als iemand echter niet heeft gegeten en de bloedglucosespiegel daalt, wordt dit door een andere groep cellen in de alvleesklier opgemerkt, en komt het hormoon glucagon vrij waardoor de glucosespiegel stijgt. Dit is nog steeds een negatieve terugkoppelingslus, maar niet in de richting die men verwacht bij het gebruik van de term “negatief”. Negatieve terugkoppelingslussen zijn het voornaamste mechanisme dat wordt gebruikt om de homeostase te handhaven.

Figuur 10.9 Het bloedglucosegehalte wordt geregeld door een negatieve terugkoppelingslus. (credit: bewerking van werk van Jon Sullivan)

Thermoregulatie

Een ander voorbeeld van het gebruik van negatieve terugkoppeling om homeostase te handhaven is thermoregulatie. Dieren, zoals de mens, die bij verschillende omgevingstemperaturen een constante lichaamstemperatuur kunnen handhaven, worden endothermen genoemd. Wij zijn in staat deze temperatuur te handhaven door het genereren van interne warmte (een afvalproduct van de cellulaire chemische reacties van het metabolisme) die de cellulaire processen optimaal in werking houdt, zelfs wanneer de omgeving koud is.

Thermoreceptoren (gemaakt van neuronen) in de interne organen, wervelkolom, en hersenen sturen informatie over de lichaamstemperatuur naar het controlecentrum in de hypothalamus in de hersenen. De hypothalamus fungeert als de thermostaat van het lichaam en kan de lichaamstemperatuur verhogen of verlagen om deze binnen het normale bereik te houden (ongeveer 98,6 ºF of 37 ºC). Als de lichaamstemperatuur boven het normale bereik komt, stuurt de hypothalamus signalen naar de zweetklieren om te zweten en naar de gladde spieren rond de bloedvaten in de huid om vasodilatatie te veroorzaken. Vasodilatatie, het opengaan van de bloedvaten naar de huid door ontspanning van hun gladde spieren, brengt meer bloed en warmte naar het lichaamsoppervlak, waardoor het warmteverlies wordt vergemakkelijkt en het lichaam wordt afgekoeld. Omgekeerd, als de lichaamstemperatuur onder het normale bereik ligt, zal de hypothalamus de skeletspieren opdracht geven zich samen te trekken om rillingen te veroorzaken, waardoor lichaamswarmte wordt opgewekt. Er worden ook signalen naar de gladde spieren rond de bloedvaten in de huid gestuurd om vasoconstrictie te veroorzaken. Vasoconstrictie, het vernauwen van de bloedvaten naar de huid door samentrekking van hun gladde spieren, vermindert de bloedstroom in de perifere bloedvaten, waardoor het bloed naar de kern en de vitale organen wordt geduwd, waardoor de warmte behouden blijft.

Het normale bereik (instelpunt) voor de lichaamstemperatuur kan tijdens een infectie worden gewijzigd. Sommige cellen van uw immuunsysteem geven chemische stoffen af, pyrogenen genaamd, die de hypothalamus ertoe brengen het normale bereik van de lichaamstemperatuur terug te zetten naar een hogere waarde, wat resulteert in koorts. De toename van de lichaamswarmte maakt het lichaam minder optimaal voor bacteriële groei en verhoogt de activiteiten van de cellen van het immuunsysteem, zodat ze beter in staat zijn de infectie te bestrijden.

Figuur 10.10 Het lichaam is in staat de temperatuur te regelen in reactie op signalen van het zenuwstelsel in een negatieve terugkoppelingslus.

Positieve terugkoppeling

Een positieve terugkoppelingslus duwt de gereguleerde variabele verder weg van het normale bereik. Positieve terugkoppeling wordt niet vaak in het lichaam gebruikt, maar wel bij de bloedstolling, bij niezen en bij het opwekken van zenuwsignalen. Een ander voorbeeld van positieve terugkoppeling zijn de samentrekkingen van de baarmoeder tijdens de bevalling, zoals geïllustreerd in figuur 18.11. Het hormoon oxytocine, gemaakt door het endocriene systeem, stimuleert het samentrekken van de baarmoeder. Hierdoor wordt het hoofdje van de baby naar de baarmoederhals geduwd, waardoor deze wordt uitgerekt. De uitgerekte baarmoederhals stuurt een signaal naar de hypofyse in de hersenen om meer oxytocine vrij te geven. De verhoogde oxytocine veroorzaakt sterkere samentrekkingen van de baarmoeder, die de baby verder in de baarmoederhals duwen, waardoor deze verder wordt opgerekt. De verhoogde afgifte van oxytocine, de sterkere samentrekkingen van de baarmoeder en de verdere uitrekking van de baarmoederhals gaan door totdat de baby is geboren en de positieve terugkoppelingslus is uitgeschakeld omdat de baarmoederhals niet meer zo sterk wordt uitgerekt.

Figuur 10.11 De geboorte van een menselijke zuigeling is het resultaat van positieve terugkoppeling. (credit: Openstax Biologie 2e)

Opgenomen uit Openstax Menselijke biologie en Biologie 2e

Media Attributions

• Collageen
• Hemoglobine
• Spiervezel
• Biceps
• Inwendige anatomie van het hart
• Koraalrif