Sport

Homeostase: wie regelt wat

Homeostase is het constant houden van het inwendig milieu — het bloedplasma, de weefselvloeistof en de lymfe rondom je cellen — terwijl het uitwendig milieu alle kanten op schommelt. Wat constant moet blijven: temperatuur, pH, osmotische waarde, glucosegehalte en de gehalten aan zuurstof en koolstofdioxide.

Twee stelsels doen het werk, en ze vullen elkaar aan. Het zenuwstelsel meet met zintuigen en receptoren en stuurt in milliseconden bij, maar kortdurend. Het hormoonstelsel gebruikt het bloed als postbode: trager, maar het effect houdt lang aan.

De uitvoerders zijn organen. De longen regelen de gaswisseling, de nieren water en zouten, de lever de glucose en de afbraak van aminozuren, en de huid de warmteafgifte.

Bouw en functie van de regelende organen

Elk orgaan is gebouwd voor zijn rol in de homeostase. De nier heeft haarvatenkluwens onder hoge druk voor de filtratie en lange buisjes om terug te halen wat bruikbaar is; daarmee stelt hij de waterhuishouding en de osmotische waarde bij.

Het bloed heeft zijn eigen buffer: hemoglobine en waterstofcarbonaat vangen vrijkomende waterstofionen op, zodat de pH nauwelijks verschuift als de koolstofdioxidedruk stijgt.

Meten gebeurt met receptoren op de juiste plek. Chemische receptoren volgen de samenstelling van het bloed — pCO2, pO2, pH, glucoseconcentratie — en drukreceptoren in de aortawand meten de bloeddruk. Zonder die metingen valt er niets bij te sturen.

De regelkring

Elke regeling heeft dezelfde vorm: een receptor meet, een regelcentrum vergelijkt de meting met de norm, en een effector stelt bij. Het effect komt via de receptor weer terug bij het begin — vandaar kring.

Bij negatieve terugkoppeling remt het effect de oorzaak, zodat de waarde terugveert naar de norm. Zo werkt vrijwel alle homeostase: het glucosegehalte, de temperatuur, de ademhaling.

Positieve terugkoppeling doet het omgekeerde: het effect versterkt de oorzaak en het proces jaagt zichzelf op. Dat is zeldzaam en altijd tijdelijk, want er moet een duidelijk eindpunt zijn — weeën die eindigen bij de geboorte, of een bloedstolsel dat af is.

Verstoring van het evenwicht

Een dynamisch evenwicht is geen stilstand: de waarde schommelt voortdurend, maar aanvoer en afvoer houden elkaar gemiddeld in balans.

Dat evenwicht raakt verstoord als één schakel van de regelkring uitvalt. Meet de receptor niet meer, ontbreekt het hormoon, of reageert het doelwitorgaan niet — bijvoorbeeld doordat de receptor ongevoelig is geworden — dan loopt de waarde weg. Tegengaan kan door de ontbrekende schakel aan te vullen of door de belasting te verlagen; bij welke van de twee dat het meest oplevert, moet je kijken waar de kring precies breekt.

Assimilatie en dissimilatie

Alle stofwisseling valt in twee richtingen uiteen. Bij assimilatie bouwt de cel organische stof op en legt daarbij energie vast. Bij dissimilatie breekt ze die weer af en komt de energie vrij.

Waar de bouwstenen vandaan komen bepaalt het onderscheid autotroof-heterotroof. Een autotroof organisme maakt zijn organische stof zelf uit anorganische stof; een heterotroof organisme moet die uit ander organisch materiaal halen. Dat verschil is de basis onder elke voedselketen.

Enzymen als katalysator

In een cel gebeurt vrijwel geen enkele chemische reactie vanzelf snel genoeg. Enzymen lossen dat op: ze katalyseren, dat wil zeggen ze verlagen de energie die de reactie nodig heeft om op gang te komen, zonder er zelf bij op te gaan.

Elk enzym doet één ding, want zijn vorm past maar op één substraat. Veel reacties zijn bovendien evenwichtsreacties die beide kanten op kunnen; welke kant overheerst hangt af van de concentraties aan weerszijden — het enzym versnelt alleen, het bepaalt de richting niet.

Energie in de cel

Energie komt in verschillende vormen voor: chemische energie in bindingen, lichtenergie in straling, kinetische energie in beweging, en warmte — de vorm waarin bij elke omzetting een deel verloren gaat.

De cel rekent intern in ATP. Door aan ADP een derde fosfaatgroep te koppelen sla je energie op; door die er weer af te halen komt hij meteen bruikbaar vrij. Voor het vervoer van waterstof en elektronen zijn er aparte dragers: NAD+ wordt NADH bij de dissimilatie, NADP+ wordt NADPH bij de fotosynthese.

Onder de motorkap gaat het om protonen en elektronen. Een verschil in protonconcentratie over een membraan is precies wat de cel gebruikt om ATP te maken.

Fotosynthese in de chloroplast

In de chloroplast, met zijn stapels membranen vol chlorefyl, verloopt de fotosynthese in twee delen.

De lichtreactie heeft licht nodig. Chlorofyl neemt vooral blauw en rood uit het elektromagnetisch spectrum op — groen kaatst het terug, en daarom zien we het blad groen. Met die energie wordt water gesplitst: er komt zuurstof vrij en er ontstaan ATP en NADPH.

De donkerreactie gebruikt die ATP en NADPH om uit koolstofdioxide glucose te bouwen. Licht is daar niet direct voor nodig, al stopt het proces wel als de lichtreactie stilvalt. Samen heet dat C-assimilatie: koolstof vastleggen in organische stof.

Voortgezette assimilatie

De glucose uit de fotosynthese is nog niet het eindpunt. In de voortgezette assimilatie bouwt het organisme er andere stoffen van, elk met hun eigen rol: bouwstof voor cellen en weefsels, brandstof voor de dissimilatie, en reservestof voor later.

Koolhydraten lopen van klein naar groot. Een monosacharide is een enkelvoudige suiker, een disacharide bestaat uit twee, en een polysacharide uit een lange keten. Zetmeel is de reservestof van planten, glycogeen die van dieren — allebei polysachariden, allebei snel weer om te zetten in glucose.

Wat er van gemaakt wordt

Uit de assimilatieproducten bouwt het organisme alles wat het nodig heeft. Cellulose wordt de plantencelwand — voor ons onverteerbaar, maar als voedingsvezel wel nuttig. Vet, opgebouwd uit glycerol en vetzuren, is de compactste reservestof en levert per gram ruim twee keer zoveel energie als koolhydraat.

Eiwitten komen uit aminozuren. Sommige daarvan kan het lichaam zelf maken, de essentiële aminozuren niet: die moeten uit voedsel komen. Fosfolipiden vormen de membranen, DNA de erfelijke informatie, en tussencelstof geeft weefsels hun samenhang.

Anaerobe dissimilatie

Zonder zuurstof kan de cel glucose maar gedeeltelijk afbreken. De glycolyse splitst het molecuul en levert daarbij een kleine hoeveelheid ATP.

Wat er overblijft wordt bij gisting omgezet in alcohol, bij gist en veel planten, of in melkzuur, in onze spiercellen bij zuurstoftekort. In beide eindproducten zit nog veel energie opgesloten: dat is precies waarom de opbrengst zo laag is. Melkzuur hoopt op en verzuurt de spier, wat de inspanning uiteindelijk afremt.

Aerobe dissimilatie

Mét zuurstof kan de afbraak wél volledig. Na de glycolyse gaat de koolstof de citroenzuurcyclus in en wordt hij helemaal afgesplitst als koolstofdioxide; de waterstof gaat mee met de transporteurs.

In de oxidatieve fosforylering geven die transporteurs hun elektronen af aan een reeks eiwitten. Elke stap laat een beetje energie vrij, en aan het eind vangt zuurstof — de oxidator — de elektronen op. Hier ontstaat verreweg de meeste ATP. Zonder zuurstof aan het eind loopt de hele rij vast, en daarom kan de aerobe route zonder zuurstof niet draaien.

Reactievergelijkingen en elementen

Een reactievergelijking zet de beginstoffen links en de eindproducten rechts, met aan beide kanten evenveel atomen van elk element. De molecuulformule zegt alleen wát er in een molecuul zit, de structuurformule ook hoe het aan elkaar hangt — nodig om stoffen met dezelfde molecuulformule te onderscheiden.

De elementen die je moet kennen zijn er niet veel. Koolstof, waterstof, zuurstof en stikstof vormen de organische stof; fosfor zit in DNA, ATP en fosfolipiden; calcium, ijzer, kalium, natrium en chloor doen mee aan botten, zuurstoftransport en de prikkelgeleiding.

De verbindingen die telkens terugkomen zijn glucose, water, koolstofdioxide en zuurstofgas — en in de kringlopen ammoniak, nitraat, nitriet, stikstofgas, fosfaat en methaan.

Hoe een enzym werkt

De werking van een enzym berust op vorm. De actieve plaats past precies op het substraat, zoals een slot op een sleutel. Samen vormen ze kort een enzymsubstraatcomplex, waarin de omzetting plaatsvindt; daarna laat het enzym het product los en is het onveranderd klaar voor de volgende.

Daarom werkt een enzym maar op één stof, en daarom heeft een cel er duizenden verschillende. Of een reactie is verlopen kun je in de praktijk aantonen met een indicator, die door een kleurverandering laat zien of een bepaalde stof aanwezig is.

Temperatuur en pH

Enzymwerking is geen rechte lijn maar een optimumkromme. Bij een lage temperatuur bewegen de moleculen te langzaam en komen enzym en substraat elkaar zelden tegen. Wordt het warmer, dan gaat de reactie sneller — tot het optimum.

Daarboven slaat het om. Door hitte, of door een verkeerde zuurgraad, verliest het eiwit zijn ruimtelijke vorm: denaturatie. Dan past het niet meer op zijn substraat, en dat is onherstelbaar. Elk enzym heeft dan ook zijn eigen optimum: pepsine werkt juist in het zure maagsap, de darmenzymen bij een bijna neutrale pH.

Micro-organismen aan het werk

De stofwisseling van micro-organismen is technisch bruikbaar. Bij fermentatie laat je gisten, bacteriën of schimmels op grote schaal een omzetting doen: brood, bier, yoghurt, kaas, en ook antibiotica en enzymen voor de industrie.

Met recombinant-DNA-technologie ga je een stap verder. Je brengt een gen van een ander organisme in — vaak met een plasmide als vervoermiddel — zodat de bacterie een eiwit gaat maken dat hij van zichzelf niet maakt. Zo wordt bijvoorbeeld menselijke insuline geproduceerd.

Fotosynthese en chemosynthese

Beide processen leggen koolstof vast in organische stof, en beide maken hun organisme autotroof. Het verschil zit in de energiebron.

De fotosynthese gebruikt licht. De chemosynthese haalt de energie uit anorganische reacties, bijvoorbeeld uit de omzetting van zwavel- of stikstofverbindingen. Dat betekent dat chemosynthetiserende bacteriën in het volslagen donker kunnen leven — in de bodem, en bij bronnen op de diepzeebodem waar hele levensgemeenschappen op draaien.

Bouw van de luchtwegen

Gaswisseling is de uitwisseling van zuurstof en koolstofdioxide met de omgeving. Ze verloopt altijd door diffusie, en dus altijd over een dun, vochtig en groot oppervlak.

Bij de mens gaat de lucht via neus- en keelholte door de luchtpijp, die door kraakbeenringen open blijft, naar de twee bronchiën. Die splitsen zich steeds verder tot de kleinste buisjes uitkomen op de longblaasjes. Daar, en alleen daar, vindt de gaswisseling plaats: de wand is één cellaag dik en ligt tegen een dicht net van haarvaten aan.

De luchtwegen erboven doen niet aan gaswisseling mee, maar maken de lucht wel warm, vochtig en schoon: slijm vangt vuil en trilhaarcellen voeren het af.

Ventilatie en de regeling ervan

De longen bewegen zichzelf niet. Het middenrif en de tussenribspieren vergroten de borstholte; door de onderdruk in de interpleurale ruimte volgen de longen die beweging en stroomt er lucht naar binnen. Uitademen gaat in rust vanzelf, doordat de spieren ontspannen en het weefsel terugveert.

De volumes hebben vaste namen. De vitale capaciteit is wat je na maximaal inademen nog kunt uitademen; het restvolume blijft altijd achter, zodat de longblaasjes niet dichtklappen. Samen vormen ze de longcapaciteit. De dode ruimte is de lucht in de luchtwegen die niet aan gaswisseling toekomt.

De regeling loopt via het ademhalingscentrum in de hersenstam. Dat reageert vooral op chemoreceptoren die de koolstofdioxidedruk en de zuurgraad meten — niet op een tekort aan zuurstof.

Zuurstof- en koolstofdioxidetransport

Beide gassen gaan door diffusie: van hoge naar lage druk, sneller bij een groter oppervlak, een groter drukverschil en een kortere afstand. Dat is de wet van Fick, en het verklaart de bouw van de long meteen.

Zuurstof gaat vrijwel volledig gebonden aan hemoglobine door het bloed. De verzadigingscurve daarvan is S-vormig: in de long raakt het bloed bijna volledig verzadigd, terwijl er in het weefsel bij een kleine drukdaling al veel zuurstof loskomt. Bij een lagere pH en een hogere koolstofdioxidedruk verschuift die curve — het Bohr-effect — zodat juist actieve weefsels meer krijgen. Myoglobine in de spier bindt steviger en vormt een voorraad.

Koolstofdioxide reist grotendeels als waterstofcarbonaat in het plasma, en voor een kleiner deel gebonden aan hemoglobine.

Gaswisseling bij planten

Een plant wisselt gassen uit via de huidmondjes: openingen tussen twee sluitcellen in de opperhuid van het blad. Staan ze open, dan kan koolstofdioxide naar binnen en zuurstof en waterdamp naar buiten.

De netto richting hangt af van de balans tussen fotosynthese en dissimilatie. In het licht overheerst de fotosynthese: er gaat netto koolstofdioxide in en zuurstof uit. In het donker loopt alleen de dissimilatie door en draait het om. Op het compensatiepunt zijn beide processen even snel en is er netto geen uitwisseling.