Fysiologie van de mens: neuronale signalering en structuur van het zenuwstelsel - Chapter 6

Sectie B

Membraanpotentiaal

De basisprincipes van elektriciteit zijn als volgt:

In de extracellulaire vloeistof bevinden zich vooral natrium- en chloride-ionen. In het intracellulaire compartiment van de cel bevinden zich vooral kaliumionen en negatief geladen eiwitten. Ladingen van hetzelfde type stoten elkaar af: + stoot + af en – stoot – af. Tegenovergestelde ladingen (+ en -) trekken elkaar juist aan en zullen naar elkaar toe bewegen indien zij niet van elkaar gescheiden worden door een barrière.

Elektrisch geladen deeltjes hebben de potentie werk te verrichten met elkaar. Deze potentie wordt elektrisch potentiaal genoemd of, omdat het gaat om een verschil in lading, het potentiaalverschil. Het potentiaalverschil wordt uitgedrukt in volt of vaak ook in millivolt aangezien het om een klein potentiaalverschil gaat.

De beweging die de elektrische deeltjes maken, wordt de stroom genoemd. Het elektrisch potentiaalverschil zorgt voor een stroom van de deeltjes. Afhankelijk van de lading van de deeltjes (gelijke lading of tegenovergestelde lading) beweegt de stroom naar elkaar toe of van elkaar weg. De grootte van de stroom is afhankelijk van het potentiaalverschil en de weerstand (afhankelijk van het milieu waar de deeltjes doorheen bewegen). De weerstand wordt uit gedrukt in Ohm. Het effect van het potentiaalverschil en de weerstand op de stroom is als volgt:

I = V / R

Er zijn stoffen die goed geleiden en stoffen die slecht geleiden. Stoffen die slecht geleiden worden isolatoren genoemd (bijv. de lipide laag van het membraan). Stoffen die goed geleiden, worden geleiders genoemd (bijv. water).

Membraanpotentiaal in rust

In rust bestaat er een potentiaalverschil. De binnenzijde van de cel is negatiever geladen ten opzichte van de buitenzijde van de cel. Dit wordt het rustpotentiaal van de cel genoemd.

Er is besloten dat de extracellulaire vloeistof een voltagewaarde heeft van 0 en het potentiaal wordt berekend aan de hand van de ionen aan de binnenzijde van de cel. Als dus het verschil over het membraan 70mV is, met een overmaat aan negatieve ionen in de cel, dan bedraagt het potentiaalverschil dus -70mV. Het rustpotentiaal van de cel kan variëren van -5 tot -100 mV, afhankelijk van het celtype.

Het rustpotentiaal wordt bepaald door een kleine hoeveelheid negatief geladen ionen binnen de cel en een grote hoeveelheid positieve ionen buiten de cel. Omdat deze deeltjes elkaar aantrekken groeperen deze zich langs het membraan. Door deze manier van groeperen zijn er veel minder ionen nodig om een potentiaalverschil te creëren, dan er aanwezig zijn in de cellulaire en extracellulaire vloeistof.

Ionen die een belangrijke rol spelen in het bepalen van het celpotentiaalverschil zijn natrium, chloride en kalium. De concentraties van natrium en chloride zijn hoger buiten de cel en de concentratie kalium is hoger in de cel. Het verschil in natrium/kalium concentratie wordt gehandhaafd door de natrium-kalium pomp, die natrium uit de cel en kalium in de cel pompt, in de verhouding 3:2. Dat wil zeggen dat er 3 natriumatomen voor 2 kaliumatomen worden uitgewisseld.

De hoogte van het rustpotententiaal is van twee dingen afhankelijk:

1. Verschillen in ionconcentratie tussen intracellulaire en extracellulaire vloeistof

2. Permeabiliteit voor de verschillende ionen, die wordt bepaald door het aantal open ion-kanalen voor de verschillende ionen.

Als de ion-kanalen gesloten zijn, is de hoeveelheid positieve ionen aan beide kanten van het membraan hetzelfde. Als de ion-kanalen voor kalium opengaan, stroomt bijvoorbeeld kalium van intracellulair naar extracellulair (op basis van de concentratiegradiënt). Natrium kan niet door het membraan heen, waardoor een negatieve lading ontstaat in het interieur van de cel en een potentiaal is ontstaan. Het interieur van de cel trekt door het relatieve overschot aan negatieve ionen de natriumionen sterk aan. Zo lang de kalium uitvloed groter blijft dan de natriuminflux zal de hoogte van het potentiaalverschil toenemen. Op een gegeven moment zal het potentiaal zo negatief zijn dat de natriuminflux gelijk is aan de kalium uitvloed. Dit wordt het equilibrium potentiaal genoemd. Dit is per ion verschillend, in dit geval dus voor natrium.

Het equilibriumpotentiaal voor een ion kan verschillend zijn in grootte en richting ten opzichte van een ander ion. Dit hangt af van de concentratiegradiënten van de ionen tussen het intra- en extracellulaire compartiment. Het equilibriumpotentiaal van een ion is afhankelijk van de concentratiegradiënt. Indien de concentratiegradiënt bekend is, kan het equilibrium potentiaal berekend worden, aan de hand van de wet van Nernst:

Eion = equilibriumpotentiaal voor een bepaald ion in mV

Ci = intracellulaire concentratie

Co = extracellulaire concentratie

Z = valentie (aantal bindingen dat een ion aan kan gaan) van het ion

61 = constante waarde voor universele gassen waarbij 37 graden Celsius en de elektrische constante van Faraday in ogenschouw wordt genomen.

Voor natrium:

Voor kalium:

Eion = 61 / +1 log 5 / 150 = -90mV

Wanneer het membraan doorlaatbaar is voor verschillende typen ionen, dan moet hier rekening mee gehouden worden bij het berekenen van het membraanpotentiaal. Als de concentratie gradiënt en de relatieve membraan permeabiliteit bekend zijn voor natrium, kalium en chloride kan het membraan potentiaal berekend worden aan de hand van de Goldman- Hodgkin-Kats (GHK equation) formule:

Merk op dat de chloride concentraties andersom staan dan de natrium en kalium concentraties. Dit is omdat chloride een anion is (negatief geladen ion), dus deze heeft het tegenovergestelde effect op het membraanpotentiaal. Wanneer de formule ingevuld wordt, wordt het volgende membraanpotentiaal gevonden:

Vooral kalium heeft grote invloed op een potentiaal verschil.

‘Leak-potassium’ kanalen, oftewel open kaliumkanalen, zorgen voor een stroom van kalium uit de cel, waardoor de cel ten opzichte van buiten de cel negatief geladen wordt. De membraanpermeabiliteit van kalium is namelijk veel groter dan voor andere ionen. Het rustpotentiaal ligt dus dichter bij het equilibriumpotentiaal van kalium dan van natrium. Toch is het rustpotentiaal van de cel niet gelijk aan het equilibriumpotentiaal van kalium, omdat er wel enkele natriumkanalen open staan.

De concentratie kalium- en natriumionen in de cel verandert niet onder normale omstandigheden. De Na/K-ATPase pomp zorgt er namelijk voor dat Na en K concentraties gelijk blijven, door de ionen tegen hun elektrische gradiënt in te pompen. Dit kost energie in de vorm van ATP. De natrium/kalium-ATPase pomp draagt ook direct bij aan het membraanpotentiaal. De pomp pompt voor iedere 2 kaliumionen, die de cel ingaan, 3 natrium ionen de cel uit. Wanneer de pomp een direct effect heeft op het potentiaal van de cel, wordt deze een elektrogene pomp genoemd. Het elektrogene effect van de pomp is vaak klein.

Samengevat worden dus de volgende stappen ondernomen om het rustpotentiaal te onderhouden:

• Na/K-ATPase pomp pompt 2 kaliumionen naar binnen en 3 natriumionen naar buiten, waardoor er een potentiaalverschil over de celmembraan ontstaat. Er staan meer kaliumkanalen open dan natrium kanalen, waardoor er een grotere kaliumuitvloed is dan natriuminvloed (dit gebeurt op basis van de concentratiegradiënt). Hierdoor ontstaat er een membraanpotentiaal dat het equilibriumpotentiaal van kalium benadert. Ondanks dat er ‘lekke’ natrium- en kaliumkanalen zijn, waardoor er op basis van de concentratiegradiënt continu influx en uitvloed is, wordt de membraanpotentiaal in stand gehouden door de Na/K-ATPase pomp.

Chloride heeft geen pomp. Chloride diffundeert uit de cel op basis van de membraanpotentiaal. Er heerst namelijk een positiever geladen milieu in de extracellulaire ruimte, waardoor de concentratie chloride daar toeneemt. Dit gebeurt totdat op basis van de concentratiegradiënt chloride geneigd is om weer naar de intracellulaire ruimte te bewegen. Dit evenwicht van de elektrische-, maar ook de concentratiegradiënt bepaalt het evenwicht van chloride over de celmembraan.

Organische moleculen (fosfaten en proteïnen) zorgen voor het grootste deel van de negatieve lading, maar kunnen niet door het membraan heen.

Gegradeerde potentiaal en actiepotentiaal

Veranderingen in het membraanpotentiaal weg van het rustpotentiaal zorgen voor een elektrisch signaal. Dit is de belangrijkste manier van de zenuwcellen om informatie over te brengen. Deze signalen ontstaan in twee vormen:

• Gegradeerde potentiaal: belangrijk voor het uitzenden van signalen op korte afstand

• Actiepotentiaal: belangrijke voor het uitzenden van signalen op lange afstand

De veranderingen van het rustpotentiaal worden met verschillende begrippen omschreven:

• Polarisatie = Dit is het rustpotentiaal, oftewel -70mV. Ten opzichte van de buitenkant van de cel is de binnenkant iets negatiever geladen.

• Depolarisatie = als de membraanpotentiaal minder negatief wordt dan het rustpotentiaal van -70mV.

• ‘Overshoot’ = Dit is wanneer de ladingen omgekeerd worden. De intracellulaire ruimte van de cel wordt positief en de extracellulaire ruimte negatief. Hierbij is er dus een extreme depolarisatie.

• Repolarisatie = Van depolarisatie gaat de cel terug naar het rustpotentiaal.

• Hyperpolarisatie = de membraanpotentiaal wordt negatiever dan het rustpotentiaal, dus onder de -70mV.

Het verschil in membraanpotentiaal wordt bewerkstelligd door een verschil in membraan permeabiliteit. Door signalen van buitenaf wordt de membraan permeabiliteit aangepast, waardoor het membraanpotentiaal verandert.

Gegradeerde potentiaal

Het gegradeerde potentiaal is een verandering in het membraanpotentiaal over een relatief klein deel van het membraan. Het wordt gebruikt om een gespecialiseerd deel in werking te zetten: denk hierbij aan een receptor potentiaal, een synaptisch potentiaal en pacemakerpotentiaal.

Deze potentiaalverschillen kunnen variëren qua grootte. Een gegradeerd potentiaal kan zorgen voor een depolarisatie of een hyperpolarisatie. Wanneer het membraan potentiaal verandert over een deel van het membraan zal de gradiënt over het aangrenzende potentiaal ook veranderen, doordat het overschot aan positieve ionen in de cel zich verspreid naar aangrenzende delen van het celmembraan. Dit effect wordt ook wel ‘decrementaal’ genoemd, omdat de flow van lading wordt verlaagd als de afstand van de originele plek van het gegradeerde potentiaal wordt vergroot. Omdat de sterkte van het signaal afneemt met een toename van de afstand, kunnen op deze manier alleen signalen worden verzonden over een korte afstand.

Summatie ontstaat als nieuwe stimuli worden gegeven voordat de andere gedoofd zijn. Het potentiaalverschil wordt hierdoor groter, en de gegradeerde potentiaal zal zich verder kunnen verplaatsen.

Actiepotentiaal

Een actiepotentiaal is een grote verandering in het membraanpotentiaal (van -70mV naar bijvoorbeeld + 30 mV). Vaak duurt een actiepotentiaal zeer kort (1-4 milliseconden), en wordt de actiepotentiaal herhaald met een frequentie van 100 per seconde. De membranen van cellen die in staat zijn tot het genereren van een actiepotentiaal worden ‘excitabele’ membranen genoemd (vooral zenuw- en spiercellen). Hun mogelijkheid om een actiepotentiaal te creëren heet excitabiliteit. In tegenstelling tot gegradeerde potentialen kunnen actiepotentialen alleen voorkomen in bepaalde cellen, terwijl in alle membranen gegradeerde potentialen voor kunnen komen.

Voltage-gereguleerde ion kanalen

Deze bestaan uit verschillende soorten:

• Ligand gereguleerd: deze kanalen in de celmembraan openen in respons op binding van een signaalmolecuul

• Mechanisch gereguleerd: deze kanalen in de celmembraan openen in respons op fysieke deformatie (rek) van het plasmamembraan

• Voltage gereguleerd: de hiervoor beschreven ionkanalen kunnen leiden tot activatie van voltage-gereguleerde kanalen. Een verandering in de membraanpotentiaal (door hiervoor besproken acties) kan namelijk leiden tot het openen van voltage-gereguleerde kanalen, waarna de membraanpotentiaal nog sterker verandert, of juist terug wordt gebracht naar de oorspronkelijke rustpotentiaal.

Verschillen tussen Na- en K-voltage gereguleerde kanalen:

• Natrium ion-kanalen openen sneller dan kalium ion-kanalen. De natrium ion-kanalen sluiten eerder dan de kalium ion-kanalen.

• Natriumkanalen hebben een extra kenmerk. Ze hebben een inactivatie poort. Deze kan worden gevisualiseerd als een balletje. Deze inactivatie poort limiteert de influx van natriumionen door het kanaal te blokkeren na depolarisatie. Het ‘balletje’ blokkeert als het ware de influx van natriumionen. Als het membraan repolariseert, gaat het inactivatie-‘balletje’ uit het kanaal. Het ion-kanaal sluit weer bij de rustpotentiaal.

Actiepotentiaal mechanisme

Een actiepotentiaal ontstaat in verschillende stappen:

1. Eerst is er een rustpotentiaal van het membraan, dat dichter bij het equilibrium potentiaal van kalium ligt, omdat er meer kalium- dan natriumkanalen open staan. De rustpotentiaal is normaal -70mV, waarbij intracellulair een negatiever milieu is dan extracellulair.

2. Een actiepotentiaal begint met een depolarisatie stimulus, bijvoorbeeld als een neurotransmitter aan een ionkanaal bindt. Meer natriumkanalen van de cel gaan open, zodat natrium naar binnen kan stromen op basis van zowel de elektrische gradiënt (het milieu is intracellulair negatiever en natrium is een positief ion) als de chemische gradiënt (de concentratie natrium is intracellulair lager dan extracellulair).

3. Wanneer een bepaalde drempelpotentiaal wordt bereikt (ongeveer bij -55mV), zal er een positieve feedback loop ontstaan. De natriuminflux zorgt dat er meer natriumkanalen open gaan staan, waardoor meer natrium de cel in stroomt, en er weer meer natriumkanalen open gaan staan.

4. Dit leidt tot een stijging van het membraanpotentiaal. Het membraan wordt binnen positief en buiten negatief en haalt bijna +60mV (= natrium equilibrium potentiaal). In de praktijk is +30mV echter de piekwaarde van de membraanpotentiaal.

5. Vervolgens gaat de natriumpermeabiliteit enorm achteruit doordat ‘inactivatie poorten’ (visueel weergegeven als een balletje) de kanalen blokkeren.

6. Ondertussen worden de ‘langzame’ kaliumkanalen geopend waardoor er veel kalium de cel uit gaat (zowel op basis van de elektrische als de chemische gradiënt) en de rustpotentiaal weer bereikt wordt.

7. De natrium- en kalium kanalen sluiten weer, maar omdat de kalium kanalen langzamer sluiten ontstaat er een korte periode van hyperpolarisatie. Deze wordt de late hyperpolarisatie genoemd. Deze fase wordt ook wel de refractoire periode genoemd, omdat er in deze fase geen nieuwe actiepotentiaal kan ontstaan. In principe zorgt de Na/K-ATPase pomp dat de rustpotentiaal weer wordt bereikt.

8. Wanneer de kaliumkanalen gesloten zijn, is het rustpotentiaal weer bereikt.

Een actiepotentiaal wordt alleen gegenereerd indien de stimulus een bepaalde drempelpotentiaal haalt. Het drempel potentiaal ligt meestal rond de -55mV. De stimuli die sterk genoeg zijn om een membraan te depolariseren worden drempelstimuli genoemd. Subdrempel stimuli zorgen voor subdrempel potentialen, oftewel gegradeerde potentialen. Wanneer de stimulus wordt weggehaald, gaat het membraan terug naar het rustpotentiaal onder invloed van de Na/K-ATPase pomp.

Actiepotentialen werken volgens het ‘alles-of-niets-principe’ en zijn na stimulatie niet meer afhankelijk van de sterkte van de initiatiestimulus, waardoor ze ontstaan zijn. De sterkte van de stimulus is niet afhankelijk van de sterkte van het actiepotentiaal, maar van het aantal cellen dat geëxciteerd worden, en de frequentie waarmee de actiepotentialen afgegeven worden.

Een actiepotentiaal wordt voorkomen door lokale anesthetica als procaine (novocaine®) en lidocaine (xylocaine®) omdat deze medicijnen de voltage-gerelateerde natriumkanalen blokkeren, waardoor de feedback loop niet ontstaat en er geen actiepotentiaal gegenereerd kan worden. Sommige dieren kunnen een stofje produceren dat hetzelfde effect heeft, tetrodotoxines.

Refractaire periodes

Tijdens een actiepotentiaal zorgt een tweede stimulus hoe groot ook niet voor een tweede actiepotentiaal. De regio van het membraan is dan in een absolute refractaire periode.De inactivatie poort die dit kanaal geblokkeerd heeft, moet weer verwijderd worden door het membraan dat repolariseert voordat een tweede stimulus ervoor kan zorgen dat het kanaal weer open gaat.

De relatieve refractaire periode is een interval waarin een tweede actiepotentiaal gevormd kan worden. Er is in deze periode wel een sterkere stimulus nodig om voor een actiepotentiaal te zorgen. Dit komt ongeveer gelijk voor met de late hyperpolarisatie fase en duur zo’n 1-15 ms. De refractaire fase zorgt ervoor dat er een beperkte hoeveelheid actiepotentialen gegenereerd kan worden en zorgt voor de richting van de actiepotentialen. Met andere woorden, de propagatie van een actiepotentiaal geschiedt dan in één richting en niet in allebei de richtingen.

Actiepotentiaal propagatie

Het stukje membraan dat gedepolariseerd is, depolariseert het stuk membraan ernaast heel snel. Daardoor wordt de actiepotentiaal over een zenuw doorgegeven. Dit wordt actiepotentiaal propagatie genoemd.

De snelheid waarmee een actiepotentiaal langs een membraan gaat, hangt af van de diameter van de vezel, en of de vezel gemyeliniseerd is of niet. Hoe groter de diameter hoe sneller de actiepotentiaal zich kan verplaatsen. Dit komt omdat er dan minder weerstand is. Bij gemyeliniseerde vezels kunnen er minder ionen weglekken waardoor de het signaal ook sneller gaat. De actiepotentiaal verplaatst zich in gemyeliniseerde vezels saltatoir (= met sprongen). De depolarisatietoestand van het membraan wordt namelijk alleen opgewekt in de insnoeringen van Ranvier. Dit is een onderbreking van de myelineschede, waar de concentratie van voltage-gereguleerde natriumkanalen hoog is. Saltatoire conductie verhoogt ook de snelheid waarmee de actiepotentiaal zich kan verplaatsen. De geleidingssnelheid verschilt van 0.5 m/s (kleine diameter, ongemyeliniseerd) tot 100 m/s (grote diameter, gemyeliniseerd). Multiple sclerose is een ziekte waarbij de myelineschedes verloren gaan, en hierbij kan de saltatoire geleiding dus niet meer goed plaatsvinden.

Generatie van actiepotentialen

In afferente neuronen wordt de initiële depolarisatie tot de drempelwaarde bereikt door een gegradeerde potentiaal (dit wordt het receptor potentiaal genoemd). In alle andere neuronen wordt de depolarisatie tot de drempelwaarde bereikt door een gegradeerd potentiaal gegenereerd door een synaptische input van een neuron (dit wordt een synaptisch potentiaal genoemd), of door een spontane verandering in het membraan van het neuron (dit wordt pacemaker potentiaal genoemd). Een pacemaker potentiaal gebeurt bijvoorbeeld in het hart, waarbij er regulaire actiepotentialen worden afgegeven die leiden tot contracties van het hart.

Sectie C

Synapsen

Synapsen zijn gespecialiseerde plaatsen tussen twee neuronen, waar het elektrische signaal in de presynaptische membraan het elektrische signaal in de postsynaptische membraan beïnvloedt. De activiteit van de synapsen kan toenemen en afnemen door een korte, gegradeerde potentiaalverandering in de postsynaptische membraan, waardoor de kans op een actiepotentiaal in de postsynaps groter of kleiner wordt. Wanneer het membraanpotentiaal van de postsynaps dichterbij de drempelwaarde zit, wordt dit een excitatoire synaps genoemd. Het heet een inhibitatoire synaps wanneer het membraanpotentiaal van een postsynaptisch neuron verder weg van de drempelwaarde wordt gebracht.

Convergentie: duizenden synapsen van veel verschillende presynaptische cellen kunnen 1 postsynaptische cel beïnvloeden.

Divergentie: een presynaptische cel kan heel veel postsynaptische cellen beïnvloeden.

Functionele anatomie van synapsen

Er zijn twee typen synapsen, namelijk elektrische en chemische. Hieronder worden de twee soorten besproken.

In elektrische synapsen:

• Hebben de plasmamembranen van het pre- en postsynaptische membraan gap-junctions waardoor de postsynaptische membraan geactiveerd kan worden door een actiepotentiaal van de presynaptische membraan. Het komt neer op een voortgeleiding van de actiepotentiaal zoals dit ook gebeurt over een axon.

• Deze manier van communicatie is ontzettend snel.

• Dit wordt gevonden in glad spierweefsel en in hartspierweefsel

Chemische synapsen:

• Het axon van een presynaptische neuron heeft synaptische blaasjes die bepaalde stoffen, genaamd neurotransmitters, bevatten. Het post-synaptische membraan heeft intrinsieke en extrinsieke membraaneiwitten die samen de ‘postsynaptische density’ vormen. Dit gedeelte van de postsynaptische membraan is gevoelig voor stimulatie/inhibitie door de neurotransmitters.

• De extracellulaire ruimte (synaptische spleet) scheidt het pre- en postsynaptische membraan (vaak is dit 10 tot 20nm).

• Signalen worden overgebracht door de synaptische spleet door neurotransmitters.

• Soms worden er verschillende neurotransmitters vrijgelaten. Dit worden cotransmitters genoemd.

Mechanismes van neurotransmittervrijlating

Op deze manier wordt de cascade van neurotransmitter ‘release’ in gang gezet:

• Het actiepotentiaal bereikt het einde van het axon (de presynaptische membraan).

• Voltage-gereguleerde Ca²⁺ kanalen gaan open.

• Calcium gaat het axoneinde binnen.

• Neurotransmitters worden uitgestoten via exocytose van blaasjes waarin de neurotransmitters liggen opgeslagen.

• Neurotransmitters binden aan de receptoren op de postsynaptische membraan.

• Neurotransmitters worden weggehaald uit de synaptische spleet door bepaalde enzymen, waardoor continue stimulatie van de postsynaptische membraan wordt voorkomen.

De actieve zones zijn de plaatsen waar veel blaasjes met neurotransmitters liggen.

Deze blaasjes liggen losjes vast door interactie van een groep eiwitten, namelijk SNAREs (soluble N-ethylmaleimide-sensitive fusion protein attachment protein receptors).

Als calciuminflux plaatsvindt tijdens depolarisatie van de presynaptische membraan bindt dit aan de zogeheten synaptotagmines, wat zorgt voor een configuratieverandering van de SNAREs, waardoor de neurotransmitters worden uitgestoten via exocytose.

Activatie van de postsynaptische cellen

Receptoren op de postsynaptische membraan zijn:

• Ionotrope receptoren: receptoren zijn ionkanalen

• Metabotrope receptoren: receptoren hebben indirect invloed op verschillende ionkanalen door een G-eiwit of second messenger, bijvoorbeeld cAMP.

In de synapsspleet vindt een vertraging van het signaal plaats van 0.2 milliseconden.

Ongebonden neurotransmitters worden uit de synapsspleet getransporteerd naar:

1. Het presynaptisch membraan (reuptake) of naar gliacellen

2. Diffunderen weg van de receptor

3. Zijn enzymatisch getransformeerd naar inactieve substanties die worden getransporteerd naar het axoneinde om hergebruikt te worden

Excitatoire chemische synapsen

Bij een excitatoire synaps zorgt een neurotransmitter voor een gegradeerde potentiaalverandering in de postsynaptische membraan richting de drempelwaarde. Dit gebeurt doordat natrium de cel instroomt. Deze potentiaalverandering wordt ook wel een Excitatory Postsynaptic Potential (EPSP) genoemd. Je kunt je voorstellen dat als er voldoende neurotransmitter bindt aan de postsynaptische membraan, dit leidt tot een depolarisatie die de drempelwaarde bereikt en ontaardt in een actiepotentiaal.

Inhibitoire chemische synapsen

De potentiaalverandering in een inhiberende chemische (op basis van neurotransmitters) synaps zorgt voor hetzelfde effect als bij een hyperpolarisatie. Als er neurotransmitter bindt aan de postsynaptische membraan zorgt dit voor een verandering van de membraanpotentiaal onder de -70mV. Dit wordt ook wel een Inhibitory Postsynaptic Potential (IPSP) genoemd. Geactiveerde receptoren op het postsynaptische membraan openen namelijk chloride- en kaliumkanalen. Het chlorideequilibrium is negatiever dan de rustpotentiaal. Ook kan een verhoogde kaliumpermeabiliteit zorgen voor een Inhibitory Postsynaptic Potential (IPSP).

Synaptische integratie

Het membraanpotentiaal van een postsynaptisch neuron op elk moment, is het resultaat van alle synaptische activiteit op dat moment. Temporale summatie: membraanpotentiaal dat geproduceerd wordt als er twee of meer inputs voorkomen kort na elkaar. Deze inputs worden dan opgeteld. Het gecreëerde potentiaalverschil is groter dan die veroorzaakt door maar één input. Spatiale (ruimtelijke) summatie: twee inputs op verschillende locaties op dezelfde cel. Dit kan een grotere potentiaalverandering veroorzaken dan slechts één input op één locatie.

Verschillende postsynaptische neuronen hebben verschillende drempelwaarden. Het begin van het neuron heeft een veel lagere drempelwaarde dan het cellichaam of dendrieten omdat er aan het begin van de neuron veel meer voltage-gated natriumkanalen zijn. Een summatie van EPSPs kan al zorgen voor een actiepotentiaal.

Synaptische kracht

Als er een frequenter signaal komt in het axoneinde, wordt er steeds meer calcium naar het presynaptisch membraan gepompt. Deze calciumhoeveelheid wordt steeds groter. Er worden dus meer neurotransmitters vrijgelaten en een grotere EPSP of IPSP ontstaat in het postsynaptische membraan.
Een synaps kan ook extra geactiveerd worden door een axo-axonische synaps. Dit is een axonuiteinde die eindigt op een ander axon.

De axon die het andere axon activeert, kan het effect van het oorspronkelijke axon verlagen (presynaptische inhibitie) of verhogen (presynaptische facilitatie). Sommige receptoren op het presynaptische axoneinde zijn niet geassocieerd met axo-axonische synapsen. Deze worden geactiveerd door neurotransmitters of andere chemische messengers die vrijgelaten worden door neuronen in de nabijheid of door glia-einden of door het axoneinde zelf. Als een presynaptisch axoneinde door zichzelf geactiveerd wordt, wordt dit een autoreceptor genoemd. Een receptor op het postsynaptische membraan kan de transductie van een actiepotentiaal belemmeren als het steeds een tijdje niet kan responderen op een neurotransmitter. Dit wordt receptor desensitisatie genoemd.

Modificatie van synaptische transmissie door medicatie en ziekte

• Medicijnen hebben invloed op neurotransmitter synthese, -opslag en -vrijlating en op de receptoractivatie.

• Lange termijn mechanismen van medicijnen zijn moeilijk te voorspellen omdat de neuronen zich snel aanpassen aan dit gebrek/overschot.

• Agonisten zijn medicijnen die aan een receptor binden en een gelijke respons ontlokken als bij een normale activatie.

• Antagonisten zijn medicijnen die de receptoren bezetten, waardoor ze voorkomen dat normale neurotransmitters aan deze receptoren kunnen binden.

• Tetanus toxine is een protease die de SNARE-eiwitten vernietigt, zodat de blaasjes met daarin neurotransmitters niet meer met de membranen kunnen fuseren.

• Omdat tetanus vooral inhibitoire neuronen aantast, wordt tetanus gekarakteriseerd door excessieve spiercontractie.

• Botulisme is een gif dat ook een binding aangaat met de SNARE-eiwitten. Botulisme beïnvloedt juist excitatoire neuronen waardoor botulisme leidt tot verlamming.

Neurotransmitters en neuromodulatoren

Modulatie van complexe responsen gebeurt door chemische boodschappers. Deze chemische boodschappers worden neuromodulatoren genoemd. Neuromodulatoren kunnen de postsynaptische en presynaptische celrespons veranderen. De grens tussen een neuromodulator en neurotransmitter is onduidelijk. Daarom wordt vaak alleen de neurotransmitter genoemd.

Acetylcholine (ACh)

Neuronen die acetylcholine vrijlaten worden cholinerge neuronen genoemd. Acetylcholine wordt gevormd uit choline en acetyl-coenzym A in het cytoplasma van de synaptische uiteinden. Als acetylcholine wordt vrijgelaten en receptoren heeft geactiveerd, wordt de hoeveelheid acetylcholine verlaagd door acetylcholinesterase, waardoor de receptoren op de postsynaptische membraan minder tot niet meer geactiveerd worden. Dit enzym zit op de pre- en postsynaptische membranen en breekt acetylcholine weer af tot de inactieve vorm. Acetylcholine wordt gerecycled door het presynaptische neuron, doordat deze weer opnieuw wordt opgenomen. De hoeveelheid acetylcholine kan afnemen doordat het wegstroomt van de synaps en in het bloed wordt afgebroken.

Sarine remt acetylcholinesterase waardoor zich een enorme hoeveelheid ACh in de synapsspleet ophoopt. Eerst zorgt dit voor ongecontroleerde spiercontracties, maar vervolgens voor ongevoeligheid van de receptoren van het postsynaptische membraan voor ACh door downregulatie van de receptoren.

Er bestaan twee typen (acetyl)cholinerge receptoren:

• Nicotine receptoren

• Muscarine receptoren

Sommige ACh receptoren reageren ook op nicotine en worden daarom ook nicotine receptoren genoemd. Dit zijn ligand-gereguleerde ionkanalen, die doorlaatbaar zijn voor natrium en kalium. Deze receptoren komen voor op de neuromusculaire overgang (ook wel de ‘eindplaat’ genoemd). Een ander voorbeeld is de functie van deze cholinerge receptoren in aandacht, leren en geheugen.

Bij mensen met Alzheimer degenereren de neuronen die geassocieerd zijn met de productie van ACh. ACh concentraties zijn verlaagd en postsynaptische neuronen verdwijnen. Alzheimer komt voor bij 10-15% van de mensen ouder dan 65 en bij 50% van de mensen boven de 85. Klachten zijn afasie, perceptieverlies, verwarring en geheugenverlies. Acetylcholine receptoren die ook door muscarine worden gestimuleerd, worden ook wel muscarine receptoren genoemd. Deze receptoren zijn G-gekoppelde eiwitten, waardoor bepaalde enzymen worden geactiveerd of ion-kanalen worden geopend. Deze komen veel voor in de hersenen en bij klieren en organen, zoals het hart. Atropine is een antagonist van muscarine receptoren.

Biogene aminen

Biogene aminen zijn kleine, geladen moleculen die gevormd worden door aminozuren en een aminogroep bevatten. Dopamine, noradrenaline, serotonine en histamine zijn het meest bekend.

Catecholaminen:

• Dopamine, noradrenaline en adrenaline bevatten een catecholring en een aminogroep. Hierdoor zijn dit catecholaminen. Ze worden gevormd uit het aminozuur tyrosine en worden omgezet naar L-dopa door tyrosine-hydroxylase.

• Catecholaminen worden vanuit de synapsspleet terug gebracht naar het axon-uiteinde en worden in de extracellulaire vloeistof en axon uiteinden afgebroken door het enzym monoamine oxidase (MAO).

• De cellichamen van catecholamine-vrijlatende neuronen liggen in de hersenstam, de pons en de hypothalamus.

Er wordt onderscheid gemaakt tussen alfa-adrenerge receptoren en beta-adrenerge receptoren.

Alfa-adrenerge receptoren:

• bestaan uit twee subklassen, alfa 1 en alfa 2

Stimulatie van alfa 2: remt noradrenaline vrijlating

Stimulatie van alfa 1: stimuleert de vrijlating juist

Beta adrenoceptoren werken via G-eiwitten en verhogen cAMP in het postsynaptische membraan

• Er zijn 3 subklassen: bèta 1, bèta 2 en bèta 3

Serotonine

Serotonine wordt geproduceerd uit tryptofaan. Serotonine-releasing neuronen innerveren elke structuur in het brein en ruggenmerg. Ze maken gebruik van tenminste 16 verschillende receptoren. Serotonine heeft een verhoogd effect op spiercontrole en een remmend effect op gevoelsneuronen. Serotonine reguleert voedselinname, reproductief gedrag en emoties als goede zin en angst. Serotonine heropnameblokkers (SSRI’s) als paroxetine (paxil) worden gebruikt bij de behandeling van depressies. LSD (lysergic acid diethalamide) blokkeert de serotonine receptoren in de hersenen. Dit veroorzaakt hallucinaties.

Aminozuur neurotransmitters

Er zijn veel excitatoire aminozuren. Aspartaat is een bekende, maar de meest bekende neurotransmitter in het centraal zenuwstelsel is het aminozuur glutamaat.

Glutamaat receptoren zijn vooral inotroop en hebben in het post-synaptische membraan twee subtypen:

• AMPA receptoren

• NMDA receptoren

Als AMPA receptoren en NMDA receptoren samenwerken, wordt dit fenomeen ‘long-term potentiation’ (LTP) genoemd. LTP wordt gebruikt bij het vastleggen van herinneringen.

Als glutamaat vrijgelaten wordt, bindt het zowel aan AMPA- als NMDA-receptoren op het postsynaptische membraan. AMPA-receptoren zorgen ervoor dat natrium de cel in gaat en dat de cel depolariseert. NMDA receptoren zorgen voor calcium influx, maar dit kanaal kan alleen open gaan als er genoeg natrium door de AMPA receptoren is gekomen om de cel te depolariseren.

Calcium activeert een second messenger cascade waardoor de gevoeligheid voor glutamaat wordt verhoogd. Elk volgende actiepotentiaal verhoogt de depolarisatie waardoor de activiteit vergemakkelijkt wordt.

NMDA kan ook zorgen voor excitotoxicititeit. Dit is een fenomeen waarbij schade of sterfte van sommige hersencellen zich snel verspreidt over andere regio’s. Als een cel dood gaat en een overmaat aan glutamaat zich verspreidt, worden AMPA en NMDA receptoren gestimuleerd. Dit zorgt voor een toxische hoeveelheid calcium in de cel, door de overmaat aan NMDA, waardoor de cel dood gaat en wederom glutamaat vrij komt. Op deze manier kan er in korte tijd veel schade ontstaan. Enkele onderzoeken suggereren dat NMDA receptor antagonisten de schade kunnen beperken.

GABA

GABA of gamma-amino-boterzuur is een remmende neurotransmitter in de hersenen. GABA wordt gevormd uit glutamaat. Als GABA bindt aan ionotrope receptoren wordt de chloride influx naar de cel verhoogd. Dit veroorzaakt een hyperpolarisatie. Naast GABA kunnen deze receptoren ook steroïden, barbituraten, ethanol en benzodiazepines binden. Benzodiazepines zorgen voor minder nervositeit en worden gebruikt als slaapmiddel.

Glycine

Glycine wordt uitgescheiden door inhibitoire interneuronen in het ruggenmerg en de hersenstam. Glycine bindt aan ionotrope receptoren waardoor chloride-influx wordt bevorderd. Het rustmembraanpotentiaal wordt dus gestabiliseerd of er ontstaat hyperpolarisatie. Glycine is belangrijk voor de balans van excitatoire en inhibitoire activiteit in de integratiecentra in het ruggenmerg, die zorgen voor de contractieregulatie van skeletspierweefsel. Het neurotoxine strychnine antagoneert glycinereceptoren. Dit zorgt voor convulsies, hyperexcitabiliteit van het zenuwstelsel, spastische contractie van skeletspierweefsel en uiteindelijk dood door een defect in de respiratoire spieren.

Neuropeptiden

De exacte functie van neuropeptiden is onbekend. Ze hebben veel verschillende functies. Neuropeptiden worden anders gemaakt dan de andere neurotransmitters. Neuropeptiden worden gevormd uit mRNA precursors en worden gevormd in ribosomen. De neuropeptiden worden verzameld in blaasjes, die worden getransporteerd naar hun bestemming, waar ze in stukjes worden geknipt door peptidases. Deze peptide neurotransmitters hebben een langere werking dan de niet-peptide neurotransmitters. Nadat ze hun werking hebben gedaan worden ze afgebroken door peptidases in het neuronale membraan.

Endogene opioïden is een groep van neuropeptiden, zoals beta-endorphine, dynorphinen en enkephalinen. Deze hebben receptoren waarop opiaten, zoals morfine en codeïne hun werking uitoefenen. Dit zijn sterke pijnstillers. Substance P is ook een neuropeptide die afgegeven wordt door neuronen, die te maken hebben met de overdracht van sensibele informatie. Neuropeptide P is ook betrokken bij de pijnsensatie.

Miscellaneous

Stikstof oxide en koolstof dioxide werken verrassend genoeg ook als neurotransmitters.

NO speelt een rol bij leren, ontwikkeling, medicijntolerantie, erectie en sensorische en motorische modulatie.

ATP en adenosine zijn excitatoire neuromodulatoren, maar hun rol is nog onbekend.

Fysiologie van de mens: zintuigen - Chapter 7

Sectie A

Het sensibele (zintuiglijk/sensibel) zenuwstelsel is het deel van het zenuwstelsel dat bestaat uit sensibele receptorcellen die stimuli ontvangen van de externe of interne omgeving. Ze brengen het signaal naar de hersenen of het ruggenmerg via afferente neuronen. Als je bewust bent van de informatie die het sensibele zenuwstelsel geeft, heet deze informatie sensibele informatie. Als je je niet bewust bent van deze informatie wordt dit sensatie genoemd. Perceptie is het waarnemen van de sensatie.

Sensibele receptoren

Sensibele receptoren zetten de signalen uit het externe milieu om in gegradeerde potentialen in de perifere uiteinden van de afferente neuronen. Deze potentialen zorgen voor actiepotentialen. De energie of chemicaliën die tegen de sensibele receptor botsen en deze activeren, worden een stimulus genoemd. Het proces waarbij een stimulus wordt omgezet naar een elektrische respons wordt sensibele transductie genoemd. Een stimulus waarop een specifieke receptor is gebouwd, bijvoorbeeld druk, licht, of hitte, wordt de ‘adequate stimulus’ van een bepaalde receptor genoemd.

Voorbeelden van verschillende types receptoren zijn:

• Mechanoreceptoren: deze reageren op mechanische stimuli, zoals druk en rek. Deze stimuli veranderen de permeabiliteit van ion-kanalen op het receptormembraan en veranderen hierdoor het membraanpotentiaal.

• Thermoreceptoren: deze detecteren warmte en koude.

• Photoreceptoren: deze detecteren bepaalde golflengtes van elektromagnetische straling.

• Chemoreceptoren detecteren het binden van chemicaliën aan het receptormembraan. Dit type receptoren detecteert smaak, de pH-waarde van het bloed en het zuurstofgehalte in het bloed.

• Nociceptoren zijn gespecialiseerde zenuwuiteinden die verschillende pijnlijke stimuli als hitte en weefselschade waarnemen.

Receptorpotentiaal

De receptorpotentiaal is een gegradeerde potentiaal dat tot stand komt in afferente neuronuiteindes (of een gespecialiseerde cel die direct verbonden is hiermee) als respons op een stimulus.

De grootte van een gegradeerde potentiaal en de hoogte van een receptorpotentiaal (of een gegradeerd potentiaal in het axon naast de receptorcel) neemt af naar mate het signaal verder weg gaat van de oorsprong. Maar als de depolarisatie groot genoeg is op het receptorgedeelte van het afferente neuron om het membraan tot de threshold (drempelwaarde) te brengen, ontstaat er een actiepotentiaal. Het actiepotentiaal wordt dan doorgegeven aan volgende neuronen die naar de hersenen leiden. Hier wordt een persoon bewust van de stimulus.

Hoe groter de gegradeerde potentiaal, hoe meer actiepotentialen er per seconde worden doorgegeven. Er zijn verschillende factoren die de grootte van het receptorpotentiaal beïnvloeden. Sommige factoren zorgen voor een krachtigere verandering van het receptorpotentiaal, terwijl andere juist zorgen voor een minder krachtige verandering. Factoren die de grootte van de verandering van een receptorpotentiaal beïnvloeden, zijn sterkte van de stimulus, mate van verandering van stimulussterkte, temporale summatie, tot succes gebrachte receptor actiepotentialen en adaptatie. Adaptatie is een afname van receptorgevoeligheid wat resulteert in een afname van actiepotentiaal frequentie in een afferente neuron ondanks een stimulus van constante sterkte.

Primaire sensibele codering

Codering is het omzetten van stimulus-energie naar een signaal dat de relevante sensibele informatie voert naar het centrale zenuwstelsel. Een sensibele eenheid is een enkel afferent neuron met alle receptor einden. Het receptieve veld is het gebied van het lichaam dat als het gestimuleerd wordt, leidt tot activiteit in bepaalde afferente neuronen. Dit wordt het receptieve veld van dat neuron genoemd. Meestal overlappen receptieve velden van meerdere neuronen elkaar.

Stimulus type

Een andere term voor stimulustype (dus hitte, koude, geluid of druk bijvoorbeeld) is stimulus modaliteit. Koude en warmte zijn submodaliteiten van temperatuur; zout, zoet, bitter en zuur zijn submodaliteiten van smaak, etc.

Stimulus intensiteit

Een sterke stimulus wordt uitgedrukt in de frequentie van een actiepotentiaal. Als de sterkte van een stimulus toeneemt en de receptoren op aangrenzende takken van het neuron worden geactiveerd, zorgt dit voor een summatie van het elektrische signaal. Hoe groter de sterkte van een stimulus, hoe groter het gebied is dat wordt geactiveerd. Ook receptoren van andere zenuwuiteinden worden geactiveerd. Dit wordt rekrutering genoemd.

Stimulus locatie

De hersenen weten waar een zenuw gestimuleerd is door de gelabelde lijnen. Dit zijn specifieke anatomische banen die de actiepotentialen geleiden naar de hersenen. Deze banen zijn in de hersenen te herleiden. Hoe precies en fijngevoelig een prikkel wordt verwerkt is afhankelijk van de convergentie van het neuron. Hoe groter de convergentie van het neuron, hoe minder precies het signaal is. De dichtheid van sensibele eenheden bepalen ook de precisie. In je lippen voel je bijvoorbeeld veel beter waar er geprikkeld wordt dan op je bovenbenen. Een afferent neuron reageert veel heviger op een stimulus in het centrum van het receptor veld van dit neuron (omdat daar de dichtheid veel hoger is) dan daarbuiten. Als de receptor uiteinden van verschillende neuronen overlappen, zal de stimulus in een gebied sterker worden gevoeld dan het andere. Ook dit helpt met het bepalen van de locatie van de prikkel.

Laterale inhibitie

Laterale inhibitie is het belangrijkste mechanisme dat helpt met het lokaliseren van de stimulus. De receptoren aan de rand van een stimulus worden enorm geremd ten opzichte van het centrum van de stimulus. Zo ontstaat er discriminatie van de locatie van de prikkel. Laterale inhibitie vergroot dus het effect tussen centrum en periferie van een gestimuleerde regio.

Stimulus duur

Snel adapterende receptoren zijn receptoren die erg snel reageren aan het begin van een stimulus, maar vervolgens erg langzaam of geen enkele actiepotentiaal meer doorgeven. Snel adapterende receptoren zijn belangrijk voor een snelle respons of verandering/beweging ten gevolge van een prikkel. Bijvoorbeeld als je je kleding aantrekt voel je ze even, maar daarna ben je je er niet meer van bewust. Langzaam adapterende receptoren behouden hun respons ongeacht de stimulus duur. Een voorbeeld hiervan zijn de receptoren in gewrichten of spieren die voor de houding en evenwicht zorgen.

Neurale banen in het sensibele systeem

Sensibele banen zijn een groep neuronketens die bestaan uit drie of meer neuronen die parallel verbonden zijn door synapsen. Ze brengen actiepotentialen naar de delen van de hersenen die te maken hebben met bewuste herkenning van sensibele informatie. De sensibele banen worden ook wel ascenderende banen genoemd, omdat ze ‘opstijgen’ in de richting van de hersenen.

Ascenderende zenuwbanen

Een afferent neuron bereikt de hersenen door te synapteren met interneuronen. De neuronen kunnen hierbij convergeren of divergeren. Specifieke ascenderende zenuwbanenzijn de ‘stijgende’ zenuwbanen in het ruggenmerg en hersenen die informatie overdragen van aparte stimuli. Het signaal gaat via de hersenstam en de thalamus en eindigt uiteindelijk in de sensibele gebieden van de cerebrale cortex, in de postcentrale gyrus. Specifieke ascenderende zenuwbanen die informatie van somatische receptoren overdragen (somatische receptoren zitten in de huid, skeletspieren, pezen en gewrichten) gaan naar de somatosensorische cortex. De somatosensorische cortex ligt in de parietaalkwab van het de hersenen, posterior van de centrale sulcus die de pariëtale en frontale kwab scheidt.

• Visuele informatie van het oog gaat naar de visuele cortex in de occipitaalkwab.

• De auditieve informatie van het oor gaat naar de auditieve cortex in de temporaalkwab.

• De informatie over de smaak gaat naar de somatosensorische cortex naar het gebied iets dorsaal van de sensibele cortex.

• De informatie over de reuk gaat naar het limbisch systeem en naar de olfactoire kwab (onder de frontaalkwab).

Niet specifieke zenuwbanen worden geactiveerd door sensorische neuronen van verschillende typen. Deze reageren op bijvoorbeeld druk op de huid, verhitting etc. Deze neuronen worden polymodale neuronen genoemd.

Sectie B

Somatische sensatie

Somatische sensatie is het gevoel/perceptie van de huid, pezen en spieren. Deze somatische sensatie wordt verkregen via somatische receptoren.

Tast en druk

Om aanraking/druk te voelen worden er mechanoreceptoren geactiveerd. De helft van deze receptoren adapteren snel en de andere helft langzaam. De snelle receptoren geven informatie over aanraking, beweging en vibratie. De langzame receptoren geven informatie over druk.

Waarneming van houding en beweging

Het gevoel over postuur en beweging wordt verkregen door rek van de spierspoeltjes. Dit zijn receptoren die gevonden kunnen worden in de skeletspieren. Ook het zicht en het evenwichtsorgaan geven de hersenen een indruk van de houding en beweging van het lichaam ten opzichten van de buitenwereld. Kinesthesie is het gevoel van beweging in een gewricht.

Temperatuur

Er bestaan verschillende thermoreceptoren:

• Koudereceptoren hebben niet selectieve kation kanalen die openen als reactie op temperaturen lager dan de lichaamstemperatuur (0 – 35 graden Celsius). Natriuminflux depolariseert de afferente neuronen. Ook het plantenextract menthol activeert deze kanalen.

• Van 30 – 50 graden Celsius worden de warmtereceptoren geactiveerd. Niet selectieve kation kanalen depolariseren de cel als reactie op warmte. Capsaicin (stofje dat gevonden wordt in chilipeper) en ethanol kunnen deze kanalen ook activeren.

Pijn

Een stimulus die (op het punt staat om) een weefsel te beschadigen veroorzaakt pijn. Er worden dan nociceptoren geprikkeld. Nociceptoren reageren op intense mechanische deformatie, hitte en schadelijke chemicaliën. Deze chemicaliën binden aan ligand-gereguleerde ion kanalen op het nociceptor plasmamembraan. Dit zijn vrije zenuwuiteinden zonder vorm of specialisatie. Glutamaat en neuropeptide P worden hierbij vrijgelaten. Als nociceptieve afferente zenuwen interneuronen activeren leidt dit tot referred pain. Er is sprake van referred pain, wanneer de pijn niet op de plek waar het veroorzaakt wordt, gevoeld wordt. Dit ontstaat doordat viscerale en somatische afferenten samenkomen in neuronen in het zenuwstelsel.

De gevoeligheid van pijnprikkels kan verhoogd of verlaagd worden. Wanneer de gevoeligheid voor een pijnprikkel hoger wordt, heet dit hyperalgesie. De pijn kan dus nog uren nagevoeld worden als de prikkel al verdwenen is.

Analgesie is een selectieve onderdrukking van pijn zonder effecten op bewustzijn of andere sensaties. Stimulatie-geinduceerde analgesie is een fenomeen waarbij de elektrische stimulatie van een bepaald gebied van het centraal zenuwstelsel dat voor een verlaging in pijn zorgt door pijnzenuwbanen te remmen. Sommige neuronen laten morfineachtige endogene opioiden vrij. Morfine blokkeert de nociceptoren, waardoor het pijnsysteem minder actief is.

Acupunctuur werkt doordat het afferente neuronen activeert die endogene opioiden vrijlaten. Bij transcutane elektrische zenuwstimulatie (TENS) wordt de pijnlijke plek gestimuleerd door elektroden. De stimulatie van niet-pijnlijke, lage drempel afferente vezels leiden tot de inhibitie van neuronen in de pijnzenuwbanen.

Neuronale banen van het somatosensorische systeem

Er zijn twee pijn zenuwbanen:

• De ascenderende anterolaterale zenuwbanen (spinothalamische zenuwbanen) synapteren het eerst in de grijze stof. Het tweede neuron kruist het ruggenmerg en gaat naar anterolateraal en vervolgt zijn weg naar de thalamus. Daar synapteert het met corticale projectie neuronen. Deze banen worden gebruikt voor temperatuur en pijn. Dit wordt ook wel de vitale sensibiliteit genoemd.

• De dorsale kolom: De neuronen gaan door de witte stof naar de hersenstam. Daar synapsen de banen voor het eerst. De tweede synaps vindt plaats in de thalamus, waarna er projectie op de somatosensibele cortex plaatsvindt. Dit zijn de banen van de gnostische sensibiliteit.

In de somatosensibele cortex zijn de axon uiteinden gegroepeerd naar de perifere locatie van deze receptoren. De vingers en lippen nemen de grootste plaats in, omdat deze de hoogste dichtheid van receptoren hebben.

Zicht

De golflengte is de afstand tussen twee pieken van elektromagnetische straling. De frequentie wordt uitgedrukt in hertz en is het aantal cycli per seconden van straling. De golflengten die gezien kunnen worden door het oog wordt het zichtbare spectrum genoemd (tussen de 400 en 750nm).

Overzicht van de anatomie van het oog

Het oog bestaat uit drie lagen en is een bal gevuld met vloeistof, die verdeeld is in twee kamers. De sclera vormt een witte capsule rond het oog, behalve voor de pupil, daar wordt dit cornea genoemd. Aan het fibreuze deel van de sclera zitten een aantal oogspieren gehecht.

De choroidea is een donkere, gepigmenteerde laag aan de achterkant van het oog die licht absorbeert en waarin de vaatvoorziening van het oog loopt. Deze laag wordt aan de voorkant van het oog voortgezet en bestaat dan uit:

1. De iris (door de iris wordt de kleur van de ogen bepaald)

2. De ciliairspieren (die invloed heeft op de bolling van de lens)

3. De zonulaire vezels (verbinding tussen de lens en de ciliairspieren)

De grootte van de pupil wordt bepaald door circulaire- en straalsgewijs lopende spieren die in de iris gevonden worden. De pupil is een opening in de iris die bepaalt hoeveel licht er op de retina valt. De retina vormt de laag die op de choroidea is gelegen en dit is een uitmonding vanuit de hersenen. De retina bevat sensorische cellen namelijk fotoreceptoren.

Met een ophtalmoscoop kan gekeken worden naar:

1. Fovea centralis: een regio gespecificeerd om de grootste visuele activiteit te leveren (hier is de dichtheid aan kegeltjes het hoogst)

2. De blinde vlek: hier naartoe wordt de informatie van fotoreceptoren gebracht en uiteindelijk geleverd aan de n. opticus.

3. Heel veel bloedvaten aan de binnenste oppervlakte van de retina

De anterieure kamer van het oog, tussen de iris en cornea is gevuld met vocht, namelijk waterachtige vloeistof (‘aqueous humor’). De posterieure kamer van het oog, tussen de lens en de retina is gevuld met een visceuze substantie, namelijk de ‘vitreous humor’.

Het optische aan zicht

Als een lichtstraal het oog binnen komt, verandert deze van richting. Dit wordt refractie genoemd. Hierdoor kan een oog lichtstralen die uit één punt afkomstig zijn bundelen tot één punt op de retina (scherp zien). Vooral de cornea speelt een belangrijke rol bij het focussen op een bepaald object. Dit komt omdat de lichtstralen meer gebroken worden bij het passeren van lucht naar de cornea, dan van de cornea naar de lens. Voorwerpen in het centrum van het gezichtsveld worden gezien in de fovea centralis.

Accomodatie is het aanpassen van het oog om op verschillende afstanden van het oog dingen te bekijken door de vorm van de lens te veranderen. De vorm van de lens wordt veranderd door contractie/relaxatie van de ciliaire spieren. Dit zijn sfincterachtige spieren die parasympathisch geïnnerveerd worden.

Als de ciliaire spieren samen trekken onder invloed van een verhoogde parasympathische activiteit wordt de diameter verkleind en verlaagt dit de druk op de zonulaire vezels. Hierdoor kan de lens vanuit een natuurlijke neiging om te bollen, opbollen, waarna objecten die dichtbij bekeken worden, scherp kunnen worden gezien. Als de ciliaire spieren relaxeren, wordt de diameter vergroot en ook de druk op de zonulaire vezels. Hierdoor wordt de lens als het ware plat getrokken. Om te focussen op objecten veraf moeten de ciliaire spieren relaxeren en zorgen de zonulaire vezels dat de lens afgeplat wordt. Dit is dus in principe een passief proces.

Als mensen ouder worden, wordt de elasticiteit van de lens minder waardoor ze minder goed kunnen accomoderen. Bij een contractie van de ciliaire spieren is er namelijk niet voldoende opbolling van de lens (door ouderdom). Voorwerpen die dichtbij zijn, kunnen minder goed worden gezien. Dit wordt presbyopsie genoemd. De veranderingen in de transparantie van de lens die ontstaan tijdens het ouder worden, zijn verantwoordelijk voor cataract (staar). Dit is het troebel worden van de lens, waardoor de lens vervangen moet worden.

• De cornea, lensvorm en oogballengte bepalen het punt waar lichtstralen samenkomen.

• Als een persoon de objecten veraf niet goed kan zien, is deze persoon bijziend, oftewel myoop. Deze persoon heeft last van myopie.

• Een persoon die verziend of hypertroop is, kan voorwerpen van dichtbij niet goed zien.

• Astigmatisme betekent dat de lens of cornea geen gladde oppervlakte heeft, waardoor er een cilindercorrectie aangemeten moet worden.

Een glaucoom ontstaat als de aqueuze vloeistof in het oog sneller wordt aangemaakt dan dat het wordt verwijderd. Dit leidt tot schade aan de retina, en kan leiden tot irreversibele blindheid.

Photoreceptor-cells en fototransductie

Fotoreceptorcellen hebben een buitenste segment dat bestaat uit een gestapelde laag membranen. Deze worden discs genoemd. De discs (schijven) bevatten chemische substanties die reageren op licht. Fotoreceptoren hebben ook een binnenste segment die de nucleus, mitochondriën en andere organellen bevat. Ook heeft de binnenste laag synaptische uiteinden die signalen transduceert naar afferente zenuwvezels.

Er zijn twee typen fotoreceptoren, namelijk rods (staafjes) en cones (kegeltjes). In kegeltjes zijn de lichtgevoelige discs gevormd in de vouwingen van de oppervlakte van het membraan. In staafjes zijn de discmembranen intracellulaire structuren. Als licht binnenkomt, moet het eerst door alle lagen van de retina voordat het bij de fotoreceptoren komt. De twee lagen van de retina, het choroid en het pigment epitheel, absorberen licht dat niet is opgevangen door de fotoreceptoren. Hierdoor wordt reflectie tegengegaan. De staafjes zijn extreem gevoelig en responderen op een kleine hoeveelheid licht. De kegeltjes responderen alleen als het licht heel helder is.

De fotoreceptoren bevatten moleculen, de fotopigmenten, die licht absorberen.

Er zijn vier unieke fotopigmenten in de retina:

• Rhodopsine in de staafjes

• Één in elk van de drie andere typen kegeltjes.

Fotopigmenten bevatten de membraangebonden proteïnen ‘opsins’. Opsins omgeven en binden aan een chromofoormolecuul.

Het chromofoor in alle typen fotopigmenten is retinal, afgeleid van vitamine A. Dit is het deel van het fotopigment dat lichtgevoelig is. Elk type opsin bindt op een andere manier aan het chromofoormolecuul, waardoor sommige receptoren veel gevoeliger zijn voor rood licht en andere veel gevoeliger zijn voor bijvoorbeeld blauw licht.

De fotoreceptor is de enige cel die gedepolariseerd is in rust en gehyperpolariseerd wordt in respons op een stimulus. In afwezigheid van licht zet guanylyl cyclase GTP om in cyclisch GMP. cGMP zet het ligand-gereguleerde kation kanaal open waardoor natrium en calcium de cel binnen gaan. Dit leidt tot depolarisatie. In het donker zijn cGMP concentraties hoog en is de fotoreceptor in actieve staat.

Als licht op de fotoreceptor schijnt, wordt de cel gehyperpolariseerd. Er ontstaat een interactie tussen opsinen en transducine (een G-eiwit). Transducine activeert phosphodiesterase dat cGMP omzet naar GMP. Hierdoor worden de kanalen gesloten, en ontstaat er een gehyperpolariseerde toestand. Als je van een heldere plek naar een donkere plek gaat, ontstaat er tijdelijke blindheid. De fotoreceptoren ondergaan dan ‘donker adaptatie’. In het donker kunnen alleen de staafjes geactiveerd worden. Maar in helder licht wordt rhodopsine volledig geactiveerd waardoor de staafjes ongevoelig worden. Rhodopsine kan weer responderen als het weer in een rustfase gekomen is na enkele minuten.

Bij ‘licht adaptatie’ wordt het rhodopsine veel te snel verbruikt en worden de staafjes niet responsief zodat de kegeltjes het overnemen en het object minder helder wordt.

Neuronale banen van zicht

Lichtsignalen zijn omgezet in actiepotentialen door de interactie van fotoreceptoren met bipolaire cellen en ganglioncellen. Fotoreceptoren gaan een interactie aan op twee manieren met ganglioncellen; ON banen en OFF banen. Het glutamaat dat wordt vrijgelaten bij ON banen bindt aan metabotrope receptoren die zorgen voor enzymatische afbraak van cGMP dat de bipolaire cellen hyperpolariseert door eenzelfde mechanisme als de manier waarop licht een fotoreceptor ‘aan’zet. Als er geen licht is, zijn de ganglioncellen niet gestimuleerd om actiepotentialen te verzorgen. OFF banen hebben ionotrope glutamaat receptoren die niet selectieve kation kanalen zijn. Er vindt depolarisatie plaats als glutamaat bindt. De OFF banen zorgen juist wel voor actiepotentialen bij afwezigheid van licht.

Fotoreceptoren, bipolaire cellen en ganglioncellen zijn verbonden door horizontale cellen en amacriene cellen. Deze cellen geven informatie door aan verschillende delen van de retina. De axonen van de ganglioncellen vormen de output van de retina, die uiteindelijk de n. opticus (II) vormen. De twee nn. optici (zowel van het linker- als van het rechteroog) vormen het optische chiasma waar sommige vezels kruisen. Vervolgens heten de zenuwbanen de tractus opticus. De tractus opticus gaat door het corpus geniculatum laterale van de thalamus. Hier komen ook andere zenuwen op uit zodat de thalamus een onderscheid maakt tussen belangrijkheid van al deze informatie. Het corpus geniculatum laterale stuurt actiepotentialen naar de visuele cortex. De nucleus suprachiasmaticus ligt boven de het chiasma opticum en functioneert voor een gedeelte als onze biologische klok.

Kleuren zien

De kleuren die we zien zijn gerelateerd aan golflengtes. Er zijn drie typen kegeltjes in de retina, namelijk rode kegeltjes (lange golflengte), groene kegeltjes (medium golflengte) en blauwe kegeltjes (korte golflengte). Bij elk type golflengte zijn alle kegeltjes gestimuleerd, maar in meer of mindere mate. Ganglioncellen krijgen dus van al deze cellen input. Ganglioncellen krijgen ook input van opponent kleurcellen omdat ze een excitatoire input hebben van een type kegel receptor, en een inhibitatoire input van een andere.

Oogbewegingen

In de fovea centralis wordt de focus gelegd bij het kijken. De oogspieren zorgen dus dat het punt waar naar gekeken wordt precies op de fovea centralis komt te vallen.

Er zijn 6 extrinsieke oogspieren die het oog aansturen.

De snelle bewegingen van het oog worden saccades genoemd. Dit zijn kleine bewegingen die het oog van het ene focuspunt naar het andere focuspunt brengen.

Langzame oogbewegingen zijn betrokken in het volgen van een object.

Gehoor / geluid

Geluid kan zich alleen voortplanten door middel van moleculen. Als een ruimte vacuüm is, kan er dus geen geluid voortgeplant worden. Een geluidsgolf bestaat uit verdichtingen en verdunningen in de lucht (transversaal). De amplitude van een geluidgolf geeft het volume aan. De frequentie geeft de hoogte van de toon aan. De mens heeft een gehoor van 20 – 20 000 Hz.

Geluidsoverdracht in het oor

De eerste stap van horen is het binnengaan van geluiden in de externe gehoorgang. De oorschelp helpt mee om het geluid te brengen naar de externe gehoorgang. Het tympanische membraan (trommelvlies) is gestrekt op het einde van de externe gehoorgang. Als moleculen in de lucht tegen het membraan duwen zorgen ze voor vibratie op dezelfde frequentie als de geluidgolf. Het trommelvlies scheidt de externe gehoorgang (het buitenoor) van het middenoor. Dit is een lucht gevulde holte in het temporaalbot van de schedel. Het middenoor heeft een verbinding met de de buis van Eustachius die uitmondt in de neusholte. Er heerst een atmosferische druk in het middenoor omdat de buis van Eustachius zich opent tijdens gapen, slikken en niezen.

De volgende stap in het overbrengen van geluid naar het binnenoor oftewel de cochlea. De cochlea is een spiraal gevormde passage in het temporaalbot dat gevuld is met de vloeistof endolymfe. Maar voordat het geluid het binnenoor bereikt, is het eerst door de malleus, incus en stijgbeugel doorgegeven (deze bevinden zich in het middenoor). Deze botjes gedragen zich als een zuiger en koppelen de vibraties van het trommelvlies naar het ovale venster. Het ovale venster is een door membraan bedekte opening die het middenoor van het binnenoor scheidt.

De hoeveelheid energie die is doorgegeven naar het binnenoor kan verminderd worden door contractie van twee kleine skeletspieren in het binnenoor, namelijk de m. tensor tympani en de m. stapedius.

• De m. tensor tympani is aangehecht aan de malleus en het trommelvlies en contractie dempt hun beweging.

• De m. stapedius is aangehecht aan de stijgbeugel en controleert deze mobiliteit.

Deze spiertjes contraheren bij het voortduren van geluid en bij eigen spraak. Bij plotselinge harde geluiden als het schieten van een geweer zijn deze spieren niet aangespannen waardoor het erg belangrijk is om oorbeschermers te dragen. De cochlea is bijna compleet gescheiden door een met vloeistof gevulde membraneuze buis, de ductus cochlearis. Deze volgt de cochleaire spiraal en bevat sensibele receptoren van het gehoorsysteem. Op elke kant van de ductus cochlearis bevinden zich endolymfe gevulde compartimenten: de scala vestibuli (op de plek die begint met het ovale venster) en de scala tympani (onder de ductus cochlearis en die eindigt in een tweede met een membraan bedekt gat, namelijk het ronde venster). De scala vestibuli en scala tympani ontmoeten elkaar in het helicotrema.

Fysiologie van de mens: hersenen en gedrag, bewustzijn - Chapter 8

Mate van bewustzijn

Er worden twee vormen van bewustzijn onderscheiden: De mate van bewustzijn en de bewustzijnservaring. Voorbeelden van de mate van bewustzijn zijn onder andere wakker zijn, slapen, slaperig, etc. De bewustzijnservaring is waar de persoon zich bewust van is, zoals denken, voelen, perceptie, etc. De mate van bewustzijn wordt op twee manieren bepaald. Ten eerste door het te kijken naar het gedrag. Ten tweede door een EEG (electroencephalogram) te maken: dit betreft een onderzoek waarbij de verschillende elektrische potentiaalverschillen tussen verschillende punten op de oppervlakte van de schedel worden gemeten.

Electroencephalogram

Het is mogelijk om de elektrische activiteit van neuronen te meten door middel van elektrodes op de schedel. Vooral elektrische signalen in de cortex juist onder de schedel worden hierdoor gemeten. Het beeld van een EEG wordt vooral gevormd door de sommatie van gegradeerde potentialen en meestal niet door actiepotentialen. Deze zijn vooral afkomstig uit de pyramide-cellen van de cortex. Het EEG neemt de postsynaptische potentialen van deze cellen waar. Een EEG patroon heeft een complex golfpatroon met verschillende amplituden en frequenties.

De amplitude wordt uitgedrukt in microvolt en is een maat voor het aantal neuronen dat actief is. Wanneer de amplitude hoog is, zijn er veel neuronen, die een elektrisch signaal afgeven in dezelfde richting (synchroon). Indien de amplitude klein is, zijn er weinig neuronen actief of geven de neuronen elektrische signalen in tegenovergestelde richtingen (asynchroon). De amplitude kan rijken van 0.5-100 microvolt. De frequentie laat zien hoe vaak de golfcycli van de maximale naar de minimale amplituden gaan. Dit wordt uitgedrukt in hertz (Hz). Een lagere frequentie laat een lage activiteit zien, zoals bijvoorbeeld bij slaap.

In een beschadigd deel van de hersenen wijkt een EEG af. Daarnaast kan een abnormaal patroon ook teken zijn van pathologie. Epilepsie bijvoorbeeld wordt gekenmerkt door een abnormale synchrone activiteit van de neuronen. Op het EEG worden amplitudes gezien van tot wel 1000 microvolt en karakteristieke pieken of piekcombinaties. Daarnaast wordt er ook stereotype gedrag gezien bij de patiënt.

De wakkere staat

Het meest prominente patroon van een volwassene tijdens het wakker zijn, wordt het alpharitme genoemd. Dit wordt het best verkregen over de pariëtale en occipitale kwabben. Wanneer mensen hard aan het denken zijn, is de amplitude lager maar de frequentie hoger. Dit ritme wordt het bètaritme genoemd. Deze transformatie (EEG arousal) is geassocieerd met het bezig zijn met een stimulus.

Slaap

Als een persoon heel moe is, verandert het alphapatroon. Het krijgt een lagere amplitude en frequentie. Als een persoon echt slaapt, wordt de amplitude hoger maar de frequentie lager. Dit wordt het thetaritme genoemd (4-8 Hz) en het delta ritme (langzamer dan 4 Hz).

Er zijn twee fases van slaap die afhangen van het feit of de ogen bewegen of juist niet.

• NREM (nonrapid eye movement)

  • hoge amplitude en lage frequentie → slow wave sleep

  • Wordt onderverdeeld in 4 fasen waarbij de amplitude steeds hoger wordt en de frequentie steeds lager.

  • Aan het begin van slaap doorlopen de hersenen stadium 1 tot 4. Dit duurt ongeveer 30-45 minuten. Vervolgens worden het weer omgedraaid.

• REM (rapid eye movement)

  • Wordt wel paradoxale slaap genoemd omdat de persoon moeilijk wakker te maken is, hoewel het EEG patroon heel alert lijkt.

  • Tijdens REM slaap zijn de spieren van het lichaam ontspannen. De ogen maken bewegingen en de motor neuronen naar de ademhalingsspieren zijn actief.

Een volwassene doorloopt dus de fases 1,2,3,4,3,2,1, REM zo’n vier tot vijf keer per nacht. Elke cyclus duurt zo’n 90 – 100 minuten.

Met slaap apneu houdt de stimulatie van de ademhalingsspieren tijdelijk op waardoor de persoon onmiddellijk wakker wordt, doordat ze een zuurstof tekort krijgen. De patiënten kunnen niet goed doorslapen, waardoor ze erg moe zijn overdag. Tijdens het slapen zijn er vele veranderingen in het lichaam. Tijdens NREM wordt er bijvoorbeeld veel groeihormoon en gonadotrope hormonen vrijgelaten. Ook daalt de bloeddruk, hartslag en ademhalingssnelheid. Tijdens de REM stijgt de bloeddruk, hartslag en ademhaling juist. Ook kan het gezicht uitdrukkingen krijgen en kan een erectie van de penis ontstaan. De functie van slaap is nog niet helemaal helder. Wel wordt er gezegd dat het hoognodig is voor het zenuwstelsel, immuunsysteem en herinnering. Als er veel slaap tekort ontstaat, kan dit zelfs leiden tot de dood.

Neuronale substraten van de mate van bewustzijn

Het bewustzijn heeft een circadiaans ritme met gemiddeld 8 uur slaap en 16 uur wakker zijn. Tijdens de slaapperiode wisselen REM slaap en NREM slaap zich af. Tijdens de REM slaap zijn de spieren ontspannen en droomt men. De reticulaire formatie is een gespecificeerd netwerk axonen dat grote delen van de hersenen kan beïnvloeden. Het wordt ook wel het reticulaire activeringssysteem (RAS) genoemd. Het RAS bestaat uit verschillende nublei in de hersenstam. Een deel van deze kernen speelt een rol in het reguleren van het bewustzijn. Dit zijn vooral de componenten die norepinephrine, serotonine en acetylcholine uitscheiden.

Een hypothese over de slaap/waak cyclus is dat deze wordt gereguleerd door verschillende neuronen in het RAS. De waakperiode wordt gereguleerd door norepinephrine en serotonerge neuronen en REM slaap wordt gereguleerd door cholinerge neuronen. NREM slap ligt tussen deze twee uitersten in. De aminerge neuronen zorgen voor arousal door meer motoractiviteit en remming van cholinerge neuronen.

Er zijn nog twee hersengebieden in de voorhersenen die de slaap/waak cyclus reguleren. Het pre-optisch gebied van de hypothalamus zorgt voor slow-wave slaap door inhiberende GABAnerge input naar de thalamocorticale neuronen en de reticulaire formatie van de middenhersenen. Via histamine zorgt inhibitie van de posterieure hypothalamus voor waakzaamheid. Tot slot wordt het ritme van de slaap/waak cyclus gereguleerd door de suprachiasmatische nucleus. Stimulatie van melatonine productie zorgt ervoor dat iemand in slaap valt.

Coma en hersendood

Coma is ernstige verlaging in mentale functie als gevolg van structurele, fysiologische of metabolische stoornissen van de hersenen. Een persoon in coma kan op geen enkele stimulus reageren. Coma kan ontstaan als gevolg van schade aan de cerebrale cortex, schade aan de hersenstam mechanismen, onderbrekingen van de verbindingen tussen de hersenstam en corticale gebieden, metabole dysfuncties, herseninfecties, overdosis drugs. Patiënten in een onomkeerbare coma gaan vaak over in een persistente vegetatieve status waarbij er wel een slaap/waak ritme bestaat maar daar is de patiënt zich niet van bewust. Hersendood wordt vaak beschouwd als criterium voor ‘dood’. Er is sprake van hersendood als de hersenen niet meer werken en deze ook nooit in de toekomst meer zullen werken. Er zijn criteria opgesteld om vast te stellen wanneer iemand hersendood is in plaats van in coma verkeerd. (zie tabel 8.2)

Bewuste ervaring

Bewuste ervaringen zijn de ervaringen die wij bewust meemaken. Dit is groot en deels afhankelijk van onze aandacht.

Selectieve aandacht

Selectieve aandacht is het negeren van onbelangrijke stimuli om alleen maar te focussen op stimuli die wel van belang zijn. Er is sprake van selectieve aandacht wanneer een nieuwe stimulus zich aanreikt. Wanneer de stimulus van groot genoeg belang is, zal er een oriënterende respons volgen. Deze oriënterende respons hoeft niet te volgen. Het pre-attentieve ‘processen’ zorgt ervoor dat de hersenen al bepaalde informatie van te voren filteren, zodat er snel op belangrijke informatie gereageerd kan worden. Dit richt onze aandacht naar het deel van de sensorische input dat het belangrijkste is voor de hersenen op dat moment. Als een stimulus wordt herhaald maar irrelevant is, ontstaat er habituatie. Dit komt door een afzwakking van het effect van de synaptische transmissie in de gerelateerde zenuwroutes.

Neuronale mechanismen voor selectieve aandacht

Belangrijk voor selectieve aandacht is een gedeelte van de hersenstam, waar verschillende sensorische modaliteiten worden geregistreerd. Hier bevinden zich cellen die meerdere sensorische gegevens samen kunnen voegen. Daarnaast is de locus ceruleus van belang, een kern in de pons van de hersenstam. Deze beoordeeldt welk deel van de hersenen dominant is voor aandacht over een bepaalde tijd. Er zijn ook multisensorische neuronen in de associatiegebieden in de cerebrale cortex. Deze dragen bij aan de perceptie van de stimulus.

ADHD staat voor attention deficit hyperactivity disorder. Dit is een ziekte waarbij er een probleem zit in de selectieve aandacht en impulsiviteit. Er is namelijk een dysfunctie van de hersenregionen waarin catecholamine dominant wordt gesignaleerd. Aan mensen met ADHD wordt methylphenidate gegeven. Dit medicijn verhoogt de synaptische concentraties van dopamine en noradrenaline.

Neuronale mechanismen van bewuste ervaring

Sensory neglect: syndroom waarbij er schade is aan de associatie gebieden van de parietale cortex zorgen ervoor dat de beschadigde persoon delen van het lichaam of delen van het visuele veld verwaarlozen alsof ze niet bestaan.

Motivatie en emotie

Motivatie kan leiden tot een hormonale, autonome en gedragsmatige respons. Primair gemotiveerd gedrag (primary motivated behavior) is gedrag dat gerelateerd is aan de homeostase, dus op zoek gaan naar iets te drinken bij dorst Beloning en bestraffen zijn altijd aanwezig bij motivatie. Het belonen en straffen is deel van het reticulaire activeringssysteem (RAS) dat bestaat in de hersenstam en verschillende andere componenten. De componenten die betrokken zijn bij motivatie zijn de mesolimbische dopamine pathways, meso betekent:uit het mesencephalon.Limbisch omdat het naar delen van het limbisch systeem gaat (zoals naar de prefrontale cortex) en dopamine omdat de vezels dopamine als neurotransmitter vrijlaten. Het mesolimbisch systeem is betrokken bij stimulans en het versterken van een stimulans.

Studies over motivatie gebruiken de techniek van brain-self-stimulation. Hierbij reguleert een dier de mate waarbij elektrische stimuli door elektroden geleverd worden in verschillende hersengebieden. Kleine elektroden zorgen ervoor dat de hersenen depolariseren en laten zien wat er zou gebeuren als dezesignalen spontaan zouden ontstaan. Op het moment dat een stimulus is geleverd aan de hersenen als gevolg van het drukken op een knopje, ontstaat er verschillend gedrag. Als het dier vaker op de knop duwt krijgt hij een beloning. Als er minder vaak op de knop wordt geduwd wordt het dier gestraft. De mate van duwen op de knop wordt bekeken om te bepalen in hoeverre het zinvol is om te belonen of straffen. Wetenschappers denken dat de hypothalamus ook een rol heeft in motivatie omdat het zorgt voor regulatie van eten, drinken, temperatuurcontrole en seksueel gedrag.

Chemische mediatoren

• Dopamine is de belangrijkste neurotransmitter in het hersenbeloningssysteem en motivatie.

• Amfetamine is een voorbeeld van een medicijn die de hoeveelheid dopamine als neurotransmitter verhoogd. Dit is een positieve bekrachtiger.

• Chlorpromazine is een anti-psychotisch medicijn dat dopaminereceptoren blokkeert en de activiteit van catecholamine pathways verlaagd.

Emotie

In een emotie wordt het volgende onderscheiden:

1. De anatomische plaatsten waar de emotionele waarde van een stimulus is vastgesteld

2. De hormonale, autonome en buitenstaande expressies en responsen op een stimulus (dus emotioneel gedrag)

3. De bewuste ervaring (innerlijke emoties, zoals angst, liefde, boosheid, vreugde, hoop etc.)

Stimulatie van plaatsen in de laterale hypothalamus veroorzaken een fight or flight reactie. Stimulatie van andere delen van het limbisch systeem als de amygdala veroorzaken gedweeheid. De cerebrale cortex speelt een belangrijke rol in het sturen van de motorneuronen tijdens emotioneel gedrag.

Altered states of consciousness

Altered states of conciousness (bewustzijnsverandering) wordt gekarakteriseerd door psychiatrische stoornissen.

Schizofrenie

Dit is een ziekte waarin de informatie niet goed wordt gereguleerd in de hersenen. Symptomen zijn hallucinaties (het horen van stemmen en zien van hersenschimmen). Mensen met schizophrenie zijn teruggetrokken en hebben stemmingen die niet passen bij het moment. Ook catatonie kan voorkomen (totale immobilisatie). De oorzaak van schizofrenie is nog onduidelijk, maar er wordt gedacht dat het ontstaat doordat de dopamine-pathways overactief zijn.

Stemmingsstoornissen: depressie en bipolaire stoornissen

Bij stemmingsstoornissen is de controle over de stemming/humeur verloren. Depressieve stoornissen (depressie) hebben de volgende kenmerken: doordringende verdrietigheid, angst, geïrriteerdheid, verstoorde slaap, gedachten over dood en zelfmoord. Depressie is geassocieerd met verlaagde neuronale activiteit en metabolisme in het voorste deel van het limbisch systeem in de buurt van de prefrontale cortex.

Bipolaire stoornissen: dit zijn stemmingen die overgaan van depressie naar manie. Fasen van manie worden gekarakteriseerd door persistente opgelatenheid, heel veel gedachten, excessieve energie, te veel vertrouwen en prikkelbaarheid. De exacte oorzaak is onbekend, wel heeft het te maken met amine neurotransmitters (noradrenaline, dopamine, serotonine) en acetylcholine.

Er zijn drie typen drugs die worden gegeven:

• Tricyclische antidepressiva. Deze beïnvloeden de noradrenaline en/of serotonine heropname door de presynaptische zenuwuiteinden.

• Monoamine oxidase remmers. Deze beïnvloeden het enzym dat verantwoordelijk is voor de afbraak van serotonine en noradrenaline.

• Serotonine specifieke heropname remmers (serotonin-specific reuptake inhibitors (SSRIs)). Deze medicijnen worden het vaakst voorgeschreven. Ze remmen de serotonine heropname door de presynaptische zenuwuiteinden.

In alle drie medicijnen is het gevolg een verhoogde concentratie serotonine en noradrenaline in de extracellulaire vloeistof. Het effect van deze antidepressiva is biochemisch meteen waarneembaar, maar het therapeutische effect laat enkele weken op zich wachten. Bij patiënten met bipolaire disorders wordt vaak een verkleinde hippocampus gevonden. Ook zijn mensen die onder chronische stress zitten eerder ‘vatbaar’ voor depressies.

Lithium wordt ook vaak gegeven, want het zorgt dat het denken langzamer gaat en verminderd de overgangen van manisch naar depressief en andersom. Bij elektroconvulsieve therapie (ECT) worden elektrische pulsen gebruikt om een groot aantal neuronen te stimuleren in de hersenen. Hierbij worden stuiptrekkingen en beslaglegging. De persoon is behandeld met anesthetica en spierrelaxanten waardoor de effecten van de stuiptrekkingen minimaal zijn. Een aantal behandelingen van ECT veranderen de neurotransmittersfunctie door de gevoeligheid van serotonine en adrenerge postsynaptische receptoren. Bij het seasonal affective depressive disorder (SADD) (winterdepressie) wordt er gebruik gemaakt van fototherapie.

Psychoactieve substraten, afhankelijkheid en tolerantie

Afhankelijkheid

Substantie afhankelijk is de term die gebruikt wordt voor verslaving. Hierbij kunnen twee facetten tegelijkertijd of onafhankelijk van elkaar werken:

1. Psychologische afhankelijkheid. Hierbij bijstaat een onophoudelijke wens voor een substantie, en de onmogelijkheid om te stoppen met het gebruik van deze substantie door eigen wil.

2. Fysieke afhankelijkheid. Hierbij is het nodig om deze substantie in te nemen om afkickverschijnselen te voorkomen.

Bij verslaving is er meestal sprake van beïnvloeding van de mesolimbische dopamine pathway. Tolerantie ontstaat als verhoogde doses van een substantie nodig zijn om het zelfde effect te verkrijgen. Cross-tolerance: als er tolerantie bestaat voor een andere substantie dan de ingenomen substantie.

Leren en geheugen

Leren is de opslag van informatie als een consequentie van een ervaring. Herinnering is de relatief permanente opslag van geleerde informatie. Geheugen codering (memory encoding): neurale processen die een ervaring veranderen in een herinnering van die ervaring. Het gaat dus om het fysiologische proces van herinneringsformatie.

Geheugen kan onderverdeeld worden in twee categorieën.

1. Declaratieve geheugen: het behoud en het oproepen van bewuste ervaringen die in woorden kunnen worden uitgelegd. In deze soort herinnering worden namen, feiten en ervaringen onthouden. Hierbij zijn de hippocampus, amygdala en diencephalon en alle delen ven het limbisch systeem nodig.

2. Procedureel geheugen: dit is de herinnering waarbij het gaat om de manier waarop je iets doet, bijvoorbeeld bij fietsen.

Korte termijngeheugen ( = working memory/short-term memory) registreert informatie voor een korte tijd, dus enkele seconden/minuten. (bijvoorbeeld een telefoonnummer even onthouden voordat je het gaat intoetsen)

Lange termijngeheugen (= long term memories) zijn herinneringen die voor dagen of jaren worden opgeslagen.

Consolidatie: het proces waarbij kortetermijngeheugen lange termijn geheugen wordt.

Neurale basis van leren en geheugen

Retrograde amnesie: na een klap op het hoofd is de persoon een variabel tijdsbestek het korte termijn geheugen verloren. De persoon kan dus niet vertellen wat er vlak voor de klap is gebeurd. Langetermijn geheugen ‘overleeft’ anesthesie, trauma of elektroconvulsieve shock. Hieruit kan geconcludeerd worden dat werk geheugen elektrische activiteit nodig heeft.

Anterograde amnesie: dit is het gevolg van schade aan het limbische systeem en geassocieerde structuren als de hippocampus, thalamus en hypothalamus. Personen hebben moeite met het ‘omzetten’ van korte termijn geheugen naar lange termijn geheugen. Van voor de klap tegen het hoofd kan de persoon zich alles herinneren maar vanaf dat moment kan de persoon zich alleen dingen in het korte termijn geheugen herinneren.

Er zijn verschillende modellen bedacht om te begrijpen hoe het geheugen werkt.

• Long-term-potentiation (LTP): sommige synapsen ondergaan een eeuwige vergroting in hun effectiviteit als ze veel gebruikt worden.

• Long-term depression (LTD): verlaagt de effectiviteit van synaptische contacten tussen neuronen. Het mechanisme ontstaat door veranderingen in de kanalen in de post-synaptische membranen.

• Plasticiteit: de mogelijkheid van neuraal weefsel om te veranderen als gevolg van activatie.

• ACTH, vasopressine en noradrenaline hebben invloed op het vasthouden van geleerde ervaringen. Dat betekent dat de hormonale consequenties van onze ervaringen onze herinneringen hiervan beïnvloeden.

• Opioide peptiden, enkephaline en endorphine hebben invloed met leren en herinnering, vooral als het leermoment een pijnlijke stimulus bevat.

Cerebrale dominantie voor taal

In 90% van de mensen is de linker hemisfeer gespecialiseerd om taal te produceren. De centra voor taalfunctie zijn in de linker hemisfeer in de temporale, pariëtale en frontale cortex naast de fissuur van Silvie. (deze fissuur scheidt de temporaalkwab van de frontaalkwab en de parietaalkwab.) Schade aan de temporale regio, het gebied van Wernicke, resulteert in afasie. Er zijn problemen met het begrip. De personen hebben vele moeite om het gesproken of geschreven woord te begrijpen, hoewel hun gehoor en zicht niet aangetast zijn. Schade aan het gebied van Broca, dit is het gebied dat verantwoordelijk is voor articulatie, kan expressieve afasie veroorzaken. De personen hebben dan moeilijkheden met gecoördineerde ademhaling en bewegingen met de mond die nodig zijn voor taal, hoewel ze hun lippen en toch wel normaal kunnen gebruiken.

Fysiologie van de mens: spieren - Chapter 9

Skeletspieren

Structuur

Een spier is een verzameling van spiervezels, omgeven door bindweefsel. Een spier zit vast aan bot door middel van pezen (collageen bundels). Een spier brengt beweging in een bot, zoals een groep mensen die aan een boom trekt met touwen. Een spiervezel is één spiercel. Een spiervezel ontstaat doordat in het embryo ongedifferentieerde myoblasten samensmelten in een lange, meerkernige cel. Deze nemen na de geboorte toe in grootte, maar er worden geen nieuwe vezels gevormd door myoblasten. Skeletspiervezels hebben, net als hartspiervezels, een gestreept patroon loodrecht op de lengteas, ook wel dwarsgestreept spierweefsel genoemd. Glad spierweefsel heeft dit niet. Het gestreepte patroon ontstaat doordat er in de spiervezels myofibrillen zitten. Een myofibril bestaat uit dikke en dunne filamenten die elkaar afwisselen, waardoor een patroon ontstaat. Eén deel van een myofibril heet een sacromeer. Een sacromeer bestaat uit één segment van een dik en een dun filament. De dikke filamenten bestaan uit het eiwit myosine, de dunne filamenten bestaan uit de eiwitten actine, troponine en tropomyosine.

Midden in het sacromeer liggen de myosine filamenten. Ze vormen de donkergekleurde A-band. Aan beide kanten van de myosine filamenten liggen de actine filamenten, die de myosine filamenten deels overlappen. Aan de zijde, het verste van de myosine filamenten zitten de actine filamenten vast aan een lijn van eiwitten, de Z-lijn. Een sacromeer is van Z-lijn tot Z-lijn. De lichtgekleurde I-band ligt tussen twee A-banden en in het midden hiervan loopt de Z-lijn. De I-band is het deel van de actine filamenten dat de myosine filamenten niet overlapt. In het midden van de A-band ligt de H-zone. De H-zone bestaat uit het deel van de myosine filamenten die niet door de actine filamenten worden overlapt. In het midden van de H-zone ligt de M-lijn. Dit is een lijn van eiwitten die het midden van de myosine filamenten verbinden. Het eiwit titin verbindt de myosine filamenten met de Z-lijn.

De myosine en actine filamenten liggen zo gerangschikt dat elk myosine filament wordt omgeven door een zeshoek van actine filamenten, en elk actine filament wordt omgeven door een driehoek van myosine filamenten. Tussen de filamenten liggen ruimtes waar zogenaamde cross-bridges liggen. Dit zijn delen van de myosine filamenten die contact maken met de actine filamenten en zo voor contractie zorgen.

Als spiervezels kapotgaan, kunnen er geen nieuwe gevormd worden door deling van andere spiervezels en er kunnen ook geen nieuwe vezels gevormd worden door myoblasten. Nieuwe vezels worden gevormd door satelietcellen. Dit zijn ongedifferentieerde cellen die in de buurt van skeletspier cellen liggen. Het compenseren voor de verloren spiervezels gebeurt echter doordat de overige spiervezels gaan hypertrofiëren.

Fysiologie van spiercontractie

Contractie is niet het korter worden van een spier, maar het activeren van de cross-bridges. Relaxatie van een spier is het deactiveren van de cross-bridges.

Sliding-filament mechanism

Het sliding-filament mechanism is het in elkaar schuiven van de myosine en actine filamenten tijdens een contractie, waarbij de spier korter wordt. De filamenten schuiven over elkaar door de beweging van de cross-bridges, maar worden zelf niet korter. Een cross-bridge van het myosine filament bindt aan een actinefilament. Het maakt vervolgens een beweging, waardoor het actine filament richting het midden van het sacromeer getrokken wordt. Vele van deze bewegingen achter elkaar zorgen ervoor dat het sacromeer verkort wordt.

Een actine filament bestaat uit twee actine polypeptides die in een helixvorm om elkaar heen liggen. Een myosine filament bestaat uit twee grote polypeptides genaamd heavy chains, en vier kleinere light chains. Deze vormen een kop (cross bridge) en een staart. Elke kop heeft twee bindingsplaatsen voor actine en twee bindingsplaatsen voor ATP. De bindingsplaats voor ATP werkt als een enzym dat ATP hydrolyseert.

De cross-bridge cycle, waardoor de sacromeer kan verkorten, verloopt in een aantal stappen:

1. De cross-bridge bindt aan het actine filament

2. De cross-bridge beweegt

3. De cross-bridge laat los van het actine filament

4. De cross-bridge wordt opnieuw geactiveerd door binding van een ATP molecuul.

Als de spier in rust is, is de calciumconcentratie in de cel laag, en zijn de cross-bridges geactiveerd. Een cross-bridge is geactiveerd als er een ATP molecuul aan bindt, dat vervolgens gehydrolyseerd wordt. Als er een actiepotentiaal aankomt en de calciumconcentratie in de cel stijgt, kan de cross-bridge binden aan het actine. Als de cross-bridge bindt, kan het bewegen en laat de ADP en fosfaat los van de cross-bridge. Vervolgens bindt ATP aan de cross-bridge, waardoor deze het actine loslaat. Als laatste wordt het ATP weer gehydrolyseerd en zitten er los aan de cross-bridge ADP en fosfaat.

Troponine, tropomyosine en calcium

Tropomyosine is een lang polypeptide dat langs 7 actine moleculen ligt en de bindingsplaatsen voor de cross-bridges in rust bezet houdt. Troponine is een eiwit dat bestaat uit drie subunits, namelijk I, T, en C. I staat voor inhibitory, T voor tropomyosin binding en C voor calcium binding. Aan elk tropomyosine molecuul is één troponine molecuul verbonden. Troponine reguleert de binding van de cross-bridges aan het actine.

Als door een actiepotentiaal de calciumconcentratie in de cel stijgt, kunnen er calciumionen binden aan de C subunit van troponine. Door deze binding verandert de troponine configuratie. Het tropomyosine schuift van de bindingsplaatsen voor de cross-bridges van de 7 actine moleculen af. Hierdoor wordt het voor de cross-bridge mogelijk om een binding te vormen. Wanneer de calciumconcentratie daalt en er geen calcium meer gebonden is aan het troponine, schuift het tropomyosine weer voor de bindingsplaatsen op het actine en is er geen contractie meer mogelijk.

Excitation-contraction coupling

Excitation-contraction coupling is het proces van actiepotentiaal tot contractie. Als er een actiepotentiaal het celmembraan stimuleert, komt er veel calcium in het cytoplasma. Deze calcium komt voor het grootste deel uit het sarcoplasmatisch reticulum. Het sarcoplasmatisch reticulum is het endoplasmatisch reticulum van een spiercel, maar het heeft een extra eigenschap. Het slaat heel veel calcium op, tot het door een actiepotentiaal het calcium vrijlaat in het cytoplasma.

Als een actiepotentiaal het celmembraan van de spiercel bereikt, kan deze door de hele cel verspreid worden door de zogenaamde T-tubuli. De T-tubuli staan ook nauw in contact met het sarcoplasmatisch reticulum door middel van junctional feet. Op het T-tubuli membraan zit een DHP receptor: een calcium kanaal. Op het sarcoplasmatisch reticulum is een ryanodine receptor, dat ook een calcium kanaal is. Als er een calciumstroom in de T-tubuli ontstaat, zet dit de DHP receptor aan. De DHP receptor zet vervolgens de ryanodine receptor aan. Doordat de ryanodine receptor geactiveerd wordt, laat het sarcoplasmatisch reticulum calcium vrij in het cytoplasma. Vervolgens vindt het sliding-filament mechanism plaats.

Het celmembraan van het sarcoplasmatisch reticulum heeft Ca²⁺-ATPases, waardoor het calcium na het actiepotentiaal teruggepompt wordt in het sarcoplasmatisch reticulum.

Neuromuscular junction

Motorneuronen innerveren skeletspieren. De axonen zijn gemyeliniseerd. Als een axon bij een spier aankomt, splitst het zich in vele takken. Elke tak innerveert één spiervezel. Een motor unit bestaat uit motorneuronen met de bijbehorende spiervezels die het controleren. Als één van de takken van de motorneuronen bij zijn spiervezel aan komt, splitst deze in nog kleinere takjes. Deze gaan in de spiervezel zitten. Vanuit hier laat de motor neuronen vesikels los met de neurotransmitter acetylcholine. De motorische eindplaat is het deel van het celmembraan van de spiervezel dat onder het axon ligt. De neuromuscular junction is waar de motorische eindplaat en het axon samenkomen.

Wanneer een actiepotentiaal bij het einde van het axon komt, depolariseert het dit deel van het celmembraan. Hierdoor openen calcium kanalen en komt calcium het axon in. Het calcium bindt intracellulair aan eiwitten die de vesikels met het acetylcholine de cel uit kunnen laten fuseren. Acetylcholine komt zo in de extracellulaire ruimte tussen axon en spiervezel.

Acetylcholine diffundeert vervolgens naar het celmembraan van de spiervezel. Hier bindt het aan receptoren die Na/K-pompen bevatten. Deze worden geactiveerd en het celmembraan wordt gedepolariseerd. Dit heet de end-plate-potential (EPP). De EPP verspreidt zich over het celmembraan van de spiervezel en in de T-tubuli. In de extracellulaire ruimte tussen het axon en de spiervezel breekt acetylcholine-esterase vervolgens het acetylcholine af.

Single-fiber contractie

Een spier produceert tensie door de contractie. Met deze tensie moet het een massa op kunnen tillen. De tensie en het gewicht zijn twee tegen elkaar werkende krachten.

• Een isometrische contractie volgt als een spier tensie vormt, maar niet korter wordt.

• Een isotonische contractie volgt als een spier een verandering in lengte heeft, terwijl het gewicht hetzelfde blijft. Een isotonische contractie kan ook nog verschillen.

Een concentrische isotonische contractie ontstaat als de spier tensie heeft en korter wordt. De tensie is hier groter dan het gewicht. Een eccentrische isotonische contractie ontstaat als de spier tensie heeft en langer wordt. De tensie is hier kleiner dan het gewicht.

Wat de cross-bridges doen tijdens de verschillende contracties verschilt.

• Concentrische isotonische contractie: de cross-bridge kan het actine verplaatsen en de sarcomeer verkort.

• Eccentrische isotonische contractie: de cross-bridge wordt door externe krachten meegetrokken met het actine van het midden van het sarcomeer af.

• Isometrische contractie: het sarcomeer kan het actine niet verplaatsen en de sarcomeer verkort niet.

Een twitch is de mechanische reactie van een spiervezel op een actiepotentiaal. Na een actiepotentiaal is er eerst een latente periode, een aantal milliseconden voordat de contractie plaatsvindt. In deze latente periode moeten eerst de processen van de excitation-contraction coupling plaatsvinden. De tijd tussen het actiepotentiaal en de piek van de grootste contractie heet de contractie tijd.

Skeletspier, energie & metabolisme

Voor skeletspier contractie is veel ATP nodig. Als er een contractie plaatsvindt, is de hoeveelheid ATP die van tevoren aanwezig is genoeg voor een aantal twitches. Voor langere contracties moet er net zo snel ATP gemaakt worden als dat er wordt afgebroken.

ATP wordt gevormd door:

1. de fosforylering van ADP door creatine fosfaat

2. oxydatieve fosforylering van ADP in mitochondriën

3. fosforylering van ADP door de glycolytic pathway (glycolyse) in het cytoplasma.

Creatinine kinase knipt een fosfaatgroep van de creatinine fosfaat af, en plakt dit aan ADP, waardoor creatinine en ATP ontstaat. Tijdens rust wordt er een grote concentratie creatinine fosfaat opgebouwd in de spiervezel. Dit is de eerste reactie die plaatsvindt wanneer de ATP concentratie in de spiervezel te laag wordt. Als de concentratie creatinine fosfaat te laag wordt, gaat de cel over op oxidatieve fosforylering en glycolyse. De eerste 10 minuten komt de ATP voornamelijk van de glycolyse en oxidatieve fosforylering, van glycogeen dat in de spier zelf aanwezig is. De volgende 30 minuten komt de energie van glucose en vetten uit het bloed.

Spiermoeheid ontstaat als de spier te veel heeft moeten samentrekken. De tensie wordt dan minder dan maximaal. Na een rustperiode, als de spier hersteld is, kan het weer samentrekken. Snelle spiervezels worden snel moe, maar herstellen ook snel. Langzame spiervezels worden minder snel moe, maar herstellen ook langzaam. Spiermoeheid kan ontstaan doordat actiepotentiaal overdracht niet meer mogelijk is. De T-tubuli raken vol met kalium door de herhaalde actiepotentialen, en kunnen daardoor geen actiepotentiaal meer doorgeven. Het kan ook ontstaan doordat er te veel melkzuur in de spier ontstaat. Ook kan de cross-bridge cycle worden verstoord, doordat er veel ADP en fosfaat in de cel opgebouwd wordt. Het blijft continu gebonden aan de cross-bridge, waardoor relaxatie niet plaats kan vinden (er is meer ADP en fosfaat dan ATP).

Typen skeletspiervezels

Er bestaan verschillende soorten skeletspier vezels. Er zijn snelle vezels, deze hebben myosine met een hoge ATPase activiteit. Door deze hoge ATPase activiteit, kan de cross-bridge cycle sneller plaatsvinden, en kan de spiervezel ook sneller contraheren. De langzame vezels hebben een lage ATPase activiteit, daardoor een langzame cross-bridge cycle en een langzamere contractie. Er kan ook onderscheid gemaakt worden in de vorm van ATP synthese. Oxidatieve vezels gebruiken met name oxidatieve fosforylering voor ATP synthese. Dit zijn rode spiervezels, omdat ze een eiwit bevatten, myoglobine, dat zuurstof kan binden. Glycolytische vezels hebben veel glycolytische enzymen en glycogeen. Ze hebben weinig zuurstof nodig en hebben geen myoglobine, dus zijn ze wit gekleurd.

1. Type 1 spiervezels zijn langzame oxidatieve vezels.

2. Type 2a spiervezels zijn snelle oxidatieve-glycolytische vezels.

3. Type 2b spiervezels zijn snelle glycolytische vezels.

Spiercontractie van een hele spier

Alle spieren bestaan uit alle typen spiervezels. Maar een motor unit bestaat uit maar één type spiervezel. De eigenschappen van een spier zijn afhankelijk van de verhoudingen van spiervezels. De totale tensie in een spier is afhankelijk van het aantal spiervezels dat tegelijk contraheert, en van de tensie die één spiervezel kan produceren. Het aantal spiervezels dat tegelijk contraheert is afhankelijk van het aantal actieve motor units, en het aantal spiervezels in één motor unit. Recruitment is de term voor het aantal motor units die actief zijn op dat moment. Door middel van recruitment kan de tensie in de hele spier bepaald worden. Meer recruitment van motor units geeft een grotere kracht en snelheid van contractie. De tensie die een spiervezel kan produceren is afhankelijk van welk type vezel het is. Type 2b spiervezels kunnen de grootste tensie produceren, omdat ze de grootste diameter hebben.

Als een spier minder vaak gebruikt wordt, worden de diameters van de spiervezels kleiner, ze atrofiëren. Dit kan komen doordat de spier niet gebruikt wordt (bv. arm in het gips), of doordat het niet meer geïnnerveerd wordt (bv. dwarslaesie). Als een spier vaker gebruikt wordt, veranderen de eigenschappen van die spier, afhankelijk van de soort activiteit. Activiteit van lage intensiteit, maar lange duur, geeft een toename in mitochondriën en capillairen rond de gebruikte spiervezels. Activiteit van hoge intensiteit en korte duur, veroorzaakt hypertrofie van de type 2b spiervezels en meer glycolytische enzymen.

Structuur van gladde spieren

Glad spierweefsel heeft geen gestreept patroon en wordt geïnnerveerd door autonome zenuwvezels. Ze hebben één kern en kunnen zich delen. Glad spierweefsel heeft ook actine en myosine filamenten. Het actinefilament heeft echter alleen tropomyosine, geen troponine. De actine filamenten zitten ofwel vast aan het celmembraan, ofwel aan dense bodies die in functie gelijk zijn aan de Z-lijnen van skelet spierweefsel. De filamenten liggen diagonaal aan de lange as van de cel. Wanneer de spiercel contraheert, wordt het korter en dikker.

Glad spierweefsel & contractie

Een verhoging van de calcium concentratie in het cytoplasma veroorzaakt een contractie. Er is geen troponine aanwezig in het actine filament, dus de bindplaatsen van actine voor myosine zijn niet geblokkeerd. In de rustfase is de myosine echter niet geactiveerd. Het kan dus niet binden aan actine. Als de calcium concentratie in het cytoplasma verhoogd wordt, bindt het aan calmoduline, een eiwit dat calcium bindt. Het calcium-calmoduline bindt aan myosine light-chain kinase, waardoor dit enzym geactiveerd wordt. Dit enzym fosforyleert door middel van ATP de myosine cross-bridge. De gefosforyleerde vorm van myosine kan wel aan actine binden en een cross-bridge cycle veroorzaken. De cross-bridge cycle gaat door totdat de myosine gedefosforyleerd wordt door het enzym myosine light-chain fosfatase.

Het calcium in het cytoplasma van een gladde spiercel komt van het sarcoplasmatisch reticulum (SR) en extracellulair. Het sarcoplasmatisch reticulum ligt centraal in de cel. Het wordt geactiveerd door extracellulaire signalen of signalen vanuit de cel zelf om calcium vrij te laten. Daarnaast wordt het geactiveerd door neuronale prikkeling.

De Ca²⁺-ATPases in een gladde spiercel werken erg langzaam, dus een enkele contractie kan enkele seconden duren totdat er genoeg calcium de cel uit is, of het SR in is, om te relaxeren.

De excitation-contraction coupling in een gladde spiercel zorgt ervoor dat de cel geactiveerd of juist geïnhibeerd wordt. De verhouding van de activerende en inhiberende input bepaalt of de cel contraheert of niet. De mate van depolarisatie bepaalt hoeveel calcium het cytoplasma bevat. Een enkele gladde spiercel kan geïnnerveerd worden door verschillende neuronen, en één neuron kan verschillende spiercellen innerveren. Eén neurotransmitter kan verschillende effecten hebben op verschillende gladde spierweefsels.

Sommige gladde spieren hebben een pacemaker potentiaal: zonder input van buitenaf, depolariseren ze tot ze een drempelwaarde bereiken en contraheren. Gladde spiercellen hebben ook receptoren voor hormonen en local factors, zoals paracriene stoffen (NO) en zuurstof en mechanosensitieve rekreceptoren, die samentrekken als ze uitgerekt worden. Allerlei verschillende factoren werken tegelijk op een gladde spiercel. De optelsom van al deze factoren bepaalt hoe de cel zich gedraagt.

Typen glad spierweefsel

Er zijn twee typen glad spierweefsel, namelijk single-unit glad spierweefsel en multi-unit glad spierweefsel. De spiervezels van single-unit glad spierweefsel reageren op stimuli alsof ze één zijn doordat ze allemaal onderling verbonden zijn door gap junctions en één actiepotentiaal dus alle spiervezels tegelijk treffen. Single-unit glad spierweefsel heeft mechanosensitieve rekreceptoren. De multi-unit glad spierweefsel is niet onderling verbonden. Wel worden ze sterk geïnnerveerd door vele zenuwvezels. Hormonen kunnen wel voor een respons zorgen, maar er zijn geen mechanosensitieve rekreceptoren aanwezig.

Hartspierweefsel

Hartspierweefsel bevindt zich alleen in het hart. Het heeft eigenschappen van zowel skelet- als gladspierweefsel. Het heeft sarcomeren, troponine en tropomyosine, een sarcoplasmatisch reticulum (SR) en T-tubuli, net als skeletspierweefsel. Hoe het SR functioneert is echter verschillend van skeletspierweefsel. Net als glad spierweefsel zijn de cellen relatief klein en hebben ze één kern. Verschillend is dat de spiercellen, waar ze elkaar raken, intercalated disks hebben. Dit houdt de cellen bij elkaar en is de aanhechtingsplaats voor de myofibrillen. In de intercalated disks zitten ook gap junctions.

De depolarisatie bij hartspieren gaat als volgt: er ontstaat na een actiepotentiaal een verhoging van de calciumconcentratie in de cel. Dit gaat door middel van L-type calcium channels, een soort DHP receptoren. Door deze verhoging worden de ryanoide receptoren van het SR geactiveerd en laat het SR veel calcium vrij. De contractie volgt verder dezelfde mechanismen als skelet spierweefsel. Als de Ca²⁺-ATPases het calcium weer uit het cytoplasma hebben gepompt eindigt de contractie. Onder invloed van hormonen en neurotransmitters kan de hoeveelheid calcium in het cytoplasma variëren, waardoor net als in gladde spiercellen de sterkte van de contractie kan variëren.

De L-type calciumkanalen blijven lang open staan (L staat voor long). Doordat deze lang blijven open staan, blijft het cel membraan lang gedepolariseerd. Hierdoor kunnen er niet meerdere actiepotentialen worden gegenereerd en kan er dus geen langdurige contractie opgewekt worden. De actiepotentialen in hartspierweefsel ontstaan in gespecialiseerde hartspier cellen, de zogenaamde pacemakercellen. Deze cellen depolariseren elke zoveel seconden en wekken zo een contractie van het hele hart op. De cellen staan namelijk met de andere hartspiercellen in contact door middel van gap junctions. Een depolarisatie verspreidt zich dan snel door het hele hart.

Fysiologie van de mens: controle over beweging - Chapter 10

Voor een vrijwillige beweging gebeurt er op 3 niveaus iets: het hoogste level (cortex) beslist de beweging en maakt contact met het middelste level (o.a. cerebellum en hersenstam), die zet het om in specifieke programma’s voor de verschillende spieren, en het lokale level (ruggenmerg en perifere zenuwen) waar het uiteindelijk in een beweging uitdraait. Dat lokale level is belangrijk om informatie naar hogere levels te sturen, maar ook om onverwachte bewegingen te maken, bijvoorbeeld een reflex bij pijn.

Het signaal vanuit de cortex gaat niet rechtstreeks naar een eindplaatje in een spier, maar er zijn altijd interneurons. Lange interneuronen zijn belangrijk bij complexe bewegingen. Interneuronen integreren alle signalen, vanuit de cortex, vanuit andere interneuronen en perifere receptoren (bv. huid). Interneuronen werken ook als een aan/uit-knop, waardoor een lokale reflex kan worden genegeerd omdat er een tussenkomst is van hogere levels. Je reflex is om iets los te laten als het heet is, maar door de interneuron, kies je ervoor om het neer te zetten. De afferente zenuwen vanuit het lokale level, brengen informatie van een beweging naar boven vanuit: de spier zelf, de spieren eromheen: antagonisten, de pezen/ gewrichten/ huid die ook meedoen in een beweging. Hierdoor geeft de beweging feedback op hoe de beweging verloopt.

De lengte van de spier wordt gemeten door spierspoeltjes. Deze bestaan uit uiteinden van afferente zenuwen die om speciale spiervezels zijn heen lopen die in een extra bindweefsellaagje zijn verpakt. Deze verpakte spiervezels zijn ‘intrafusual fibers’, de andere spiervezels van de spier zijn de ‘extrafusual fibers’. Er zijn twee soorten spierspoeltjes: die de mate van uitrekking meten: nuclear chain fibers, en die de snelheid van uitrekking meten: nuclear bag fibers. Ze gaan meer signalen naar de afferente zenuw afgeven als de spier meer of sneller wordt uitgerekt. Als de spier wordt aangespannen en verkort zouden ze geen actiepotentialen moeten doorgeven. Echter als er op een spier bijna nooit spanning komt, zou er geen informatie van de stand van die spier doorgegeven worden. Dit wordt voorkomen door de alfa-gamma co-activatie. Op de extrafusual fibers zitten alfa-zenuw eindplaatjes, en op de intrafusual fibers zitten gamma-zenuw eindplaatjes. Omdat de spiervezels in het spierspoeltje bijna niets bijdragen aan de sterkte van de spier, worden deze door middel van gamma-zenuw geactiveerd om juist de spanning hoog te houden in deze vezels zodat ze weer kunnen meten als de spier nog meer verkort wordt.

Door alfa-gamma co-activatie is er altijd informatie over de stand van de spier, ook tijdens een gehele verkorting van de spier. Bij een rek-reflex wordt een spier kortstondig uitgerekt waardoor de rekreceptoren de afferente zenuwen een reden geven tot een actiepotentiaal. Deze wordt in het ruggenmerg direct over gegeven via slecht 1 synaps naar een efferente zenuw naar dezelfde spier, die vervolgens zorgt voor contractie. Dit is dus monosynaptisch.

De meeste reflexen en bewegingen zijn echter polosynaptisch en zitten er veel interneuronen tussen. Bij een contractie van een spier, moet er tegelijkertijd een ontspanning van de antagonist optreden. Dit gebeurt door een remming van het signaal in de synaps die naar de antagonist gaat. Dit proces noem je reciprocale innervatie. Ook worden er synergetische spieren geactiveerd bij het signaal naar contractie van die ene spier. Synergetische spieren zijn ‘hulpspieren’ die helpen bij het correct uitvoeren van de beweging.

De spanning van een spier hangt af van: de lengte van de spier, de kracht die op de spier staat, en de mate van moeheid van de spier. Deze spanning die alle spiervezels samen leveren wordt gemeten door de Golgi-peeslichaampjes. Dit zijn de uiteinden van een afferent zenuw die om een collageenbundel in de pees zit. Wanneer een spier contraheert ontstaat er meer spanning op de pees. De collageenbundels zijn in rust iets gebogen, maar bij spanning worden ze recht en daarmee wordt de receptor geactiveerd.

Een passieve uitrekking van de spier, zorgt voor minder actiepotentialen door de Golgi-peeslichaampjes, dan een actieve contractie van de spier. Door informatie van de spierspoeltjes en Golgi-peeslichaampjes, brengen afferente zenuwen informatie naar hogere levels, waardoor een beweging kan worden bijgestuurd. Daarnaast geeft ook nog de huid informatie, bijvoorbeeld bij de terugtrekreflex. Als je bijvoorbeeld op iets scherps gaat staan, wordt aan de ipsilaterale kant de voet omhoog getrokken, en zal er aan de contralaterale kant ook van alles gebeuren om de beweging op te vangen. Dit is de ‘crossed-extensor reflex’.

Motorische controle heeft hiërarchie

De motorische controle van beweging van het lichaam in de neuronen is hiërarchisch. Er zijn drie niveaus: het hoogste niveau, het middelste niveau en het lokale niveau.

• Op het hoogste niveau begint de intentie van de beweging, de gedachte dat er een beweging gemaakt moet worden.
  Dit niveau zit in vele regio’s van de hersenen.

• Op het middelste niveau worden de bewegingen en houdingen die nodig zijn voor de beweging in kaart gebracht. De informatie van het hoogste niveau en de afferente informatie van receptoren uit het lichaam worden geïntegreerd. Op basis van alle informatie wordt er een motor program gemaakt, het patroon van neuronale activiteit die nodig is om de beweging uit te kunnen voeren.
  Betrokken zijn: cerebrale cortex, cerebellum, subcortical nuclei en hersenstam.

• Op het lokale niveau wordt het motor program ontvangen uit het middelste niveau door middel van descending pathways. Het lokale niveau bepaalt welke motorneuronen aangezet moeten worden voor de beweging.
  De neuronen voor dit niveau ontspringen in de sensomotorische cortex en hersenstam en lopen door naar het ruggenmerg.

Tijdens de beweging wordt het motorprogramma continu aangepast. Dit kan doordat het middelste niveau continu afferente informatie krijgt over de stand van het lichaam in de ruimte, proprioceptie. Als er verschillen zijn tussen het motorprogramma en de beweging die het lichaam op dat moment maakt, past het middelste niveau het motorprogramma aan. Hierdoor kan de beweging goed gemaakt worden.

Vrijwillige en onvrijwillige bewegingen

Een beweging mag vrijwillig genoemd worden als het aan twee voorwaarden voldoet: de persoon is zich bewust van de beweging en waarom de beweging gemaakt wordt; de aandacht van de persoon is bij de beweging. Een onvrijwillige beweging is onbewust, automatisch en soms reflexmatig. Er is echter geen precies onderscheid tussen een vrijwillige en onvrijwillige beweging, omdat elke vrijwillige beweging ook onvrijwillige componenten heeft. Ook de frequentie waarin een beweging wordt uitgevoerd heeft invloed op de mate van onvrijwilligheid. Als een beweging vaker wordt uitgevoerd gaat het automatisch en wordt het onvrijwilliger. Maar ook bewegingen die onvrijwillig zijn zoals reflexen, kunnen vrijwillig gemaakt worden met oefening.

Het lokale niveau van controle van motorneuronen

Belangrijk om te onthouden is dat de motorneuronen altijd de final common pathway naar de spieren zijn. Het lokale niveau van controle (local control) heeft twee functies. Het speelt informatie door van de hoger gelegen controlecentra naar de motorneuronen en het reageert op onverwachte stimuli uit de omgeving. Dit laatste gebeurt door middel van de afferente informatie die de local control neuronen ontvangen van verschillende receptoren.

Interneuronen

De descending pathways synapsen eerst op interneuronen, die vervolgens op de motorneuronen synapsen. Er zijn korte interneuronen die lokale interneuronen heten, en er zijn lange interneuronen die belangrijk zijn voor de integratie van complexe bewegingen. De functie van interneuronen is het integreren van input van hogere centra, perifere receptoren en andere interneuronen. Ze bepalen zo welke spieren geactiveerd worden en wanneer. Dit is belangrijk bij het coördineren van zich herhalende, ritmische bewegingen. Ook werken de interneuronen als schakelaars die een beweging aan en uit kunnen zetten, afhankelijk van de input van hogere centra.

Lokale afferente input

De afferente vezels die sensorische informatie naar de interneuronen sturen, komen van de skeletspieren, andere spieren in de buurt en van pezen, gewrichten en huid. De receptoren verschaffen informatie over wat de beweging veroorzaakt, en zo kan de beweging weer aangepast worden.

Muscle spindles

Muscle spindles zijn delen van stretch receptoren in de skeletspier. Een afferente zenuwvezel zit om een speciale spiercel heen. Om een aantal van deze speciale spiercellen (intrafusalevezels) samen zit een bindweefselkapsel, dit alles bij elkaar heet een muscle spindle. Om de intrafusalevezels zitten twee soorten stretch receptoren. De nuclear chain fibers reageren het beste op hoeveel de spier gerekt wordt. De nuclear bag fibers reageren op zowel de grootte van de rek als de snelheid van de rek. De muscle spindles zijn parallel aan de normale spiercellen, waardoor rek van de muscle spindles evenredig is aan de rek van de normale spiercellen. Hoe groter en sneller de spier wordt gerekt, hoe meer actiepotentialen.

Als de receptor een signaal stuurt naar het centrale zenuwstelsel, kan de informatie via verschillende paden lopen.

1. De synaps is direct op de motorneuron die weer teruggaat naar de gestrekte spier, dit is de stretch reflex. Zo een directe reflex heet monosynaptisch en is uniek voor stretchreflexen. Polysynaptische reflexen hebben ten minste één interneuron.

2. De synaps van de sensorische zenuwvezel is op een interneuron die inhibitoir is. Dit interneuron inhibeert de antagonistische spieren. Reciprocal innervation is innervatie waarbij de activatie van het neuron van de spier tegelijk verloopt met inhibitie van het neuron van de antagonist.

3. De synaps activeert de motorneuronen van de synergistische spieren (spieren die assisteren bij de beweging).

4. De synaps is helemaal in de hersenstam op interneuronen die de informatie overbrengen naar de hersenen. Dit is belangrijk tijdens langzame, gecontroleerde bewegingen.

Alpha-Gamma Coactivation

Als de spier verkort wordt, geven de intrafusal fibers veel minder actiepotentialen af en is de informatie niet meer mogelijk. Om dit te omzeilen contraheren de twee uiteinden van een muscle spindle als de spier samentrekt, waardoor de tensie in de intrafusal fiber behouden blijft. De grote alpha motor neuronen innerveren de normale skeletspieren, terwijl de kleinere gamma motor neurons de intrafusal fibers innerveren. De cellichamen van beide motorneuronen liggen vlakbij elkaar, waardoor ze beiden door dezelfde interneuronen worden geactiveerd. De activatie ligt soms zo vlak na elkaar dat er sprake is van coactivatie. Door middel van coactivatie blijft de informatie over de spierlengte continu.

Tensie-monitorende systemen

Systemen die de tensie van de spier in de gaten houden zijn nodig om de motorische controle systemen informatie te geven over de tensie. Deze systemen zijn de ogen, sensorische zenuwvezels in de huid, spier en gewrichten, maar voornamelijk de Golgi tendon organs. De Golgi tendon organs liggen in de spierpezen in de overgang van pees naar spier. De collageenbundels liggen hier licht gebogen. Als de spier samentrekt, worden de collageenbundels rechtgetrokken. De zenuwvezels liggen om de collageenbundels heen. Als deze rechtgetrokken worden, worden de zenuwvezels verdraaid en geven ze actiepotentialen af. De Golgi tendon organs zorgen, als ze geactiveerd worden, ervoor dat de samentrekkende spier geïnhibeerd wordt en de antagonist geactiveerd wordt.

De terugtrek reflex

De terugtrek reflex ontstaat bijvoorbeeld wanneer je in iets scherps gaat staan. Er worden pijnsignalen van de huid waargenomen, waarna er twee dingen gebeuren. Aan het ipsilaterale been worden de flexoren geactiveerd en de extensoren geïnhibeerd, waardoor het been teruggetrokken wordt. Aan het contralaterale been worden de flexoren geïnhibeerd en de extensoren geactiveerd, zodat dit been het gewicht van het lichaam kan opvangen.

Motorische centra in de hersenen en de descending pathways

Cerebrale cortex

De cerebrale cortex omvat zowel het hoogste als het middelste niveau van motorische controle. Het zorgt voor de planning en controle van beweging. De sensomotorische cortex omvat alle delen van de cerebrale cortex die de controle van skeletspierweefsel organiseren. De belangrijkste zijn de Primaire motore cortex en het premotore gebied. De neuronen van de Primaire motore cortex zijn zo georganiseerd dat ze een somatotopische kaart vormen, ook wel de homunculus. Andere delen van de sensomotorische cortex zijn de supplementaire motore cortex, de somatosensore cortex en delen van de parietal-e associatie cortex.

De hersendelen zijn allemaal verschillend, maar onderling sterk verbonden. Verschillende neuronen nemen deel aan één beweging, maar één neuron kan ook verschillende bewegingen coördineren. De neuronen zijn zo flexibel dat ze onder verschillende omstandigheden verschillend kunnen reageren. Hierdoor kunnen de verschillende signalen geïntegreerd worden waardoor er een soepele beweging uit voortvloeit.

Uit de sensomotore cortex ontspringen de descending pathways, maar dit is niet de primaire lokatie waaruit de initiatie van beweging komt. Waar dit wel vandaan komt is nog onbekend. De associatie cortex is vooral visueel erg belangrijk. De visuele informatie wordt geïntegreerd met de beweging, waardoor deze goed uitgevoerd kan worden. Bijvoorbeeld het zien van een beker en tegelijkertijd vastpakken hiervan. Naast corticale hersenactiviteit is er ook subcorticale hersenactiviteit.

Subcorticale en hersenstam nuclei

Onder de cerebrale cortex en in de hersenstam liggen vele, onderling verbonden structuren. Deze interacteren met de cerebrale cortex en hebben een indirecte invloed op de motorneuronen. De indirecte invloed komt door ascenderende banen naar de cortex en descenderende banen van de hersenstam. Deze structuren spelen een prominente rol in het plannen en monitoren van bewegingen. Ze stellen het programma op voor de specifieke volgorde van bewegingen die nodig zijn voor een bepaalde actie. Ook zijn ze belangrijk voor het leren van bekwaamheid in bepaalde bewegingen.

Basale ganglia

De basale ganglia is een groep van nuclei. Ze vormen een link tussen de sensomotorische cortex en de thalamus. Een signaal start in de sensomotorische cortex, gaat via de basale ganglia naar de thalamus, van de thalamus via de basale ganglia terug naar de sensomotorische cortex. Sommige van deze circuits activeren beweging, anderen inhiberen beweging.

Cerebellum

Het cerebellum heeft indirect invloed op houding en bewegingdoor projecties naar de hersenstam en de sensomotorische cortex. Het cerebellum ontvangt input van de sensomotorische cortex en andere receptoren (vestibulaire systeem, ogen, oren, huid, spieren, gewrichten en pezen). Het cerebellum geeft signalen voor de timing van verschillende fasen van een motorprogramma. Het helpt de coördinatie van bewegingen waar verschillende gewrichten bij nodig zijn. Ook helpt het in de planning van bewegingen, door de beweging te integreren met informatie over de omgeving. Het geeft dan een feedforward signaal naar hersendelen. Tijdens de beweging let het cerebellum er ook op dat het motorprogramma correct wordt uitgevoerd. Als het niet correct is, stuurt het een signaal waardoor het gecorrigeerd wordt.

Descending pathways

Vanuit de hersenen gaan er descending pathways (van neuronen) naar de motorneuronen en interneuronen. Er is de corticospinale pathway en de hersenstam pathways. De descending pathways synapsen op alpha- en gamma motorneuronen en interneuronen. Op alpha motorneuronen hebben de descending pathways ofwel een inhiberend, ofwel een exciterend effect. Sommige van de descenderende zenuwvezels hebben invloed op de afferente zenuwen. Ze synapsen op de einden van de afferente neuronen als deze het centrale zenuwstelsel ingaan, of ze synapsen op de interneuronen in de ascenderende banen. Door dit contact met de afferente neuronen hebben ze invloed op de motorische controle centra.

De corticospinale pathway wordt ook wel de pyramidebaan genoemd. Het ontspringt in de cerebrale cortex. De cellichamen liggen in de sensomotorische cortex en ze eindigen in het ruggenmerg. In de medulla oblangata kruisen de meeste zenuwvezels naar de andere kant, waardoor de linker hersenhelft de rechter lichaamshelft controleert en andersom.

De corticobulbairepathway begint in de sensomotorische cortex en eindigt in de hersenstam. De zenuwvezels innerveren de motorneuronen voor de ogen, het gezicht, de tong, de keel en beweging van het hoofd. De corticospinale pathway innerveert de rest van het lichaam.

In de corticospinal pathway wordt de informatie veel geconvergeerd (samengevoegd) en gedivergeerd (verspreid). Bijvoorbeeld alle informatie uit het lichaam dat naar de sensomotorische cortex gaat wordt sterk geconvergeerd.

De hersenstam pathways ontspringen uit de hersenstam. Ze heten ook wel de extrapyramidale pathways. Sommige van de axonen kruisen meteen nadat ze ontspringen, maar de meeste niet. De functie van de hersenstampathways is het behouden van houding en balans door het innerveren van spieren in de romp. In de hersenstam zijn er verschillenden nuclei, waarnaar de pathways vernoemd worden. De pathway vanuit de vestibulaire nuclei heet bijvoorbeeld de vestibulospinale pathway.

De corticospinale pathway innerveert vooral spieren voor fijne bewegingen, voornamelijk in de handen en vingers. De hersenstampathways zijn vooral voor de coördinatie van grote spiergroepen. Er is echter veel interactie tussen de twee pathways. Als er schade is aan één van de twee, kan de ander deels compenseren.

Spiertensie

Een ontspannen spier geeft weerstand als het passief gerekt wordt. Deze weerstand heet spiertensie. Dit ontstaat door de passieve elastische eigenschappen van de spier en door de activiteit van alpha motorneuronen.

Abnormale spiertensie

Hypertonie is een abnormaal hoge spiertensie. Dit ontstaat doordat de alpha motorneuronen een te hoge activiteit hebben. Het is het gevolg van stoornissen in de descenderende pathways die de alpha motorneuronen inhiberen. De cerebrale cortex en descenderende pathways bevatten de ‘upper’ motorneuronen. De ‘lower’ motorneuronen zijn de alpha- en gamma motorneuronen en de interneuronen. Bij hypertonie is er iets mis met de upper motorneuronen. Er zijn verschillende vormen van hypertonie.

• Bij spasticiteit ontstaat er hypertonie als de spier een beetje wordt gerekt, als deze rek aanhoudt neemt de verhoogde tonus weer af. Spasticiteit gaat gepaard met verhoogde reflexen en verlaagde coördinatie en kracht van vrijwillige bewegingen.

• Stijfheid is het gevolg van hypertonie die continu is en de weerstand tegen rek is ook continu.

• Spasmes zijn korte contracties.

• Kramp is een lange en pijnlijke hypertonie.

Hypotonie is een abnormaal lage spiertensie. Hypotonie gaat gepaard met zwakte, atrofie en verlaagde of afwezige reflexen. Behendigheid en coördinatie blijven behouden, als de zwakte niet te erg is. Hypotonie ontstaat door stoornissen in de alpha motorneuronen, de neuromusculaire junctions of de spier zelf.

Behouden van houding en balans

Het behouden van houding is niet mogelijk zonder gecoördineerde spieractiviteit. Om houding te behouden zijn reflexen erg belangrijk. Balans houden is voor de mens relatief moeilijk. De mens is lang, hebben een kleine basis en het zwaartepunt ligt hoog. Het zwaartepunt moet dan ook boven de voeten blijven. Postural reflexen helpen om balans te houden. Voor de postural reflexen komt er input uit de receptoren van de ogen, vestibulaire apparaat en proprioceptie. In de hersenstam en ruggenmerg wordt de input geïntegreerd en via de efferent pathways worden de alpha motorneuronen ingeschakeld. Verder zitten er in de hersenen ook regio’s die de houding van het lichaam en de oriëntatie in de ruimte registreren. Hierdoor is het lichaam stabiel en kunnen acties gepland worden. Hoewel er veel verschillende input is om houding en balans te behouden, betekent dit niet dat als één bron van input verdwijnt balans en houding niet meer mogelijk zijn.

Fysiologie van de mens: cardiovasculaire fysiologie - Chapter 12

Section A: Het circulatoire systeem

Systemisch overzicht

Bloed bestaat uit rode erytrocyten (rode bloedcellen), leukocyten (witte bloedcellen), thrombocyten (bloedplaatjes) en plasma met opgeloste eiwitten, voedingsstoffen en afvalstoffen.

Erytrocyten: ongeveer 40-50 volumeprocent van het bloed bestaat uit rode bloedcellen die zuurstof vervoeren. Dit volumepercentage van erytrocyten ten opzichte van de totale hoeveelheid bloed wordt ook wel het hematocriet genoemd.

Leukocyten: dit zijn de witte bloedcellen en deze zijn essentieel bij de bestrijding van infecties en kanker.

Thrombocyten: dit zijn de bloedplaatjes die bijdragen aan de bloedstelping en –stolling.

Hematocrietwaarde: percentage erytrocyten van het bloedvolume. Dit wordt gemeten na centrifugeren. De rode bloedcellen komen op de bodem en het bloedplasma ligt daarboven. Deze situatie ontstaat in verband met de grotere dichtheid van erytrocyten.

Normale hematocrietwaarden zijn 42 procent bij de vrouw en 45 procent bij de man.

Het bloedvolume van een persoon van 70 kg is ongeveer 5.5 liter.

Bulkflow: Manier waarop bloed vervoerd wordt, het hart pompt het bloed in één richting door de vaten.

Voedingsstoffen en afvalstoffen diffunderen door de capillairen en de interstitiële vloeistof heen.

Atrium en ventrikel: Het hart bestaat uit een bovenste kamer, het atrium, en een onderste kamer, het ventrikel. Het bloed dat in de atria komt, wordt geleegd in de ventrikels. Er is geen directe bloedstroom tussen de twee atria.

Pulmonaire circulatie: het bloed dat van het rechter ventrikel via de truncus pulmonalis en arteriae pulmonali in de longen vertakken tot capillairen en vervolgens via de venae pulmonali naar het linker atrium.

Systemische circulatie: het bloed van het linker ventrikel door alle organen en weefsels van het lichaam behalve de longen, en vervolgens naar het rechter atrium.

Arteriën: bloedvaten die bloed weg van hart vervoeren

Venen: bloedvaten die bloed naar het hart toe vervoeren

Aorta: het bloedvat waar het bloed in stroomt nadat het door het linker ventrikel is gepompt

Arteriolen: Arteriën vertakken zich in arteriolen. Deze zijn kleiner wat betreft diameter.

Capillairen: arteriolen vertakken zich in capillairen.

Venulen: capillairen gaan over in venulen die vervolgens samengevoegd worden tot de venen.

Vena cava superior et inferior: de twee grote venen (vena cava inferior en vena cava superior) brengen het bloed uiteindelijk weer terug naar het rechter atrium

Microcirculatie: arteriolen – capillairen – venulen

Portale systeem: Uitzonderingen op de microcirculatie zoals in lever, nieren en hypofyse. Bloed stroomt dan tussen twee capillaire bedden in plaats van capillair naar veneus.

Druk, flow en weerstand

Hemodynamiek: de relatie tussen bloeddruk, doorbloeding (Flow) en weerstand.

Hydrostatische druk: druk door welke vloeistof dan ook. De hydrostatische druk in de bloedvaten is verkregen door de contractie van het hart.

Eenheden:
Flow: L/min

Drukverschil: delta P

Bloeddruk: mmHg

Weerstand: R

F: delta P(druk) / R (weerstand)

Doorbloeding is proportioneel aan de drukverschillen tussen twee punten en deze correleert invers met de weerstand.

Determinanten van weerstand:

Viscositeit (mate van ‘stroperigheid’)

Lengte

Diameter

Dit samen leidt tot de volgende formule:

η: viscositeit

L : lengte van het bloedvat

R : binnenste diameter van het bloedvat

8/ π: wiskundige constante

Viscositeit stijgt bijvoorbeeld als de hematocrietwaarde stijgt.

Section B: Het hart

Anatomie

Het hart is een gespierd orgaan dat omgeven is door een fibreuze zak, het pericard.

De binnenste laag van het pericard zit vast aan het hart. Dit is het epicard.

De ruimte tussen het pericard en het epicard is gevuld met een dun laagje bloed dat dient als ‘smeermiddel’ tijdens de bewegingen van het hart.

Het myocard is de wand van het hart. Het bestaat uit hartspierweefsel. De binnenste oppervlakte van de kamers en de binnenste laag van bloedvaten bestaat uit endotheel.

De twee ventrikels zijn gescheiden door een gespierde wand, het interventriculair septum.

Tussen het atrium en het ventrikel in liggen de atrioventriculaire kleppen, ook wel AV-kleppen genoemd. De AV-kleppen zorgen ervoor dat er wel bloed van de atria naar de ventrikels kan stromen maar niet andersom. De rechter AV-klep wordt ook wel de tricuspide klep (tricuspidalisklep) genoemd omdat het bestaat uit drie fibrogene kleppen. De linker AV-klep bestaat uit twee fibrogene kleppen en wordt dus de bicuspide klep (mitralisklep) genoemd.

Het openen en sluiten van de kleppen is een passief proces, afhankelijk van drukverschillen tussen atria en ventrikels.

De kleppen zitten vast aan papillaire spiertjes door chordae tendineae. Deze dienen niet om de kleppen te openen of te sluiten maar dienen de druk van het bloed aan te kunnen zodat ze niet omklappen (prolaps).

Op de overgang van de ventrikels naar de truncus pulmonalis en de aorta zijn ook kleppen aanwezig, respectievelijk de pulmonalis- en aortaklep. Deze kleppen zijn halvemaanvormig en worden daarom ook wel de semilunaire kleppen genoemd. Ze zorgen ervoor dat bloed in de arteriën stroomt tijdens ventriculaire contractie, maar voorkomen dat bloed stroomt in tegengestelde richting. Ook deze kleppen werken passief, afhankelijk van drukverschillen tussen atria en ventrikels.

Het hart is een gespierd orgaan dat omgeven is door een fibreuze zak, het pericard. De binnenste laag van het pericard zit vast aan het hart. Dit is het epicard. De ruimte tussen het pericard en het epicard zijn gevuld met een dun laagje bloed dat dient als “smeermiddel” tijdens de bewegingen van het hart. Het myocard is de wand van het hart. Het bestaat uit hartspierweefsel. De binnenste oppervlakte van de kamers en de binnenste laag van bloedvaten bestaat uit endotheel.

De twee ventrikels zijn gescheiden door een gespierde wand, het interventriculair septum. Tussen het atrium en het ventrikel in liggen de atriumventrikelkleppen, ook wel AV kleppen genoemd. De AV kleppen zorgen ervoor dat er wel bloed van de atria naar de tricuspide klep (tricuspidalisklep genoemd, omdat het bestaat uit drie fibrogene kleppen). De linker AV klep bestaat uit twee fibrogene kleppen en wordt dus het bicuspide klep (mitralisklep) genoemd.

Het openen en sluiten van de kleppen is een passief proces, afhankelijk van drukverschillen tussen atria en ventrikels. De kleppen zitten vast aan papillaire spiertjes door chordae tendineae. Deze dienen niet om de kleppen te openen of te sluiten maar dienen de druk van het bloed aan te kunnen zodat ze niet omklappen. Op de overgang van de ventrikels naar de truncus pulmonalis en de aorta zijn ook kleppen aanwezig, respectievelijk de pulmonalis- en aortaklep. Deze kleppen zijn halvemaanvormig. Ze zorgen ervoor dat bloed in de arteriën stroomt tijdens ventriculaire contractie maar voorkomen dat bloed stroomt in tegengestelde richting. Ook deze kleppen werken passief, afhankelijk van drukverschillen tussen atria en ventrikels.

Hartspiercellen

Hartspiercellen zijn geordend in lagen die strak bij elkaar gebonden zijn en de hele kamers omcirkelen. Cellen worden verbonden aan elkaar door intercalated disks. Intercalated disks bevatten desmosomen die de cellen bij elkaar houden en waaraan de myofibrillen zijn gehecht. Actiepotentialen gaan langs de celmembranen. Vervolgens komt calcium het cytosol binnen en de crossbridge cyclus is geactiveerd. Het conductiesysteem van het hart zet het hart aan tot een hartslag en helpt met het verspreiden van de impuls. Sommige hartspiercellen kunnen peptidehormonen uitscheiden, namelijk atrial natriuretic peptide (ANP), welke wordt gestimuleerd door dilatatie van de atria als gevolg van een vergroot plasmavolume en reageert door natriumreabsorptie in de nieren te remmen.

Receptoren van sympathische zenuwstelsel zijn bèta-adrenerg en reageren op noradrenaline. De receptoren van het parasympatisch zenuwstelsel zijn van het muscarinerge type en reageren op acetylcholine. Het hart wordt van bloed voorzien door coronair arteriën. Dit zijn aftakkingen van de aorta.

Hartslag

De atria contraheren als eerst, bijna onmiddellijk gevolgd door de ventrikels. Contractie van hartspieren is geprikkeld door depolarisatie van het plasmamembraan. Gapjunctions zorgen voor connectie van myocard cellen en hierdoor kan de actiepotentiaal zich over het hart begeven. De beginnende depolarisatie ontstaat in een kleine groep cellen, namelijk de sinoatrial knoop, de SA-knoop. Deze bevindt zich in het rechter atrium dicht bij de ingang van de vena cava superior. Depolarisaties gaan eerst via de spiercellen van de atria, zo snel dat de linker en rechter atria ongeveer even snel samentrekken. De atriumventriculaire knoop (AV knoop) is gelegen op de basis van het rechter atrium. Een actiepotentiaal dat over de hele atria gaat, zorgt ervoor dat ook de AV knoop geprikkeld wordt. Nadat de AV knoop geprikkeld is, gaat het signaal naar beneden over het interventriculaire septum via de bundel van His. De bundel van His is een elektrische connectie tussen de atria en ventrikels. De bundel van His wordt vervolgens verdeeld in twee takken over de wand van de twee ventrikels, de linker en rechter bundeltak. Deze takken maken contact met de vezels van Purkinje. Dit zijn vezels die het signaal snel over het hele ventrikel verdelen. Er ontstaat een depolarisatie en de ventrikels trekken samen.

Cardiale actiepotentialen en excitatie van de SA-knoop

Natriuminflux veroorzaakt depolarisatie van de cel en zorgt ervoor dat alle natriumkanalen open gehouden worden. Er ontstaat een positieve feedback. Op hetzelfde moment daalt de permeabiliteit van kalium doordat kalium weglekt. Ook dit draagt bij aan de depolarisatie. Op dat moment stijgt de permeabiliteit van calcium enorm en dit zorgt voor een influx van calcium. Calciumkanalen openen alleen als het voltage aan de voorwaarde voldoet. Dit type calciumkanalen openen erg traag en worden daarom ook wel L-type calcium kanalen genoemd (Long –lasting). De influx van de positieve calciumionen in de cel balanceert de efflux van de positieve kaliumionen en houdt het membraan gedepolariseerd op het plateau niveau. Repolarisatie ontstaat pas als de calcium kanalen langzaam inactiveren en een ander type natriumkanalen geopend worden.

De SA knoop heeft geen restpotentiaal, maar ondergaat langzaam een depolarisatie (pacemaker potentiaal). Het brengt het membraanpotentiaal naar de grens waarop een actiepotentiaal ontstaat. Hieraan liggen drie mechanismen ten grondslag:

1. Kaliumkanalen die geopend waren tijdens repolarisatie fase van het vorige actiepotentiaal sluiten langzaam

2. Pacemakercellen hebben voltage-gated kanalen die openen als het membraanpotentiaal negatief is. Dit zorgt voor een influx van natrium, deze natrium kanalen worden ook wel F-type natriumkanalen (Funny) genoemd.

3. Calciumkanalen openen kort en zorgen voor een kleine calciuminflux die zorgt voor depolarisatie. Dit type wordt T-typecalciumkanaal (Transient) genoemd.

Als de pacemakermechanismen hebben gezorgd dat de AV- en SA-cellen tot een grenspotentiaal gebracht zijn, ontstaat een actiepotentiaal. Er ontstaat dus automatisch, spontaan, ritmisch zelfregulerende excitatie.

Het electrocardiogram

Het electrocardiogram oftewel ECG is een manier om de elektrische gebeurtenissen in het hart weer te geven. De P-piek geeft de korte duur van atriële depolarisatie weer. Het QRS-complex, wat ongeveer 0,15 seconde na de P-piek ontstaat geeft de ventriculaire depolarisatie weer. De T-piek geeft de ventriculaire repolarisatie weer. Atriële repolarisatie is meestal niet zichtbaar op een ECG, omdat het tegelijkertijd valt met het QRS-complex. Het ECG is niet een directe weergave van de veranderingen in membraan potentiaal, maar een meting van de extracellulaire vloeistof.

Contractie van hartspierweefsel

Calcium activatie van het dunne filament en de cross bridge cyclus leidt tot kracht ontstaan net als in skeletspierweefsel. Contractie eindigt als calcium terug is in het sarcoplasmatisch reticulum en extracellulaire vloeistof door Calcium-ATP pompen en Natrium/ Calcium transporters. De hoeveelheid stijging van de calciumspiegel in het cytosol bepaald de kracht van de contractie.

De refractoire periode van het hartspierweefsel

De onmogelijkheid van het hart om een tetanische contractie te genereren is het resultaat van een lange absolute refractoire periode van hartspierweefsel. Dit is ook wel een periode tijdens een volgend aan een actiepotentiaal al een excitabel membraan niet gereactiveerd kan worden. De refractoire periode van hartspiercellen is 250 milliseconden, dit is bijna evenlang als de contractoire periode.

De cardiale cyclus

De cardiale cyclus bestaat uit het volgende:

1. Systole: ventriculaire contractie en bloedstuwing

2. Diastole: ventriculaire relaxatie en het vullen van bloed

Een typische hartslag gaat 72 slagen per minuut. Elke hartslag duurt ongeveer 0,8 seconde met 0,3 seconde in systole en 0,5 seconde in diastole.

De systole wordt onderverdeeld in:

1. Isovolumetrische ventriculaire contractie: de ventrikels contraheren maar alle kleppen in het hart zijn gesloten, geen bloed wordt dus verder gestuwd. De ventriculaire wanden verhogen de druk.

2. Ventriculaire voortstuwing: hierbij is de druk op de ventrikels zo groot dat de aorta- en truncus pulmonalis kleppen openen en er systole plaatsvindt. Het bloed wordt nu in de aorta en truncus pulmonalis gestuwd.

Het slagvolume is het volume van het bloed dat door de ventrikels wordt gestuwd tijdens de systole.

De diastole wordt onderverdeeld in:

1. Isovolumetrishe ventriculaire relaxatie: de ventrikels relaxeren en de aorta en truncus pulmonaliskleppen sluiten. De AV kleppen zijn op dit moment ook gesloten, dus er gaat geen bloed het hart in en er verlaat geen bloed het hart.

2. Ventriculair vullen: het bloed stroomt in de atria. Atriële contractie vindt plaats aan het eind van de diastole nadat de ventrikels gevuld zijn.

Bij atrieel fibrilleren contraheren de cellen van de atria compleet ongecoördineerd samen, waardoor ze geen goede pompfunctie hebben. De grafiek van de pulmonaire circulatie druk is ongeveer gelijk aan de druk van het linker ventrikel en van de aorta. De druk in de pulmonaire arterie is wel veel lager dan de druk in de aorta.

Harttonen

Er zijn twee harttonen tijdens een cardiale contractie:

1. Een zachte toon geassocieerd met het sluiten van de AV kleppen. Dit is het begin van de systole.

2. Een hardere toon geassocieerd met het sluiten van de pulmonaire en aorta kleppen. Dit is het begin van de diastole.

Bij gezonde mensen zijn deze harttonen duidelijk te horen. Hartgeruis kan een teken zijn van een hartziekte. Normale stroming van bloed door de kleppen is laminair. Dit betekent dat de stroom langzaam ongehinderd kan doorstromen. Turbulente stroming kan veroorzaakt worden doordat bloed snel in de goede richting stroomt door een abnormaal versmalde klep: een stenose. Als het bloed in tegengestelde richting stroomt door een beschadigde zwakke klep wordt het insufficiëntie genoemd. Bloed dat stroomt tussen de twee atria of ventrikels door een gat in de wand heet een septaal defect.

Een geruis tijdens de systole duidt op een stenotische pulmonaire of aorta klep, een insufficiënte AV klep of een gat in het interventriculaire septum. Een geruis tijdens de diastole duidt waarschijnlijk op een stenotische AV klep of een insufficiënte pulmonaire of aortaklep.

Cardiac output (CO): Cardiac output is het bloedvolume dat elke ventrikel pompt. Dit wordt uitgedrukt in liter per minuut.

CO : HR (heart rate; hartfrequentie) x SV (slagvolume)

De hartslag ontstaat compleet autonoom, zonder de innervatie van zenuwen of hormonen die de SA-knoop beïnvloeden. Er zijn wel een aantal parasympatische zenuwen (n.vagus) die eindigen op de SA knoop. Activiteit van deze parasympatische zenuwen zorgen ervoor dat de hartfrequentie wordt verlaagd. Activiteit van sympathische vezels zorgen er juist voor dat de hartfrequentie wordt verhoogd.

Sympathische vezels verhogen het pacemakerpotentiaal door de permeabiliteit van het F-type kanaal te verhogen.

Parasympatische verlagen het pacemakerpotentiaal juist. De grenswaarde is hierdoor pas na langere tijd bereikt.

Ook adrenaline kan de hartslag verhogen door op de bèta receptoren van de SA-knoop te werken. De hartslag is ook gevoelig voor veranderingen in lichaamstemperatuur, plasmaelektrolyten, en metabool adenosine.

Controle van het slagvolume

Tijdens een hartslag worden de ventrikels niet helemaal leeggepompt. Een sterkere contractie van het hart leidt tot een zo groot mogelijke leging van ventrikels.

Veranderingen in slagvolume worden door het volgende bereikt:

1. Veranderingen in het eind-diastolische volume (dit is het volume in de ventrikels net voor contractie soms ook wel vernoemd als preload)

2. Veranderingen in de mate van innervatie door het sympathische zenuwstelsel

3. Veranderingen van de afterload (dat is de arteriële druk tegen de ventriculaire pomp)

Frank-Starling mechanisme: als het ventriculaire volume stijgt, stijgt ook het slagvolume

Een verhoogde druk in de venen (venous return) verhoogt ook de cardiac output door het eind-diastolische volume te verhogen en dus het stroke volume.

Sympathische regulatie kan er ook voor zorgen dat het slagvolume stijgt. Als adrenaline het myocard stimuleert om harder samen te trekken, wordt er meer bloed uit de ventrikels gepompt.

Ejectiefractie (EF) is de ratio van het slagvolume tegen het eind-diastolische volume:

EF : SV / EDV

EDV: eind diastolisch volume

Adrenerge receptoren activeren G gekoppelde proteïnen cascade die ook betrokken zijn bij de productie van cyclisch AMP en activatie van een proteïne kinase. Hierbij zijn de volgende proteïnen betrokken:

• DHP receptoren in het plasmamembraan

• De ryanodinereceptor en geassocieerde proteïnen in het sarcoplasmatisch reticulum membraan

• Het dunne filament proteïnen, vooral troponine

• Dikke filament proteïnen met cross bridges

• Proteïnen betrokken bij het pompen van calcium terug in het sarcoplasmatisch reticulum

Hypertrofische cardiomyopathie

Een verdikking van het hartspierweefsel, vooral het interventriculaire septum en de wand van het linker ventrikel. Er is een disruptie van de gebruikelijke manier waarop monofilamenten zijn gelegen.

De verdikking van het septum zorgt ervoor dat de cardiac output niet wordt verhoogd tijdens momenten dat er een grotere hoeveelheid bloed nodig is in organen.

Ook het hart zelf is vaak slachtoffer van te weinig bloed (angina pectoris).

Disruptie van conductie kan ook leiden tot ernstige en fatale aritmieen.

De meeste mensen met hartproblemen hebben in het eerste stadium geen klachten, daarom leidt hypertrofische cardiomyopathie vaak tot plotselinge dood.

Vele oorzaken van hartfalen zijn nog niet bekend, maar wat wel opvalt is dat er een genetische predispositie is. Mutaties van eiwitten van het contractiele systeem inclusief troponine, tropomyosine en myosine worden vaak gevonden.

Section C: Het vasculaire systeem

Capillairen bestaan slechts uit een laag endotheel. Andere vaten hebben ook nog een laag gladde spieren en een laag bindweefsel om het vat heen.

Functies van endotheel:

1. Endotheel dient als fysieke grens in hart en bloedvaten waar bloedcellen niet aan vast gaan zitten.

2. Endotheel dient als permeabele barrière voor de uitwisseling van voedingsstoffen, metabole eindproducten en vloeistof tussen plasma en interstitiële vloeistof. Ze reguleren transport van macromoleculen en andere substanties.

3. Ze scheiden paracriene stoffen uit die hun functie uitoefenen op glad spierweefsel, inclusief vasodilatatoren (prostacycline en stikstof monoxide) en vasoconstrictoren (vooral endotheline-1)

4. Zetten aan tot angiogenese (nieuwe capillairen groei)

5. Spelen een centrale rol in vasculair remodeling door het herkennen van signalen en vrijmaken van paracriene stoffen die hun functie uitoefenen op de bloedvatwand

6. Dragen bij aan de vorming van extracellulaire matrix

7. Produceren groeifactoren in response op beschadiging

8. Scheiden substanties uit die bloedklontering en ontstolling reguleren

9. Synthetiseren actieve hormonen van inactieve precursors

10. 10. Degraderen hormonen en andere mediatoren

11. 11. Scheiden cytokinen uit tijdens immuunrespons

12. 12. Beïnvloeden vasculair zacht spierweefsel proliferatie in arteriosclerose

Arteriën

De aorta en andere systemische arteriën hebben een dikke wand met grote hoeveelheden dik elastisch weefsel er omheen. Hierdoor kunnen ze goed het bloed naar de weefsels vervoeren. bovendien dienen ze als drukreservoir om ook het bloed te kunnen vervoeren tijdens diastole.

Er zijn verschillende factoren die de arteriële bloeddruk beïnvloeden:

1. Het bloedvolume

2. De rekbaarheid van de wand: de compliantie

Compliantie is het verschil in volume gedeeld door het verschil in druk.

Ongeveer 1/3 van het bloed verlaat de arteriën tijdens systole. De rest van het bloed blijft in de arteriën tijdens systole. De rest van het slagvolume blijft in de arteriën tijdens systole, hierdoor zwelt de arterie op en stijgt de arteriële bloeddruk. De hoogste druk in een arterie wordt de systolische druk (SP) genoemd. De laagste druk wordt de diastolische druk (DP) genoemd. Gemiddeld zijn deze waarden 120/80 mmHg. Het verschil tussen SP en DP wordt pols druk genoemd.

Factoren die voor de pols druk zorgen zijn:

1. Het slagvolume

2. Snelheid van voorstuwen van het bloed

3. Arteriële compliantie

Bij arteriosclerose is de compliantie verminderd of de voorstuwing verlaagd.

MAP staat voor mean arterial pressure en dit is het gemiddelde van de arteriële druk. MAP wordt op de volgende manier berekend:

MAP = DP + 1/3 (SP-DP)

Meting van de systemische arteriële druk

Arteriële druk wordt gemeten door een sphygmomanometer. De band om de arm wordt opgepompt totdat de druk groter is dan de arteriële druk. Hierbij wordt voorkomen dat er bloed door de arteriën kan stromen. De lucht wordt langzaam weggelaten uit de band totdat arterie plotseling een beetje opent en er weer bloed doorheen kan stromen. Alleen tijdens de SP lukt het bloed om door de smalle opening te kunnen gaan. Dit wordt ook wel de Korotkoff’s sounds genoemd. Als de druk verder wordt verlaagd stoppen de Korotkoff’s sounds op het moment dat de DP wordt bereikt omdat er dan weer een normale doorlopende stroom in het bloedvat gaat.

Arteriolen

Arteriolen hebben twee belangrijke functies:

1. De arteriolen in de doelorganen zorgen ervoor dat bloed richting de organen stroomt.

2. De arteriolen zijn een belangrijke bepalende factor voor de mean arterial pressure (MAP).

F geeft de flow weer. De F in een orgaan bereken je als volgt: (MAP – veneuze druk) gedeeld door de weerstand in het orgaan. De veneuze druk is bijna gelijk aan 0, dus F in het orgaan kun je ook berekenen door: MAP/ weerstand in het orgaan.

Arteriolen hebben glad spierweefsel. De arteriolen worden grotendeels beïnvloed door hormonen, neurale innervatie of paracriene output. Deze spontane activiteit wordt de intrinsic tone genoemd. De signalen die de gladde spieren ontvangen zorgen voor een hogere calciumconcentratie in het cytosol waardoor de spier samentrekt.

Er zijn twee manieren waarop glad spierweefsel wordt beïnvloed:

1. Lokale controles

2. Extrinsieke (of reflex) controles

Lokale controles

Hierbij gaat het om mechanismen die onafhankelijk van hormonen of zenuwinnervatie werken. Hierbij regelen de arteriolen zelf de bloodflow, bloeddruk door autocriene of paracriene signalen.

Actieve hyperemie

Actieve hyperemie wordt veroorzaakt door een vergrote bloedflow en ontstaat als de metabole activiteit vergroot is. Dit ontstaat bijvoorbeeld in skeletspieren tijdens grote lichamelijke activiteit. Paracriene signalen zorgen voor vasodilatatie vooral zuurstofgebrek in het bloed voor de oxydatieve fosforylering is hier een goed voorbeeld van.

Metabole stoffen die stijgen tijdens inspanning zijn:

• Koolstofdioxide (CO2)

• Hydroxide ionen (verlaagde pH)

• Adenosine (afbraakproduct van ATP)

• Kaliumionen door verhoogde membraan repolarisatie

• Eicosanoïden bij afbraak van membraan fosfolipiden

• Osmolariteit

• Bradycardin dat wordt gevormd uit kininogeen door de actie van het enzym kallikreine dat wordt gesecreneerd door actieve kliercellen

• Stikstofoxide dat wordt vrijgemaakt uit endotheelcellen

Flow autoregulatie

Als arteriële bloeddruk daalt, verlaagt dit de bloedtoevoer naar een orgaan waardoor de zuurstofconcentratie daalt. Tegelijkertijd stijgen de metabole afbraakproducten, maar het bloed kan ze niet zo snel vervoeren als ze aangemaakt worden. Dit zorgt ervoor dat de vaten gaan dilateren waardoor er grotere zuurstof toevoer is en meer afvoer van afbraakproducten.

Myogene respons

Gladde spierweefsels reageren direct op verhoogde rek in de wanden. Hierdoor contraheren ze extra. Verlaagde druk zorgt voor hogere dilatatie.

Reactieve hyperemie

Als een orgaan volledig van bloed wordt afgesloten, zorgen paracriene signalen ervoor dat er opnieuw bloedtoevoer gaat plaatsvinden doordat de arteriolen dilateren. Hierdoor worden de wanden uitgerekt en zodra er weer bloed kan stromen, wordt er een grote hoeveelheid bloed naar het orgaan gestuurd zodat het bloedtekort snel ingehaald kan worden.

Extrinsieke controles

Sympathische zenuwen

Sympathische zenuwen kunnen zorgen voor vasoconstrictie en vasodilatatie. Er is geen parasympatische innervatie van arteriolen. Er zijn ook autonome postganglionaire neuronen die geen gebruik maken van adrenaline/ noradrenaline, maar gebruik maken van stikstofoxide (NO). Adrenaline kan ook aangestuurd worden als hormoon. Het bindt aan de alpha 2 bètha-adrenerge receptoren. Ook angiotensine 2 en vasopressine zijn belangrijk voor constrictie van de meeste arteriolen. Atrial Natriuretic petide (ANP), dat gesecreerd wordt door hartspierweefsel is een belangrijke vasodilatator. Er is geen parasympathische innervatie van arteriolen die noemenswaardig is.

Endotheliale cellen en vasculair glad spierweefsel

Stikstofoxide dat door endotheel wordt uitgescheiden is een belangrijke vasodilatator. Stikstofoxide door endotheel uitgescheiden, wordt ook wel endothelium derived relaxing factor genoemd (EDRF). Ook scheiden endotheel cellen het eicosanoïd prostacycline uit (PGL2). Als endotheline (ET-1) zorgt voor vasoconstrictie. Het is een paracrien signaal, maar als het in hoge concentraties gesecreerd wordt, kan het ook als een hormoon werken. Shear stress is de kracht op de binnenste wand van het bloedvat. Dit zorgt dat de bloedflow vergroot. Door deze vergrote kracht laat het endotheel PGI2 en NO vrij en verlaagt het de vrijlating van ET-1. Hierdoor contraheert het bloedvat. Dit heet Flow Induced Arterial Vasodilatatie en moet onderscheiden worden van autoregulatie.

Capillairen

De vorming en beweging van capillairen wordt veroorzaakt door angiogenic factors als fibroblasten en endotheelcellen. Ook kankercellen scheiden angiogene factoren uit. Angiostatine is een voorbeeld van een substantie die bloedvatgroei remt. Deze stof wordt ook gebruikt tegen tumoren.

Anatomie

De cellen die samen een capillair vormen zijn niet aan elkaar vast, maar gescheiden door intercellular clefts. Endotheelcellen bevatten grote aantallen endocytotische en exocytotische vesicles en soms fuseren die om fused-vesicle channels te vormen.

De bloedflow van capillairen hangt vooral af van de bloeddruk en bloedflow van arteriolen.
In sommige weefsels en organen gaat het bloed niet direct via de arteriolen de capillairen in, maar eerst langs bloedvaatjes, metarteriolen genoemd. De plek waar capillairen van de metarteriolen ontspringen, zijn omringd door glad spierweefsel, de preecapillary sfincter, dat kan relaxeren of contraheren in respons op lokale mediatoren.

Snelheid van capillaire bloedflow

De snelheid waarmee het bloed stroomt is veel lager in de capillairen omdat de totale doorsnede van de capillairen in totaal vele malen groter is dan de doorsnede van de arteriën bij elkaar. Door deze lage stroomsnelheid in de capillairen is het gemakkelijker om stoffen uit te scheiden.

Diffusie, vesikel transport en bulk flow zijn de belangrijkste manieren waardoor stoffen worden uitgewisseld met de capillairen. Capillairen verschillen onderling van opbouw. De capillairen in de hersenen bijvoorbeeld hebben geen intercellulaire clefts waardoor wateroplosbare substanties alleen door middel van carriertransport een capillair in/uit kunnen gaan. Capillairen in de lever bijvoorbeeld hebben grote gaten in de wand zodat zelfs grote eiwitten er gemakkelijk doorheen kunnen.

Diffusie door de capillaire wand: uitwisseling van voedingstoffen en metabole eindproducten

Drie mechanismen staan verschuiving van substanties van het interstitium naar het bloedplasma toe:

1. Diffusie

2. Vesikeltransport

3. Bulkflow

Een vierde mechanismen in de hersenen voorkomend, is gemedieerd transport. Dit wordt hieronder niet besproken.

In alle capillairen (de hersencapillairen uitgesloten) is diffusie het enige middel waarmee voedingstoffen, zuurstof en metabole eindproducten langs de capillaire wand bewogen kunnen worden. Vetoplosbare stoffen zoals zuurstof en koolstofdioxide kunnen makkelijk langs de capillaire wand diffunderen. Voor wateroplosbare stoffen is dat moeilijker. Hoe moeilijk dat is, hangt af van de grootte van de water-gevulde kanalen in de capillaire wand. In de hersenen is transport bijna onmogelijk, in de lever is dat juist heel goed mogelijk.

Bulkflow van proteïne vrij plasma

Hiermee wordt de herverdeling van interstitiële vloeistof geregeld. De hydrostatische druk zorgt ervoor dat de proteïne vrij plasma zomaar door de capillairwand kan. De druk in de bloedvaten zorgt ervoor dat het plasma naar de interstitiële vloeistof wordt gepompt en de osmotische waarde daarentegen zorgt ervoor dat niet alle plasma uit de bloedvaten wordt gepompt. Dit wordt Netto Filtration Pressure (NEP) genoemd.

Bloedplasma bevat veel kristalloïden zoals natrium, chloride en kalium. Maar omdat de wand van de capillairen permeabel is voor deze stoffen is de concentratie van deze stoffen in de interstitiële vloeistof en bloedvat gelijk.

Colloïden zijn ook plasma proteïnen maar deze kunnen niet door de capillairwand heen. Hierdoor is de concentratie colloïden in het plasma veel hoger dan in de interstitiële vloeistof. Dit zorgt ervoor dat er nog vloeistof in de bloedvaten blijft, want de waterconcentratie in plasma en interstitiële vloeistof blijft gelijk. Dit wordt absorptie genoemd.

Al deze waarden vormen samen deze formule:

NEP : Pc + πif –Pif – πc

Pc : capillary hydrostatic pressure

Pif : interstitial hydrostatic pressure

Πc : osmotic force due to plasma protein concentration

Πif : the osmotic force due to interstitial fluid protein concentration

Deze vier krachten worden ook wel Starling forces genoemd

Capillary Filtration Coefficient : een meting van hoeveel vloeistof gefilterd zal worden per mmHg netto filtratiedruk. Dit fenomeen is vooral belangrijk in de nieren.

Venen

De totale druk van het stromend bloed in de venen is ongeveer 15 mmHg. Hierdoor worden alleen producten met een lage weerstand van weefsels naar het hart vervoerd. Omdat het bloedvolume in de venen vergroot is, is ook de diameter van een veen veel groter dan de arteriën. Ongeveer 60 procent van het bloed bevindt zich in de venen.

De bloedvatwand van de venen bevatten glad spierweefsel dat geïnnerveerd wordt door sympathische neuronen. Verhoogde constrictie zorgt ervoor dat er meer bloed naar het hart gepompt wordt.

Ook de skeletspierpomp en de ademhalingspomp zorgen ervoor dat de veneuze druk en veneuze return naar het hart plaatsvindt.

Tijdens skeletspiercontracties worden de venen namelijk gedeeltelijk samengedrukt. Hierdoor wordt de diameter kleiner en het bloed weg geperst. Omdat de venen kleppen hebben kan het bloed niet richting voeten, maar alleen richting hart gaan.

Bij de respiratoire pomp wordt er gebruik gemaakt van de onderdruk in de thorax tijdens het ademen. Doordat er een onderdruk ontstaat wordt het bloed naar de thorax toe getrokken.

De veneuze return moet hierbij gelijk zijn aan de cardiac output.

Het lymfatisch systeem

Het lymfatisch systeem is een netwerk van kleine orgaantjes (lymfeknopen) en buisjes (lymfevaten) waar door lymfe ( een vloeistof verkregen van interstitiële vloeistof) stroomt.

In het interstitium van bijna alle organen en weefsels bevinden zich lymfatische capillairen die totaal verschillend zijn van bloedvat capillairen.

Bij het lymfesysteem begint het bij de lymfeknoop. Vanaf daar wordt de interstitiële vloeistof in lymfecapillairen verzameld. De capillairen verenigen zich samen tot grotere buizen totdat de grotere buizen uiteindelijk verenigd worden in twee grote lymfatische ductuli die hun interstitiële vloeistof afgeven aan de vv. jugularis en vv. subclavia.

Kleppen in de lymfevaten zorgen ervoor dat het vocht niet kan terugstromen.

Het falen van het lymfesysteem door bijvoorbeeld infectieziekten als elephantiasis zorgt ervoor dat het lymfesysteem niet meer werkt en ter plaatste een enorme zwelling van interstitiële vloeistof ontstaat. Deze soort zwelling wordt ook wel edema (oedeem) genoemd.

Glad spierweefsel in de wanden van lymfevaten zorgen voor ritmische contracties. Dit gladde spierweefsel reageert op rek. Ook skeletspierweefsel zorgt voor toename van het stromen van lymfevloeistof.

Oorzaken van oedeem

Hartfalen kan zorgen voor verhoogde veneuze druk waardoor het bloed terug in de capillairen gepompt wordt en de hydrostatische druk (Pc) stijgt en de filtratie sneller gaat dan het wegvoeren van interstitiële vloeistof.

Ook tijdens beschadiging van weefsel wordt er Histamine vrijgelaten zodat de arteriolen gaan dilateren. Hierdoor stijgt de capillaire druk en filtratie. Ook zorgen de vrijgekomen stoffen van beschadigd weefsel dat de intercellulaire clefts groter worden waardoor meer proteïnen uit de bloedstroom kunnen gaan en de osmotische waarde buiten de bloedstroom ook vergroot.

Ook zijn er ziekten waarbij plasmaproteïnen verlaagd worden. Hierdoor wordt de hoofd absorptieve kracht van de capillairen πc verlaagd. Bij ondervoeding kan het gebeuren dat er te weinig eiwitten ingenomen worden (kwarshiorkor) hierdoor komt de interstitiële vloeistof in de holtes in het abdomen en ontstaat er een gezwollen buikje.

Section D: Integratie van de cardiovasculaire functie: regulatie van de systemische arteriële druk

De gemiddelde systemische arteriële druk wordt als volgt gevormd:

MAP (mean arterial pressure): CO (cardiac output) x TPR (total peripheral resistance)

Delta P (pressure): F (flow) x R (resistance)

Samen vormen deze formules:

MAP – Right arterial pressure : CO x TPR

Maar omdat de druk in het rechter atrium bijna 0 is, kan de formule ook zo omgeschreven worden:

MAP: CO x TPR

Mean pulmonary arterial pressure: CO x Total pulmonary vascular resistance

Baroreflexen

Arteriële baroreflexen

Baroreflexen reageren op druk in de bloedvaten. Barororeceptoren bevinden zich in de carotide sinus op de plek waar a. carotis communis wordt gesplitst in a. carotis interna en a. carotis externa. Andere baroreceptoren bevinden zich in de aortaboog.
Een baroreceptor is een zenuw met uitgespreide vertakkingen die de rek op de bloedvatwand meten. Afferente neuronen brengen het signaal naar de hersenstam en van daar worden neurovasculaire controle centra geïnnerveerd.

Het medullaire cardiovasculaire centrum

Het primaire integratiecentrum van de baroreceptor reflexen is een diffuus netwerk van in hoge mate verbonden neuronen. Dit complex wordt de medullary cardiovascuolar center genoemd. Het ligt in de medulla oblongata. Dit centrum innerveert de n. vagus en sympatische neuronen.

Als de arteriële druk stijgt, worden de baroreceptoren geprikkeld waardoor de sympatische outflow naar het hart, arteriolen en venen verminderd worden en de parasympatische outflow naar het hart vergroot wordt.

Ook angiotensine II en vasopressine secretie helpen om de bloeddruk te bepalen. Verlaagde arteriële druk zorgt voor verhoogde plasmaconcentraties van deze beide hormonen.

Als de bloeddruk daalt door bijvoorbeeld een bloeding, wordt de mate van ontlading op de bloedvatwand ook minder. Dit zorgt voor:

1. Verhoogde hartslag door verhoogde sympathische activiteit en verlaagde parasympathische activiteit

2. Verhoogde ventriculaire contractiliteit door de verhoogde sympathische activiteit naar het ventriculaire myocard

3. Arteriolaire constrictie door verhoogde sympathische activiteit naar de arteriolen en verhoogde plasmacocentraties van angiotensine II en vasopressine

4. Verhoogde veneuze constrictie door verhoogde sympathische activiteit van de venen.

Dit samen zorgt voor verhoogde cardiac output (verhoogde hartfrequentie en slagvolume), verhoogde perifere weerstand en de bloeddruk wordt weer als daarvoor.

Maar als bloeddruk enige tijd van het normale setpoint afwijkt, raken de baroreflexen hieraan gewend. Ze hebben dus verlaagde frequentie van actiepotentialen op een bepaalde bloeddruk.

Bloedvolume en lange termijn regulatie van arteriële druk

Bloedvolume is de belangrijkste determinant voor arteriële druk omdat het de veneuze druk, veneuze return, het eind-diastolische volume, slagvolume en cardiac output bepaald.

Andere cardiovasculaire reflexen en responsen

De volgende stimuli verzorgen allemaal een verhoogde bloeddruk:

• Verlaagde arteriële zuurstofconcentratie

• Verhoogde arteriële koolstofdioxideconcentratie

• Verlaagde bloedflow naar de hersenen

• Pijn die zijn oorsprong vindt in de huid (pijn in de viscera veroorzaakt juist verlaagde arteriële bloeddruk)

• Ook stemming, stress, beweging of juist slaap kunnen bloeddruk veranderen

Verhoogde intracraniële druk

Er zijn verschillende oorzaken die kunnen zorgen voor verhoogde bloeddruk in de hersenen. Dit kan een tumor of een trauma zijn dat zorgt voor een bloeding of oedeem. Het probleem in de hersenen is dat er geen zwelling kan optreden naar buitenaf doordat de schedel dit vermijdt. Hierdoor wordt de bloedtoe- en afvoer veel te laag, stijgen de metabolieten en afvalproducten zo dat ze het sympathische zenuwstelsel krachtig innerveren. Alleen het verwijderen van de tumor, bloeding of oedeem kan de druk verlagen.

Deze verhoogde druk in de schedel wordt het Cushing’s phenomeen genoemd.

Section E: Cardiovasculaire patronen in gezondheid en ziekte

Hypotensie

Hypotensie is een lage bloeddruk. Een veel voorkomende oorzaak is een bloeding. Ook dan worden de baroreflexen geactiveerd: de hartslag gaat omhoog, de vaten contraheren en de bloeddruk stijgt. Een andere belangrijke factor om bloeddruk te laten stijgen is het resorberen van interstitiële vloeistof in de capillairen.

Deze mechanismen worden autotransfusie genoemd, waarbij de bloeddruk binnen 12 tot 24 uur weer op normale waarden zijn. Wel daalt de hematocrietwaarde.

Als de bloeddruk weer op peil is, wil dat niet zeggen dat het verloren bloed direct vervangen wordt. Alleen de nieren kunnen voor vervanging zorgen door hormonen uit te scheiden. Deze hormonen zijn renine, angiotensine en aldosteron.
De vervanging van erythrocyten wordt gedaan door erythropoietine dat erythropoiese stimuleert (dit is de rijping van rode bloedcellen). Deze vervanging van rode bloedcellen heeft dagen tot een week nodig.

Ook het verlies van natrium (door zweten, diarree, overgeven of overmatig urineverlies) kan leiden tot een te lage bloeddruk.

Een verlaagde bloeddruk kan ook het resultaat zijn van een slecht werkend hard, bij een hartaanval bijvoorbeeld (cardiogeen).

Emoties kunnen ook een grote rol spelen bij de bloeddruk. De hersencentra die betrokken zijn bij emoties remmen namelijk de sympathische activiteit en vergroten de parasympatische activiteit. Hierdoor kan een vasovagale collaps ontstaan.

Allergische reacties kunnen ook leiden tot verlaagde bloeddruk doordat de vaten gaan dilateren (anafylaxis).

Shock

Situatie waarin een verlaagde bloedflow leidt tot hypoxie in de organen en weefsels, waardoor deze ischemisch worden en beschadigen.

Hypovolemische shock: veroorzaakt door een verlaagd bloedvolume door bloeding of vochtverlies op andere wijze.

Distributieve shock: dit is als gevolg van een verlaging in totale perifere weerstand door het vrijlaten van stoffen die zorgen voor vasodilatatie. Dit komt voor bij allergieën (anafylaxis) en infecties (sepsis).

Cardiogene shock: gevolg van extreme verlaging van cardiac output door verschillende factoren (bijvoorbeeld hartaanval)

Upright posture

Als gevolg van zwaartekracht is de bloeddruk in de voeten veel hoger. Hierdoor kan er meer bloed uit de bloedvaten geperst worden en kan er oedeem ontstaan bij lang staan.

Inspanning

Wat gebeurt er tijdens inspanning met de bloeddruk: cardiac output stijgt en de perifere weerstand daalt. De mean arterial pressure stijgt gemiddeld een beetje.

De polsdruk (verschil tussen systolische en diastolische druk) stijgt omdat het slagvolume toeneemt en de snelheid waarmee het slagvolume wordt weggestuwd ook stijgt.

Maximal Oxygen Consumption (VO₂ max)

VO₂ Max wordt gelimiteerd door:

1) cardiac output

2) de hoeveelheid zuurstof de longen aan het bloed af kunnen geven

3) de hoeveelheid zuurstof de spieren kunnen opnemen uit het bloed

Training zorgt ervoor dat het slagvolume vergroot, en dat er meer bloedvaatjes in de spieren komen zodat de spier een beter zuurstofvoorziening heeft en betere CO₂ afgifte. Ook zorgt training voor een grotere concentratie oxidatieve enzymen en mitochondriën in getrainde spieren.

Hypertensie

Chronisch verhoogde arteriële bloeddruk. Dit is bloeddruk boven 140/90 mmHg.

Hypertensie kan ontstaan door verhoogde cardiac output of verhoogde perifere weerstand.

Renale hypertensie ontstaat meestal door nierbeschadiging. Hierdoor wordt er meer renine vrijgelaten door de nieren en dus meer angiotensine II.

Primaire hypertensie: hypertensie met onbekende oorzaak (95% van de gevallen).

Men denkt dat kaliumwaarden in het bloed een rol spelen, dat er dus mensen zijn die meer gevoelig zijn voor zouten in het bloed dan andere mensen.

Diuretica worden gegeven om mensen meer te laten plassen. In de urine is dan een vergrote hoeveelheid kalium te vinden.

Ook een lage calciuminname is waarschijnlijk een oorzaak van hypertensie. Mensen met obesitas of een zittende levensstijl hebben een vergrote kans op hypertensie. Ten slotte speelt roken nog een rol.

Gevolgen van hypertensie zijn onder andere linker ventriculaire hypertrofie omdat het linkerventrikel chronisch tegen een hoge bloeddruk moet pompen. Uiteindelijk lijdt dit tot verminderde hartfunctie en hartfalen.

Hypertensie kan ook leiden tot arteriosclerose, hartaanvallen, nierschade en beroerte (breuk van de cerebrale bloedvaten zodat er plaatselijk hersenschade ontstaat).

Medicijnen die tegen hoge bloeddruk worden gebruikt zijn:

• Diuretica: verhoogde urine en natrium eliminatie

• Bèta adrenerge receptor blockers: verminderen cardiac output

• Calcium kanaal blokkers: verlagen de toegang van calcium in het vasculaire gladde spierweefsel zodat ze minder goed samentrekken.

• Angiotensine – converting enzyme (ACE) remmers: deze remmen de vorming van angiotensine II in plasma zodat de arteriën gaan dilateren. Dit zorgt voor een lagere perifere weerstand. Dit medicijn zorgt ervoor dat het linker ventrikel zich niet gaat aanpassen aan de situatie en er ontstaan dus minder gevaren voor een hartaanval.

• Medicijnen die sympathische activiteit onderdrukken.

Heart failure (hartfalen)

Hartfalen is een verzameling van tekenen en symptomen die voorkomen als een hart faalt om adequaat bloed rond te pompen door bijvoorbeeld coronairvaten die te weinig bloedtoevoer krijgen of het hart dat tegen een te grote bloeddruk moet oppompen. Mensen met hartproblemen worden in twee categorieën verdeeld:

1. mensen met diastolische dysfunctie (problemen met ventriculair vullen)

2. mensen met systolische dysfunctie (problemen met ventriculaire stuwing)

Diastolische dysfunctie gaat vooral om het minder kunnen rekken van de ventrikels zodat er minder bloed in kan gaan. Hierdoor is het eind-diastolische volume verlaagd. De meest voorkomende oorzaak hiervan is ventrikelhypertrofie op basis van systemische hypertensie.

Systolische dysfunctie is meestal het resultaat van myocard schade door bijvoorbeeld een hartaanval. Hierdoor wordt er minder bloed weg gepompt uit het hart.

Verlaagde cardiac output prikkelt de baroreflex. Dit komt omdat de baroreceptoren minder snel ontladen en de hersenen denken dat er een verlaagde bloeddruk is. De hersenen zorgen dat de hartslag wordt verhoogd door verhoogde sympathische en verlaagde parasympatische ontlading van het hart.

De totale perifere weerstand wordt verhoogd door verhoogde sympathische activatie die zorgt dat de bloedvaten contraheren.

Failure (falen) van het linker ventrikel zorgt voor pulmonair oedeem. Er hoopt vocht op in de interstitiële ruimte van de longen en luchtruimten zelf, wat er voor zorgt dat er minder gaswisseling kan plaatsvinden. Het linker ventrikel faalt om evenveel bloed rond te pompen als het rechterventrikel. Hierdoor stijgt de bloeddruk van alle pulmonaire bloedvaten. Ook stijgt de druk in de capillairen zodat er vocht uit wordt geperst.

De volgende medicijnen worden gebruikt tegen hartfalen:

• Diuretica

• Cardiac inotroop medicijn: medicijnen als digitalis verhogen de ventriculaire contractiliteit door de systolische calcium concentratie in myocardcellen te laten stijgen. Hoewel dit tegenstrijdig lijkt, lijkt het te helpen.

• Vasodilatatoren: verlagen de perifere weerstand dus ook de bloeddruk door vasoconstrictie tegen te gaan of door verminderde angiotensine II in het bloed te vormen.

• Bèta adrenerge receptor blokkers: deze blokkeren de adrenerge receptoren in het myocard.

Coronair arterielijden

Verminderde bloedtoevoer in een of meer coronaire vaten zorgt voor ischemie. Een dodelijk gevolg kan zijn: myocardschade, myocard infarct of hartaanval.

Een voorbode kan angina pectoris zijn.

Symptomen myocard infarct:

• Hevige pijn op de borst, uitstralend naar de kaak of linker arm

• Nausea (braakneiging)

• Overgeven

• Zweten

• Zwakte

• Kortademigheid

Diagnose kan verkregen worden door een ECG of door het aantonen van bepaalde proteïnen in het plasma (vooral creatine kinase of myocard-specifiek troponine).

Plotseling overlijden door myocard infarct ontstaat door ventrikelfibrilleren. Dit is een abnormaliteit in impulsgeleiding. Dit zorgt voor ongecoördineerde ventriculaire contracties die geen bloed kunnen doorstuwen.

Een aantal mensen kan gered worden door cardiopulmonary resuscitation (CPR). Dit is een serie mond op mondbeademingen en borstcompressies zodat er een kleine hoeveelheid zuurstof naar de hersenen kan gaan.

CPR wordt gevolgd door defibrillatie, waarbij een elektrisch signaal door het hart wordt gestuurd om het abnormale fibrilleren tegen te gaan.

De Automatic Electronic Defibrillator (AED) zorgt hier ook voor.

Een veel voorkomende oorzaak van een myocardinfarct is atherosclerose.

Dit is een aandoening waarbij de bloedvatwand verdikt wordt door plaques door:

1. grote hoeveelheid gladspierweefsel om de wand van het bloedvat, aanwezigheid van macrofagen en lymfocyten

2. afzetting van cholesterol en andere vette substanties in cellen maar ook extracellulair

3. dichte lagen van bindweefsel matrix

Artherosclerose zorgt voor verlaagde doorstroom. Ook scheiden endotheelcellen nog extra vasoconstrictoren uit (endotheline 1) en remmen de hoeveelheid vasodilatatoren (NO en prostacycline). Uiteindelijk leiden deze factoren tot afsluiting van het bloedvat, oftewel coronaire trombose.

Risicofactoren zijn:

1. hoge concentraties cholesterol en aminozuur homocysteine

2. hypertensie

3. diabetes

4. obesitas

5. zittende levensstijl

6. stress

7. menopauze (bij vrouwen worden hartaanvallen pas gezien na de menopauze)

Hoe weinig er ook wordt getraind, elke training is beter dan geen. Het zorgt namelijk voor:

• Verlaagde zuurstofbehoefte van het myocard tijdens rust en verlaagde bloeddruk in rust

• Vergrote diameter van coronair arteriën

• Verlaagde kans op hypertensie en diabetes. Dit zijn de twee grootste risicofactoren voor atherosclerose.

• Verlaagde plasmacholesterol concentratie door verhoogd HDL

Foliumzuur kan ook een beschermende functie hebben tegen een hartinfarct omdat het de concentratie van het aminozuur homocysteine verlaagt. Homocysteine heeft verschillende atherosclerotische effecten.

Nitroglycerine wordt vaak toegediend als medicament bij angina pectoris omdat het omgezet wordt in nitric oxide (stikstof oxide, NO) dat de vaten dilateert.

Er zijn verschillende chirurgische ingrepen voor coronair arterieel lijden, namelijk:

• Percutane transluminale angioplastiek (PTCA). Hierbij wordt een katheter met een ballon in het afgesloten deel van de arterie geplaatst en daarna opgeblazen. Dit vergroot het lumen en maakt de afsluiting kapot. Meestal wordt dit gecombineerd met een permanente stent. Dit is een stukje staal dat het bloedvat open houdt.

• Coronaire bypass: hierbij wordt een nieuw stukje bloedvat aan het verstopte stukje arterie wordt gezet die is genomen van een vene in een deel van het lichaam van de patiënt waar het gemist kan worden.

Mensen met atherosclerotische cerebrale bloedvaten kunnen ook lijden aan neurologische tekorten als Transient Ischemic Attacks (TIAs).

Een ader kan ook afgesloten worden door een embolus of bloedprop.

Section F: Bloed en hemostase

Plasma

Plasma bestaat uit een aantal opgeloste substanties. De rol van plasmaproteïnen is om de osmotische druk te handhaven: ze zorgen dat vloeistof uit de extracellulaire vloeistof de capillairen in kan gaan. Plasma proteïnen kunnen onderverdeeld worden onder drie groepen:

1. Albuminen

2. Globulinen

3. Fibrinogeen

De functie van fibrinogeen is helpen met bloedklontering. Serum is het plasma zonder fibrinogeen en andere proteïnen die helpen met bloedklontering.

Bloedcellen

Erytrocyten

Hoofdfunctie is het vervoeren van zuurstof en koolstofdioxide. Erytrocyten bevatten veel hemoglobine voor dit vervoer. Zuurstof bindt aan ijzeratomen in de hemoglobine moleculen. Erytrocyten hebben een biconcave vorm. Hierdoor hebben ze een grote oppervlakte waardoor zuurstof en koolstofdioxide gemakkelijk kunnen diffunderen naar het binnenste van de cel. Erytrocyten worden gemaakt in het beenmerg, vooral in rood beenmerg. Jonge erytrocyten worden ook wel reticulocyten genoemd omdat ze als ze jong zijn nog een aantal ribosomen hebben waardoor ze een reticulaire (weblike) verschijning hebben. Alleen rijpe erytrocyten, dus zonder ribosomen, komen in de circulatie.

Erytrocyten leven ongeveer 120 dagen en elke dag worden er 250 biljoen nieuwe erytrocyten gemaakt per dag. Vernietiging van erytrocyten gebeurt in de lever en milt. Het afbraakproduct van hemoglobine is bilirubine dat terugkeert naar plasma en dit een gelige kleur geeft.

IJzertekorten (iron deficiency) leidt tot inadequate hemoglobine productie of ernstige toxische effecten (hemochromatose). De opslag van ijzer gebeurt in de leven als het proteïne ferritine. Ferritine dient als buffer tegen ijzer deficiëntie.

IJzer wordt goed hergebruikt: als erytrocyten worden afgebroken in de milt, wordt hun ijzer in het plasma afgegeven en gebonden aan ijzer-transport plasma proteïne transferrine. Transferrine brengt al het ijzer naar het beenmerg om te worden hergebruikt in nieuwe rode bloedcellen.

Foliumzuur en vitamine B12

Folic acid (foliumzuur) is een vitamine die vooral wordt gevonden in gebladerde planten, gist en lever. Het is nodig voor de synthese van de nucleotide base thymine. Het is dus essentieel voor de vorming van DNA. Als er te weinig foliumzuur aanwezig is, remt dit de vorming van snel vormende cellen als erytrocyten. Productie van erytrocyten heeft ook cobalt bevattende moleculen namelijk vitamine B12 nodig om foliumzuur te activeren. Opname van vitamine B12 heeft intrinsic factor nodig die geproduceerd wordt door de maag. Als er geen intrinsic factor wordt gemaakt, ontstaat er een erytrocyt deficiëntie die ook wel een pernicieuze anemie wordt genoemd.

Erythropoiese: productie van erytrocyten. Erytropoiese wordt gecontroleerd door het hormoon erythropoietine dat wordt uitgescheiden in het bloed door bindweefselcellen in de nieren. Erytropoietine werkt op het rode beenmerg dat productie van erytrocyten stimuleert/remt

Erytropoietine hormoon wordt verhoogd als er een zuurstoftekort plaats vindt in het bloed. Ook testosteron stimuleert de productie van erythropoietine.

Anemie

Een verlaagde mogelijkheid van bloed om zuurstof te kunnen vervoeren als gevolg van:

1. Verminderd aantal erytrocyten met normale hoeveelheid hemoglobine

2. Verminderde concentratie hemoglobine per erytrocyt

3. Combinatie van beide

Sikkelcelanemie

Sikkelcelanemie is een gevolg van genetische mutatie die de aminozuur in de hemoglobine ketting verandert. In capillairen met een lage zuurstofconcentratie interacteren hemoglobinemoleculen met elkaar en vormen vezelachtige structuren die de vorm van het erytrocytmembraan vernietigen. Dit zorgt voor weefselschade en pijn. Sikkelcelanemie bestaat nog steeds omdat heterozygoten resistent zijn tegen malaria (evolutionair voordeel).

Polycythemie is een aandoening waarbij er veel te veel erytrocyten in het bloed aanwezig zijn. Hierdoor wordt het bloed visceuzer en moet het hart beter pompen.

Leukocyten

Polymorphonucleaire granulocyten bestaan uit drie klassen leukocyten die meer gelobte nuclei hebben en granula.

• Eosinofielen nemen het rode eosine op

• Basofielen nemen de blauwe basische oplossing op

• Neutrofielen nemen geen van beide oplossingen op

Monocyten zijn ook een klasse leukocyten. Ze zijn groter dan granulocyten en hebben een enkele ovale of hoefijzervormige nucleus en relatief weinig granulen in het cytoplasma. Lymfocyten hebben weinig cytoplasma en een enkele relatief grote kern. Leukocyten worden gevormd in het beenmerg, maar monocyten en lymfocyten ontwikkelen zich uiteindelijk verder in weefsels buiten het beenmerg.

Thrombocyten

Thrombocyten zijn kleurloos, hebben geen kern en zijn veel kleiner dan erytrocyten. Thrombocyten worden gevormd als cytoplasmatische porties van grote beenmergcellen, namelijk megakaryocyten, de circulatie binnen gaan. In volwassenen speelt het beenmerg in de borst, schedel en bovenste extremiteiten nog slechts rol in de bloedcel vorming.

Alle bloedcellen zijn afgeleid van pluripotente hematopoietische stam cellen. Als deze in dochtercellen verdelen ontstaan er of lymfoide stamcelen (deze vormen lymfocyten) of myeloide stamcellen (dit zijn de progenitoren van alle andere cellen). Proliferatie en differentiatie van deze progenitorcellen worden beïnvloed door hormonen, namelijk: hematopoetische growth factors (HGFs).

Erytropoietine is een HGF voor erytrocyten

Colony-stimulating factors (CSFs) – granulocyten en monocyten

Interleukins – lymfocyten

Thrombopoietine – thrombocyten

Stam cell factor – verschillende soorten bloedcellen

Hemostase: voorkomen van bloedverlies

Een hematoom is een ophoping van bloed in weefsels als resultaat van een bloeding van een bloedvat. Bij hemostase worden de kapotte stukken bloedvat door vasoconstrictie tegen elkaar gedrukt en plakken ze aan elkaar. Dit stopt het bloeden. Het definitief sluiten van het bloedvat gebeurt door een trombocytenplug en bloedcoagulatie (klontering). Als een bloedvat beschadigd is, is de laag endotheel kapot en komen de bindweefselvezels vrij. Aan deze vezels hechten de trombocyten zich met behulp van Von Willebrand factor (vWF). Dit is een plasma proteïne gesecreerd door endotheelcellen en trombocyten. Als trombocyten binden secreren ze een aantal chemische signalen, zoals: ADP (Adeninedifosfotase) en serotonine. Hierdoor worden het metabolisme, vorm en oppervlakte proteïnen van trombocyten verandert. Dit proces van verandering heet: platelet activation.

Sommige veranderingen zorgen ervoor dat trombocyten zich aan oude trombocyten vastplakken. Dit wordt plaatjesaggregatie genoemd. Dit zorgt voor het ontstaan voor de plaatjesplug in het bloedvat. Adhesie van de trombocyten zorgen voor de synthese van tromboxane A2 om verdere trombocytenaggregatie (samenvoeging) te stimuleren. Fibrinogeen vormt de bruggen tussen geaggregeerde trombocyten. De trombocyten kunnen een bloedvat volledig herstellen doordat ook de trombocytenplug zelf samentrekt. Dit wordt ook wel clot retraction genoemd. Terwijl de plug wordt gemaakt, contraheert het bloedvat zodat de doorstroomsnelheid vermindert. Deze verandering is een reactie op tromboxane A2.

Het aangrenzende niet beschadigde endotheel secreert prostacyline (PGI2) dat ervoor zorgt dat de trombocyten niet aan dit endotheel aggregeren. Ook NO (stikstofoxide) remt de trombocytenadhesie, activatie en aggregatie.

Coagulatie (stolling)

Bloedcoagulatie oftewel stolling is het proces waarbij bloed getransformeerd wordt naar een solide gel, namelijk een prop of trombus en bestaat voornamelijk uit de polymeer fibrine. Protrombine wordt omgezet in trombine. Trombine katalyseert de reactie waarbij verschillende polypeptiden worden gesplitst tot de vorming van fibrinogeen en wordt snel omgezet en verstevigd tot fibrine. Fibrine wordt gestabiliseerd door het enzym XIIIa dat is gevormd uit het plasma proteïne XIII. Trombine katalyseert dus fibrinevorming, maar ook activatie van XIII. Geactiveerde trombocyten verzoenen ook fosfolipiden, namelijk plaatjesfactor (PF), die functioneert als cofactor in de stappen van coagulatie. Ook calcium is nodig in verschillende stappen van coagulatie.

Twee pathways van de aggregatie vinden tegelijkertijd plaats, namelijk:

1. De intrinsieke pathway: zo genoemd omdat alle benodigdheden in het bloed aanwezig zijn

2. De extrinsieke pathway: zo genoemd omdat een cellulair component buiten het bloed nodig is

Hemofilie wordt veroorzaakt omdat factor VIII (hemofilie A) of factor IV (hemofilie B) niet aanwezig is.

Antistollingssystemen

Je kunt de antistolling in drie mechanismen onderscheiden:

• Tissue factor pathway inhibitor (TFPI) dat wordt gesecreerd door endotheelcellen. Deze factor bindt aan weefsel factor VIIa en remmen de vorming van Xa. Door dit mechanismen kan de extrinsieke pathway alleen kleine hoeveelheden trombine vormen.

• Het tweede systeem wordt geprikkeld door trombine. Dit kan binden aan trombomoduline, dit is een endotheelcel receptor. Het zorgt ervoor dat trombine aan proteïne C bindt. Proteïne C zorgt ervoor dat binding van VIIIa en Va wordt geremd.

• Antitrombine III inactiveert trombine en verschillende andere aggregatie factoren. Hierdoor wordt antitrombine III eerst zelf geactiveerd en dit gebeurt ook door heparine. Antitrombine II voorkomt de verspreiding van de prop door snel overal stollingsfactoren te inactiveren.

Het fibrinolytische systeem

Dit systeem zorgt ervoor dat de prop na herstel van het bloedvat weer verdwijnt. Eerst vormt het een plasma pro-enzym, plasminogeen, dat geactiveerd wordt naar het enzym plasmine, door proteïne plasminogeen activatoren. Als deze proteïnen zijn gevormd, verteert het fibrine en lost het de prop op. Tissue plasminogeen activator (t-PA) wordt gesecreerd door endotheelcellen. Tijdens stolling binden plasminogeen en t-PA aan fibrine en worden ingelijfd in de prop. De aanwezigheid van fibrine vergroot de mogelijkheid van t-PA om plasmine van plasminogeen te genereren.

Antistolling medicatie

Aspirine remt cyclo-oxygenase enzym die prostaglandines en tromboxanes genereren. Omdat tromboxane A2, (geproduceerd door trombocyten) belangrijk is voor prop aggregatie, vermindert het de aggregatie. Fibrinogeen blokkers blokkeren de werking van fibrinogeen. Orale anticoagulanten hebben effect op de acties van vitamine K dat nodig is voor de synthese van stollingsfactoren door de lever. Heparine is een natuurlijke cofactor voor antitrombine II, maar kan ook gebruikt worden als medicijn als het bindt aan endotheel cellen. Hierdoor vergemakkelijkt het de acties van antitrombine III. Ook remt het de trombocytenfunctie.

Plasminogeen blokkers lossen de prop op. Dit type medicijn wordt trombolytische therapie genoemd. Intraveneuze toediening van recombinant t-PA of proteolytische medicijn streptokinase wordt binnen drie uur na een myocardinfarct toegediend en verminderd de schade.

Grote arteriën

Het cardiovasculaire systeem bestaat uit verschillende soorten vaten. Al deze vaten hebben één ding gemeen: endotheel, een laag cellen die de binnenkant van de vaten bekleedt. Capillairen bestaan enkel uit endotheel, terwijl andere vaten ook lagen van bindweefsel en glad spierweefsel bevatten.

De grote systemische arteriën hebben een grote diameter en dikke wanden met veel elastisch weefsel. Ze hebben ook een beetje glad spierweefsel. Vanwege de grote diameter functioneren ze als pijpleidingen die het bloed naar de organen vervoert. Het elastische weefsel heeft als functie dat het de bloeddruk op peil houdt. De elasticiteit van de wand wordt ook wel de compliantie genoemd. Dit is hoe makkelijk de vaatwand kan uitrekken onder een bepaalde druk. Wanneer het makkelijk uitrekt, geeft het maar een kleine drukstijging.

Compliantie = Δ volume / Δ druk

Hoe groter de compliantie, hoe gemakkelijker het vat kan uitrekken. Door bijvoorbeeld atherosclerose kan de compliantie minder worden.

Tijdens de systolische fase wordt er bloed uit het hart gepompt. Doordat de aorta uitrekt, schiet het bloed niet allemaal in één keer door, maar blijft er ongeveer één derde achter in de aorta. Wanneer de diastole begint, veert de aorta weer terug in zijn oorspronkelijke vorm, waardoor het bloed nog verder wordt geduwd. De volgende systole dient zich aan voordat al het bloed weg is. Daardoor zal de arteriële bloeddruk nooit nul worden. De grootste arteriële bloeddruk is bij de piek van de ventriculaire ejectie. Dit is de systolische bloeddruk. De laagste bloeddruk is vlak voor de ventriculaire ejectie begint. Dit is de diastolische bloeddruk. De notatie van de arteriële bloeddruk is systolisch/diastolisch (bijvoorbeeld 120/80).

De polsdruk is het verschil tussen de systolische en diastolische bloeddruk, dus systolisch minus diastolisch. De belangrijkste factoren die de grootte van de polsdruk bepalen zijn:

1. Slagvolume
2. Ejectiesnelheid van het slagvolume
3. Arteriële compliantie

Hoe groter het slagvolume, hoe sneller de ejectie en hoe lager de compliantie, hoe groter de polsdruk.

De gemiddelde arteriële druk (mean arterial pressure, MAP) is niet het gemiddelde van de systolische (SP) en diastolische druk (DP), omdat de diastolische fase twee keer langer duurt dan de systolische fase:

MAP = DP + 1/3 (SP – DP)

De MAP is belangrijk, omdat het aangeeft hoe groot de gemiddelde druk is waarmee het bloedplasma tegen de weefsels drukt. Compliantie heeft geen significant effect op de MAP.

De arteriële bloeddruk wordt gemeten met behulp van een sphygmomanometer en een stethoscoop. Een opblaasbare ‘cuff’ wordt om de arm geschoven. Deze wordt opgepompt tot een druk boven de systolische bloeddruk. Vervolgens wordt de stethoscoop onder de cuff, op de a. brachialis gelegd. De druk wordt langzaam verlaagd. Men luistert naar zogenaamde Korotkoff tonen. Dit zijn vibraties die gehoord worden wanneer de druk in de cuff iets lager is dan de systolische bloeddruk. Het bloed kan dan net door de arterie heen stromen, waardoor er turbulentie optreedt en er vibraties ontstaan (die gehoord kunnen worden als de Korotkoff tonen). Op het moment dat de tonen hoorbaar worden, is de druk net iets onder de systolische bloeddruk, en mag dus worden gezien als de systolische bloeddruk.

De diastolische bloeddruk wordt gevonden door de druk in de cuff steeds lager te maken en te blijven luisteren met de stethoscoop. Op het moment dat de tonen wegvallen, is er geen turbulentie, is het bloedvat dus helemaal open en kan het bloed vrij stromen. De druk in de cuff is dus net iets onder de diastolische bloeddruk.

Behoud van de mean arterial pressure

De mean arterial pressure (MAP) is wat er homeostatisch in balans wordt gehouden door regelsystemen. De MAP is het product van de cardiac output (CO) en de totale perifere weerstand (TPW).

MAP = CO x TPW

Wanneer één van de twee factoren (CO of TPW) verandert, verandert ook de MAP. Slechts in het geval dat de twee factoren zo veranderen dat ze elkaar opheffen, is er sprake van geen verandering van de MAP. Ook wanneer de MAP verandert, zullen de CO en/of de TPW veranderen. Dit laatste is wat er gebeurt bij het homeostatisch in balans houden van de MAP.

Baroreceptoren

Baroreceptoren zijn receptoren die veranderingen in druk kunnen waarnemen. De arteriële baroreceptoren zitten in de wand van de aortaboog en in de sinus caroticus (de bifurcatie van de carotis communis). De afferente neuronen sturen de informatie naar de hersenstam. Hoe hoger de druk, hoe sneller het neuron vuurt. Hierdoor kunnen hele kleine veranderingen snel waargenomen worden.

Het integratiecentrum van de baroreceptoren zit in de medulla oblongata, en dit centrum wordt het ‘medullary cardiovascular center’ genoemd. Dit is een diffuus netwerk van neuronen die sterk onderling verbonden zijn. De neuronen krijgen input van de baroreceptoren. De output is parasympathisch (nervus vagus) naar het hart en sympathisch naar het hart, de arteriolen en de venen. Bij sneller vuren van de baroreceptoren zal de output naar de parasympathicus vergroot worden, en naar de sympathicus verlaagd. Het omgekeerde gebeurt bij langzamer vuren van de receptoren. Daarnaast zullen bij een verlaagd vuren van de baroreceptoren het angiotensine II- en het vasopressine-systeem geactiveerd worden, waardoor de arteriolen vernauwen.

Het uiteindelijke effect van dit alles is dus een veranderde cardiac output en een veranderde totale perifere weerstand, om zo terug te keren naar de set point voor de bloeddruk. De baroreceptor reflex is echter alleen een mechanisme voor korte termijnveranderingen van de bloeddruk. Wanneer de bloeddruk een aantal dagen verhoogd is, zal het setpoint veranderd worden. Daardoor zal de baroreceptor reflex een verlaagde vuurfrequentie hebben bij elke druk vergeleken met het eerdere setpoint. De nier is het orgaan dat de bloeddruk op de lange termijn regelt. Naast de arteriële baroreceptoren zijn er ook baroreceptoren in de grote systemische venen, de pulmonaire bloedvaten en de wanden van het hart. De functie is grotendeels hetzelfde.

Verticale positie

Wanneer iemand ligt, zijn alle bloedvaten op dezelfde hoogte als het hart. Het gewicht van het bloed is verwaarloosbaar klein. Wanneer iemand staat, zal het gewicht van het bloed significant stijgen door de zwaartekracht. Dit zorgt voor een stijging in de druk. Deze drukstijging heeft effecten op het effectief circulerend bloedvolume. Door de hoge druk kan het bloed niet goed in de venen omhoog. Bloed dat in de venen komt, blijft beneden hangen (‘pooling’) en de venen zetten uit. Daarnaast is de druk in de capillairen ook groter, waardoor er meer filtratie van het bloedplasma is, en er zo veel meer vloeistof in de interstitiële ruimte terecht komt. Deze twee effecten tezamen zorgen voor een verlaagd effectief circulerend volume. Dit wordt in eerste instantie tegengegaan door het effect van baroreflexen. Daarnaast kan door minieme contracties van de beenspieren het bloed in de venen omhoog gestuwd worden, zodat het effectief circulerend volume weer stijgt.

Fysiologie van de mens: ademhaling - Chapter 13

De organisatie van het ademhalingsstelsel

Men heeft twee longen,die elk zijn verdeeld in lobben. Deze bestaan uit kleine zakjes die lucht bevatten, de alveoli. In de alveoli vindt de gasuitwisseling met het bloed plaats. De inspiratie is de inademing. De expiratie is de uitademing. De inspiratie en expiratie vormen samen de respiratoire cyclus. Tijdens deze cyclus pompt het hart bloed door de pulmonaire arteriën en arteriolen de capillairen rondom de alveoli in. In rust stroomt er 4 liter lucht per minuut door de longen, en 5 liter bloed. Tijdens heftige inspanning kan de luchtstroom wel 20 keer zo groot worden, de bloedstroom zes keer.

Functies van het ademhalingsstelsel:

• Aanvoer zuurstof

• Afvoer koolstofdioxide

• Reguleren van de pH van het bloed, in samenwerking met de nieren

• Fonatie (stembanden)

• Bescherming tegen microben

• Beïnvloeden van de concentratie van verschillende stoffen in de arteriën

• Oplossen van bloedpropjes die zijn ontstaan in de systemische venen

Tijdens de inspiratie komt lucht via de neus en mond in de farynx, deze splitst zich in de oesofagus (voor voedsel) en larynx (voor lucht). In de larynx bevinden zich de stembanden. De bovenste luchtwegen bestaan uit de neus, mond, farynx en larynx.

Na de larynx wordt de luchtweg verdeeld in:

• De conductiezone; trachea en het begin van de bronchiolen, hier vindt nog geen gasuitwisseling plaats.

• De respiratoire-zone; de alveoli en de delen van de longen waar de gasuitwisseling kan plaats vinden.

In de luchtwegen zitten klieren die mucus secreteren. Dit zorgt ervoor dat de longen schoon blijven en het vormt een beschermlaag tegen microben. Daarnaast produceren cellen in de luchtwegen ook een vloeistof waarop de mucus zich goed kan bewegen. Bij de ziekte cystic fibrosis is deze productie verstoord, door een chloorkanaaldefect en wordt het mucus erg dik en stug. Verder zitten in de longen macrofagen die zorgen voor de afweer van microben en gaan op die manier ontstekingen tegen.

De alveoli zijn kleine zakjes waar de gasuitwisseling met het bloed plaatsvindt. De longen bevatten vele alveoli, die samen een oppervlakte hebben van een tennisveld, waardoor de gasuitwisseling snel kan plaats vinden. De wand van de alveoli is één cellaag dik en bestaat uit type-1 alveolaire cellen. Tussen deze type-1 alveolaire cellen, liggen de type-2 alveolaire cellen. De type-2 cellen zijn dikker en produceren surfactant, dit is een dunne lipidelaag die het inklappen van de alveoli tegen gaat.

De longen bevinden zich in de thorax, het compartiment tussen de hals en het diafragma. Iedere long wordt omgeven door een gesloten vlies, de pleura. Deze pleura bestaat uit twee lagen:

• Viscerale pleura; dit deel bedekt de longen.

• Pariëtale pleura; is verbonden met de binnenkant van de thoraxwand en het diafragma.
  Tussen de beide pleura bevindt zich een dunne laag intrapleuraal vocht waardoor de pleura bladen over elkaar kunnen glijden tijdens de ademhaling. De intrapleurale druk (Pip) is de druk die uitgeoefend wordt op deze laag vocht.

Ventilatie en long mechanismen

Ventilatie is de uitwisseling van lucht tussen de atmosfeer en alveoli. Lucht verplaatst zich van een regio van hoge druk naar een regio met lage druk. Lucht gaat in en uit de longen door verandering van de alveolaire druk (Palv) en de gas druk in de neus en mond, de normale atmosfeer druk (Patm).
Wanneer Palv minder is dan Patm vindt inspiratie plaatst. Deze druk in de alveoli kan worden veranderd door de thoraxwand en longen. Aangezien de longen ‘los’ langen in de thorax bestaat er transpulmonaire druk (Ptp) tussen de binnenkant en buitenkant van de longen.

Inspiratie komt tot stand door de neurologische input die zorgt voor de contractie van het diafragma en de intercostale ademhalingsspieren.
Het diafragma is de belangrijkste ademhalingsspier en wordt aangestuurd door de nervus phrenicus waardoor het diafragma naar beneden beweegt en zo de thoraxholte wordt vergroot. Hierdoor neemt de Palv af.

• Diafragma en inspiratoire intercostaatspieren contraheren

• Thorax zet uit

• Pip wordt meer subatmosferisch

• Transpulmonale druk stijgt

• Long zet uit

• Palv

• Lucht stroomt de alveoli in

Aan het eind van de inspiratie stoppen de nervus phrenicus en de intercostale zenuwen met het afgeven van signalen naar het diafragma en de intercostale spieren waardoor deze ontspannen en expiratie vindt plaats kan vinden. In rust is de expiratie dus passief:

• Diafragma en inspiratoire intercostaalspieren contraheren niet meer

• Thorax gaat naar binnen

• Pip stijgt tot niveau voor inademen

• Transpulmonale druk stijgt tot niveau van inademen

• Long krimpt

• Palv > atmosfeer

• Lucht stroomt uit de long

Aan het einde van de ademhaling is er even rust, op dit punt is er geen luchtstroom in of uit de longen en moet Palv gelijk zijn aan Patm (anders zou er wel een luchtstroom zijn). Omdat de longen altijd lucht bevatten moet de Ptp positief zijn en dus moet Palv – Pip positief zijn.

Aangezien Palv = 0 moet Pip negatief zijn om de longen open te houden. De Pip is dus de essentiële factor om de longen open te houden tussen twee ademhalingen in en te zorgen voor de gedeeltelijke compressie van de borstkaswand.

Als deze negatief druk positief wordt ontstaat er een pneumothorax, een klaplong.

De rekbaarheid, meegaanheid van de longen is de compliantie. Compliantie wordt gedefinieerd als de volumetoename per eenheid van druktoename, en is hiermee het omgekeerde van de stijfheid. Dus: hoe groter de compliantie hoe makelijker de inademing gaat en andersom bij een lage compliantie kan men makkelijker uitademen.

Er zijn twee belangrijke determinanten voor de longcompliantie; rekbaarheid van het longweefsel en de oppervlakte spanning in de alveoli.
Voor de rekbaarheid is de dikte van het longweefsel van belang, hoe dikke het weefsel, hoe minder rekbaar het is en hoe lager de compliantie wordt.
De oppervlaktespanning in de alveoli bestaat uit een dun laagje water die door natuurkundige principes tegen de wand van de alveoli blijft zitten. Deze determinant wordt gedeeltelijk opgevangen door het surfactant dat wordt geproduceerd door type-2 alveolaire cellen.

Weerstand in de luchtewegen

De weerstad in de luchtwegen wordt bepaald door de diameter van de luchtwegen en bepaalt in welke mate lucht in en uit de longen stroomt bij bepaalde drukverschillen tussen de atmosfeer en de alveoli. Normaal gesproken is deze weerstand zo laag dat bij het minste drukverschil lucht de longen in stroomt. Bij bepaalde aandoeningen zoals astma en COPD is de weerstand verhoogd waardoor het ademen meer moeite kost.

Long volumes en capaciteiten

Alveolaire ventilatie

Ve = ventilatie per minuut = de hoeveelheid lucht die per minuut ingeademd wordt = Vt x f = terugvolume x aantal ademhalingen per minuut (ademfrequentie)

Niet alle lucht is beschikbaar voor uitwisseling met het bloed. Tijdens inademing van het teugvolume wordt er ongeveer 500 ml ‘nieuwe’ lucht geïnhaleerd. Van deze 500 ml lucht bereikt er 350 de alveoli voor uitwisseling met het bloed en blijft 150 ml achter in de luchtwegen. De ruimte waarin de 150 ml lucht blijft steken wordt de (anatomische) dode ruimte.
De hoeveelheid ‘verse’ lucht die de alveoli bereikt tijdens inademing is gelijk aan het Vt min de hoeveelheid lucht in de dode ruimte.
De hoeveelheid ‘verse’ lucht die per minuut de alveoli bereikt wordt de alveolaire ventilatie genoemd (Va):

Va = (Vt- Vd) x f

Wanneer gekeken wordt naar de effectiviteit van de ademhaling moet gekeken worden naar de alveolaire ventilatie en niet naar ventilatie per minuut.
De grootste alveolaire ventilatie wordt bereikt bij een langzame en diepe ademhaling. Bij het vergroten van de alveolaire ventilatie is met name de diepte van de ademhaling van belang en in veel mindere mate de snelheid.

Naast de anatomische dode ruimte is er ook nog de alveolaire dode ruimte. Dit houdt in dat de alveoli wel verse lucht krijgen maar er geen uitwisseling plaatsvindt omdat er langs die plek op alveoli geen bloedtoevoer is. De som van de anatomische dode ruimte en de alveolaire dode ruimte wordt de fysiologische dode ruimte genoemd.

Gasuitwisseling tussen bloed en alveoli

Het bloed dat de pulmonaire capillairen in gaat heeft een relatief hoge Pco₂ en een lage Po₂, 46 mmHg en 40 mmHg.
Het spanningsverschil tussen de twee zijden van de alveoliwand zorgt voor de diffusie. De diffusie is zo snel, dat er een evenwicht bereikt wordt voordat het bloed het einde van de capillair bereikt heeft. Bij extreme inspanning kan het echter voorkomen dat het bloed te snel stroomt voor een goede gasuitwisseling.

De hoeveelheid O₂ die cellen verbruiken en de hoeveelheid CO₂ dat geproduceerd wordt hoeft niet aan elkaar gelijk te zijn. De respiratoir quotient (RQ) is een ratio voor geproduceerd CO₂ per geconsumeerd O₂. In cellen met alleen suikerdissimilatie is dit 1, in cellen met vetdissimilatie 0.7 en bij eiwitdissimilatie 0.8. Bij een gemixt dieet is de RQ meestal 0.8.

Wanneer een vloeistof wordt blootgesteld aan lucht, zal het gas de vloeistof in gaan en oplossen. Niet al het gas zal kunnen oplossen, dit vindt plaats afhankelijk van de partiële druk van het gas in de vloeistof.

Alveolaire gasdruk normaalwaarden:

O₂ = 105 mmHg

CO₂ = 40 mmHg

Buitenlucht normaalwaarden:

O₂ = 160 mmHg

CO₂ = 0.30 mmHg

Deze waarden zijn afhankelijk van de atmosferische gasdruk, alveolaire ventilatie en zuurstof gebruik door het lichaam.
Wij kunnen twee termen definiëren die de geschiktheid van ventilatie, d.w.z., het verband tussen metabolisme en alveolaire ventilatie aanduiden:

• Hypoventilatie; er wordt meer CO₂ geproduceerd dan er in de alveoli weg kan diffunderen, met als gevolg dat de Pco₂ boven de normaalwaarde van 40 mmHg uitkomt.

• Hyperventilatie; er wordt te veel CO2 afgegeven, met als gevolg dat de Pco₂ onder de normaalwaarde van 40 mmHg uitkomt.

Gezien de diffusie van gas tussen de alveoli en het bloed volledig in evenwicht is, zorgt een groter capillairenoppervlak voor een grotere uitwisseling van zuurstof en koolstofdioxide. Door de zwaartekracht worden de onderste delen van de long meer gebruikt dan de hogere delen. In rust zijn de pulmonaire capillairen in de longapex gesloten, deze gaan tijdens inspanning wel open waardoor meer gasuitwisseling kan plaats vinden.

Als er plekken in de long zijn die slecht ventileren treedt daar vasoconstrictie (vaatvernauwing) op, zodat het bloed naar goed geventileerde plekken kan stromen. Meer dan 98% van het zuurstof in bloed wordt vervoerd door hemoglobinemoleculen in de erytrocyten. Hemoglobine bindt reversibel zuurstof aan het ijzeratoom. Ieder hemoglobine molecuul kan 4 moleculen zuurstof vervoeren. Elke erytrocyt bestaat uit 4 hemoglobinemoleculen en kan dus in totaal 16 O₂-moleculen vervoeren. Wanneer er sprake is van anemie heeft de patiënt te weinig hemoglobine en kan deze dus maximaal minder zuurstof opnemen dan normaal.

De saturatie-curve is belangrijk en hieruit valt af te leiden:

• Uit het plateau dat men bij gestoorde longfunctie toch nog vrijwel 100% kan satureren.

• Dat bij een kleine daling in de Po₂ veel O₂ kan wordt afgegeven.

Koolmonoxide heeft een extreme hoge affiniteit met hemoglobine, 210 keer meer dan zuurstof. Bij aanwezigheid van veel koolmonoxide kan er dus minder zuurstof worden gebonden aan het hemoglobine waardoor men kan stikken aan.
Daarnaast zijn andere factoren van belang bij de hemoglobine-saturatie:

• Bloed Pco₂

• H⁺ concentratie

• Temperatuur

• Concentratie van 2,3-difosfoglyceraat (DPG) geproduceerd door erytrocyten

Een toename van deze variabelen kan een verschuiving veroorzaken in de saturatie-curve (zie hiervoor de curves in het boek).

Transport van koolstofdioxide in bloed

In rust wordt ongeveer 200 ml koolstofdioxide per minuut geproduceerd in de weefsels.
10% wordt vervoerd in het plasma, 30% bindt reversibel met hemoglobine en 60% wordt omgezet in bicarbonaat.

CO2 + H20 -> H2CO3 -> HCO3 + H

Doordat een deel van de CO2 met de ademhaling wordt afgegeven aan de buitenlucht en dus uit de bloedbaan gaat, verschuift de bovenstaande vergelijking naar links.

Controle over de ademhaling

Zowel het diafragma als de intercostaalspieren zijn skeletspieren en hebben dus innervatie nodig om te kunnen contraheren. De ademhaling is dus volledig afhankelijk van een intacte zenuwwerking. In de hersenen zit een gebied, de medulla, waarin het centrum van de ademhaling ligt, de medullaire inspiratoire neuronen. Zij zorgen voor het ritme van de ademhaling. Deze neuronen worden onder andere aangestuurd door de pulmonaire stretch receptoren, die in de gladde spierlaag liggen en die worden geactiveerd bij grote longinflatie. Dus feedback van de longen kan het ademhalingscentrum in de hersenen prikkelen. Verder worden deze neuronen ook aangestuurd door de perifeer en centraal gelegen chemoreceptoren.

De perifeer gelegen chemoreceptoren zijn gelegen in de nek bij de bifurcatie van de arteria carotis en zij reageren op:

• Afname van de Po₂ (=hypoxie)

• Toename H⁺ (=metabole acidose)

• Toename Pco₂ (=respiratoire acidose)

De centraal gelegen chemoreceptoren liggen in de medulla en reageren op veranderingen in de extracellulaire vloeistof en worden gestimuleerd bij een toename van Pco₂ via geassocieerde veranderingen in de H⁺-concentratie.

• Respiratoire acidose = pH is verlaagd en pCO₂ is verhoogd.
• Respiratoire alkalose = pH is verhoogd en [HCO₃^-] is verlaagd.
• Metabole acidose = pH is verlaagd en [HCO₃⁼] is verlaagd.
• Metabole alkalose = pH is verhoogd en [HCO₃^-] is verhoogd.

Hypoxie

Hypoxie is het tekort aan zuurstof op weefselniveau. Er zijn vele oorzaken van hypoxie, maar er zijn 4 grote groepen:

• Hypoxische hypoxie (hypoximie); arteriële Po2 is verlaagd

• Anemie of koolmonoxide hypoxie; arterieel Po2 is normaal met het totale zuurstof deel in het bloed is verlaagd door een inadequate hoeveelheid erytrocyten

• Ischemische hypoxie (hypoperfusie hypoxie); de bloedstroom naar de weefsels is de laag

• Histotoxische hypoxie; de hoeveelheid zuurstof dat bij de weefsels komt is normaal, maar de cellen zijn niet in staat de zuurstof goed te gebruiken

Emfyseem is een longaandoening die uiteindelijk zorgt voor hypoxie. Er vindt destructie van alveolaire wanden plaats waardoor er een toename van de compliantie plaats vindt meer daarbij atrofie en ineenvallen van de onderste luchtwegen.Doordat de wand tussen de alveoli stuk gaat, gaat er diffusieoppervlak verloren en kan er minder uitwisseling van gassen plaats vinden. Hierdoor wordt de perfusie in de longen minder en kan hypoxie ontstaan.

Fysiologie van de mens: nieren - Chapter 14

Section A: Functies van de nieren

• De regulatie van water en de anorganische ion balans

• Het elimineren van metabole afvalproducten uit het bloed door excretie van deze producten in de urine. Voorbeelden hiervan zijn ureum (afvalproduct van ureumzuur en van nucleïnezuren), creatinine (afvalproduct van creatinine uit de spieren) en het eindproduct van de hemoglobine afbraak, namelijk bilirubine.

• Het verwijderen van chemicaliën uit het bloed en excretie van deze producten in de urine. Voorbeelden hiervan zijn medicijnen, pesticiden, drugs, voedseladditieven en metabolieten.

• Bij vasten zorgt de nier voor gluconeogenese, waardoor meer glucose ontstaat.

• De productie van hormonen/enzymen, namelijk:

  • Erytropoëtine (stimuleert de erythrocytproductie)

  • Renine: dit is een enzym dat de vorming van angiotensine (en later aldosteron) controleert en zo de bloeddruk reguleert door invloed op de natriumbalans.

  • 1,25-dihydroxyvitamine D: dit beïnvloedt de calciumbalans.

Nieren liggen dorsaal tegen de abdominale wand, maar niet in de abdominale holte. Ze liggen namelijk retroperitoneaal. Urine stroomt van de nieren door de ureters naar de blaas, en wordt uiteindelijk geëlimineerd door de urethra.

Elke nier bevat ongeveer 1 miljoen nefronen. Elk nefron bestaat uit:

• Corpusculum renale, bestaande uit de glomerulus en het kapsel van Bowman: dit is de filtrerende component van de nier. Het corpusculum renale filtreert het bloed en het filtraat is vrij van cellen en eiwitten. Dit filtraat gaat vanaf het corpusculum renale naar de tubulus.

• De tubulus: De tubulus is verbonden met het kapsel van Bowman. Terwijl het filtraat door de tubulus stroomt, worden sommige stoffen via actieve secretie toegevoegd en andere stoffen teruggeresorbeerd. Uiteindelijk wordt het filtraat dat over is aan het eind van elk nefron samengevoegd en verzameld in de verzamelbuizen. Dit verlaat de nieren als urine.

Elk corpusculum renale bestaat uit twee onderdelen. Ieder corpusculum bevat een sterk in elkaar gekruld capillair netwerk, genaamd de glomerulus of de glomerulaire capillairen. Elke glomerulus wordt van bloed voorzien door afferente arteriolen. De glomerulus heeft nauw contact, ondanks enkele barrières, met het kapsel van Bowman. Het kapsel en de glomerulus vormen samen het corpusculum. Als het bloed door de glomerulus stroomt, wordt slechts 20 procent gefiltreerd in het kapsel van Bowman. De rest van het bloed verlaat de glomerulus door efferente arteriolen.

Het kapsel van Bowman is te vergelijken met een ballon waar iemand zijn vuist in duwt. Het deel van het kapsel van Bowman dat in contact staat met de glomerulus wordt naar binnen geduwd, maar maakt geen contact met de tegenovergestelde kant van het kapsel. Deze met vocht gevulde ruimte wordt de ruimte van Bowman genoemd. Eiwit-vrij vocht beweegt zich door filtratie van de glomerulus naar deze ruimte.

Bloed in de glomerulus is gescheiden van de vloeistof in de ruimte van Bowman door een filtratie-barrière die bestaat uit drie lagen:

1. De eencellige laag capillair endotheel

2. De non-cellulaire eiwitlaag van de basale lamina (negatief geladen)

3. De eencellige laag epitheel van het kapsel van Bowman

4. De laatste laag is anders dan de andere lagen. Deze laag bestaat uit podocyten. Dit zijn cellen met een octopusachtige structuur en veel uitstulpingen of voetjes.

Naast endotheelcellen en podocyten is er nog een derde celtype aanwezig, namelijk de mesangiale cellen. Dit zijn gladde spiercellen die de glomerulaire capillairen omgeven, maar die niet deel uitmaken van het filtratieproces. Hun werking wordt later besproken.

De renale tubulus is continu met het kapsel van Bowman. Er worden meerdere functionele segmenten onderscheiden in de tubulus:

1. De proximale tubulus

2. De lus van Henle: dit is een lus die bestaat uit een dalend gedeelte en een stijgend gedeelte.

3. De distale tubulus: vloeistof stroomt van dit deel van de tubulus naar de verzamelbuizen. De verzamelbuizen zijn op te delen in corticale verzamelbuizen en medullaire verzamelbuizen, naargelang de locatie van de verzamelbuizen in de nier.

De verzamelbuizen komen samen in het nierbekken, waar er een overgang plaatsvindt naar één afvoerende ureter. In het nierbekken liggen ook de aanvoerende en afvoerende a. en v. renalis.

De nieren hebben van buiten naar binnen verschillende lagen: cortex, medulla en tot slot het nierbekken. De corposculi renale liggen in de cortex en de lussen van Henle liggen in de renale medulla.

De nieren bestaan uit twee soorten arteriolen, namelijk de afferente arteriool en de efferente arteriool, en twee soorten capillairbedden, namelijk: de peritubulaire capillairen en de glomerulaire capillairen. De twee capillairbedden zijn met elkaar verbonden door de efferente arteriool. De peritubulaire capillairen lopen namelijk rondom de tubulus om afvalstoffen daarin uit te scheiden en andere stoffen op te nemen.

Er zijn twee soorten nefronen:

1. juxtamedullaire nefronen (15%): deze nefronen hebben een lus van Henle die tot diep in de medulla reikt. Ze zijn verantwoordelijk voor de osmotische gradient in de medulla, en daarmee zijn ze voornamelijk verantwoordelijk voor de reabsorptie van water.

2. Corticale nefronen (85%). De nefronen hebben een korte lus van Henle en zijn voornamelijk corticaal gelegen. Ze zijn betrokken bij de reabsorptie en de secretie.
   De overgang van het ascenderende deel van elke lus van Henle naar de distale tubulus loopt zeer nauw langs de afferente en efferente arteriool. De wand van dit deel bevat een bepaald type cellen die de macula densa wordt genoemd. De wand van de afferente arteriole bevat secretoire cellen namelijk juxtaglomerulaire cellen (JG).
   De combinatie van macula densa en juxtaglomerulaire cellen wordt het juxtaglomerulair apparaat (JGA) genoemd. Deze juxtaglomerulaire cellen scheiden renine uit in het bloed.

Het renale proces bestaat uit drie fases:

• Glomerulaire filtratie: filtratie van plasma van de glomerulaire capillairen in de ruimte van Bowman. Het filtraat heet ook wel glomerulair filtraat, of ultrafiltraat.

• Tubulaire reabsorptie: het transport van stoffen in het filtraat in de tubulus naar het bloed in de peritubulaire capillairen.

• Tubulaire secretie: het transport van stoffen in de peritubulaire capillairen naar de tubulus.

Glomerulaire filtratie:

• Dit houdt transport van vloeistof naar de ruimte van Bowman in

• Bevat geen cellen, maar wel plasmasubstanties, behalve proteïnen

• Er zijn een aantal krachten betrokken bij het filtratieproces:

  • Hydrostatische druk langs de capillairwand die de stroom van het bloed naar het kapsel van Bowman bevoordeelt.

  • Proteïneconcentratieverschil (colloïd-osmotische druk) tussen het bloedvat en het kapsel van Bowman, waarbij vocht geneigd is om zich in de richting van het bloed te bewegen.

  • De vloeistofdruk in het kapsel van Bowman, die ook richting het bloed gericht is.

De netto glomerulaire filtratiedruk wordt in formulevorm zo uitgedrukt: netto glomerulaire filtratiedruk = glomerulaire capillaire bloeddruk – vloeistofdruk in het kapsel van Bowman – colloïd-osmotische druk.

De glomerulaire filtratiesnelheid

De glomerulaire filtratiesnelheid is het gefiltreerde vloeistofvolume vanuit de glomeruli in de ruimte van Bowman per tijdseenheid.

Deze glomerulaire filtratiesnelheid is afhankelijk van:

• Filtratiedruk

• Permeabiliteit van de membranae corpusculae

• Oppervlakte beschikbaar voor filtratie

Deze factoren die invloed hebben op de glomerulaire filtratiesnelheid staan onder invloed van hormonen en neuronen. Ongeveer 180 liter vocht per dag wordt oorspronkelijk gefiltreerd in de ruimte van Bowman.

Constrictie van de afferente arteriolen verlaagt de hydrostatische druk in de glomerulaire capillairen. Constrictie van de efferente arteriolen verhoogt de glomerulaire capillaire druk.

Dilatatie van de afferente arteriolen verlaagt de glomerulaire capillaire druk. Dilatatie van de efferente arteriolen verhoogt de glomerulaire capillaire druk.

Met de gefiltreerde hoeveelheid wordt de hoeveelheid van een substantie bedoeld die van renale glomerulaire capillairen naar het kapsel van Bowman beweegt.

Tubulaire reabsorptie

• Reabsorptie van water en ionen gebeurt door fysiologische controle

• De reabsorptie van sommige substanties vanuit het tubulaire lumen gebeurt door diffusie, vaak door tight junctions die de tubulaire epitheelcellen verbinden.

• De reabsorptie van alle andere substanties is betrokken bij gemedieerd transport, die deelname van transport proteïnen en de plasmamembranen van tubulaire cellen nodig heeft.

• Verwijdering van de substanties van de interstitiële vloeistof in peritubulaire capillairen die plaatsvinden door een combinatie van diffusie en ‘bulk flow’ (onder invloed van hydrostatische druk).

Reabsorptie door diffusie

Ureum wordt passief geresorbeerd. De ureum concentratie in de tubulus en capillairen is gelijk, en ureum kan passief door de membranen heen. Omdat water wordt geresorbeerd wordt ureum passief ‘meegenomen’.

Reabsorptie door gemedieerd transport

1. Aan de luminale zijde (de zijde van de tubulus) zit een membraan die gepasseerd moet worden. Hierachter liggen de epitheelcellen.

2. Vervolgens diffunderen substanties door het cytosol van de cel

3. Tot slot gaan substanties door de basolateraalmembraan heen

Dit type transport wordt ‘transcellulair epitheliaal transport’ genoemd.

Veel reabsorptie is gekoppeld met natrium, waarbij er dus sprake is van ‘cotransport’.

Reabsorptie heeft vaak een limiet aan materiaal dat het per tijdseenheid kan opnemen. Deze limiet wordt het transport maximum genoemd. Dit transport maximum wordt verkregen doordat de receptoren op de membranen op een gegeven moment verzadigd zijn.

Tubulaire secretie

Hierbij worden substanties van peritubulaire capillairen naar het tubulaire lumen gebracht. Vooral waterstofionen en kaliumionen worden uitgescheiden. Daarnaast wordt ook creatinine, organische anionen en vele voor het lichaam onbekende stoffen (o.a. geneesmiddelen) in het tubulaire lumen uitgescheiden. Tijdens vasten vormen de cellen van de renale tubulus glucose en geven ze dit af aan het bloed. Ze kataboliseren organische substanties als peptiden.

De reabsorptie/secretie wordt verzorgd door membraankanalen en transporteiwitten die onder invloed staan van hormonen.

Familiare renale glucosurie ontstaat bijvoorbeeld door een genetische mutatie die leidt tot een abnormaliteit in de Na+/glucose cotransporter. Hierbij kan glucose niet voldoende worden teruggeresorbeerd, waarna er glucose in de urine kan worden gevonden. Bij diabetes mellitus is de mogelijkheid om glucose te reabsorberen normaal, maar de filtered load van glucose veel te hoog zodat het de drempelwaarde bereikt, waarna het wordt uitgescheiden in de urine.

Om afval producten uit te scheiden moet de GRF (glomerular filtration rate) zeer hoog zijn. De GFR is de Engelse vertaling van de glomerulaire filtratiesnelheid.

Renal Clearance (= renale klaring) is een goede manier om het plasmavolume dat door de nieren is ‘geschoond’ van een bepaalde substantie per tijdseenheid te weergeven.

Clearance of S = mass of S excreted per unit time

Plasma concentration of S

S = substantie

De massa van S is gelijk aan de urineconcentratie van S maal het urinevolume van S. Hieruit wordt de volgende formule verkregen:

Cs = UsV

Ps

Cs = clearance of S

Us = urine concentration of S

V = urine volume per unit time

Ps = plasma concentration of S

De klaring van inuline is gelijk aan de glomerulaire filtratiesnelheid. Dit komt omdat er nauwelijks inuline wordt teruggeresorbeerd of uitgescheiden, maar de klaring volledig komt door het filtratieproces. Het wordt niet in het lichaam gevonden, maar ingespoten en gebruikt om de filtratiesnelheid te achterhalen.

In het lichaam is er bijna geen stof aanwezig die alleen uitgescheiden wordt via het filtratieproces. Bij elke stof wordt er namelijk wel een klein deel gemetaboliseerd of gereabsorbeerd, waardoor een vergelijking met de GFR niet betrouwbaar is. In het lichaam is er wel een stof die bij benadering gebruikt kan worden om de GFR te bepalen, en dit is creatinine. De klaring van creatinine wordt ook wel de creatinine clearance genoemd (Ccr).

Het creatinine dat door de spieren wordt gevormd, wordt niet geresorbeerd door de nieren.

Als de klaring van een bepaalde substantie groter is dan de GFR, kan het niet anders dan dat deze substantie tubulaire secretie heeft ondergaan. Als de klaring van een filtreerbare substantie kleiner is dan de GFR, dan heeft die substantie netto-reabsorptie ondergaan.

Mictie (urinelozing)

Urine dat door de ureters naar de baas gaat, wordt voortgestuwd door contracties van glad spierweefsel in de ureterwand. De urine wordt in de blaas opgeslagen totdat er mictie plaatsvindt.

De blaas is een ballonachtige kamer met wanden van glad spierweefsel, die ook wel de m. detrusor vesicae wordt genoemd. Als deze spieren samentrekken, contraheert de blaas en vindt er mictie plaats.

Op de plek waar de blaas over gaat in uretra (urinebuis) bevinden zich de internal urethral sfincter en net daaronder een ring van skeletspierweefsel, de external utethral sfincter. De interne sfincter ontspant reflexmatig bij vulling van de blaas boven een bepaalde hoeveelheid, terwijl de externe sfincter is opgebouwd van dwarsgestreept spierweefsel en dus onder controle van de (bewuste) wil staat. Hieronder staan enkele feiten:

• De m. detrusor vesicae wordt parasympathisch geïnnerveerd. Als de detrusorspier gerelaxeerd is, is de sfincter gesloten. Als de spier contraheert, verandert het in vorm en duwt het de interne urethral sfincter open.

• De interne sfincter ontvangt sympathische innervatie, die bij stimulatie contractie van de sfincter veroorzaakt.

• De externe urethrale sfincter wordt geïnnerveerd door somatische motorneuronen.

Als de blaas zich met urine vult, neemt de druk toe waardoor de rek-receptoren gestimuleerd worden. Afferente vezels van deze receptoren stimuleren parasympatische neuronen die ervoor zorgen dat de m. detrusor vesicae contraheert. Hierdoor wordt ook de interne urethrale sfincter geopend. Daarnaast zorgen de rekreceptoren door afferente vezels dat de sympathische neuronen geremd worden, waardoor de interne sfincter ontspant.

Incontinentie is de onvrijwillige vrijlating van urine. De meest voorkomende soorten zijn:

• Stress incontinentie (tijdens niezen, hoesten of beweging)

• Drang incontinentie (‘urge incontinence’) (met grote aandrang om te urineren)

Incontinentie komt bij vrouwen vaker voor dan bij mannen, en komt 1 tot 2 keer per week voor bij 25% van de vrouwen ouder dan 60 jaar.

Stressincontinentie bij vrouwen ontstaat door verlies van urethrale ondersteuning door de anteriore vagina. Er worden dan oestrogenen toegediend.

‘Urge incontinentie’ kan veroorzaakt worden door een irritatie van de blaas of urethra en behandeld worden met medicijnen als tolterodine of oxybutine die de effecten van parasympatische zenuwen op de detrusor spieren antagoneren. Zo wordt er een verminderde mictiedrang bewerkstelligd.

Section B: Waterhuishouden

‘Insensible water loss’: waterverlies door de huid en respiratoir epitheel waar de persoon niets van merkt.

Natrium en water resorptie gebeurt vooral in de proximale tubulus maar de hormonale regeling van water gebeurt in de distale tubuli en verzamelbuizen.

Er zijn twee mechanismen achter de natrium en water reabsorptie

1. Natrium reabsorptie is een actief proces dat plaatsvindt in alle tubulaire segmenten behalve de descenderende poot van de lus van Henle.

2. Water reabsorptie vindt door osmose plaats en is dus afhankelijk van natriumreabsorptie.

Primaire actieve natriumreabsorptie in de proximale tubulus:

• Natrium gaat door middel van countertransport van hydroxide-ionen van het tubulaire lumen naar de proximale tubulus cellen. Van daar gaan ze door middel van actief transport en countertransport van kalium en natrium naar het interstitium.

Primaire actieve natriumreabsorptie in de corticale verzamelbuizen:

• Natrium diffundeert van het tubulaire lumen naar de corticale verzamelbuis cellen. Daar gaat het door middel van actief countertransport met natrium en kalium naar de interstitiële vloeistof.

Als natrium en chloride zijn gereabsorbeerd, volgt water passief door osmose

1. Natrium wordt getransporteerd van het tubulair lumen in de interstitiële vloeistof langs de epitheelcellen

2. Het weghalen van opgeloste stoffen van het tubulaire lumen verlaagt de lokale osmolariteit van de tubulaire vloeistof. Deze opgeloste stoffen verhogen de osmolariteit buiten de cel.

3. Het verschil van waterconcentratie tussen lumen en interstitiële vloeistof veroorzaakt een netto diffusie langs de plasmamembraan van de tubulaire cellen en/of tight junctions naar de interstitiële vloeistof.

4. Water, natrium en alle andere opgeloste stoffen in de interstitiële vloeistof bewegen zich samen door ‘bulk flow’ voort naar de peritubulaire capillairen als laatste stap van de reabsorptie.

Waterpermeabiliteit in de verzamelbuizen hangt vooral af van aquaporines (= waterkanalen in plasmamembranen). Waterpermeabiliteit van de corticale en medullaire buizen varieert als gevolg van fysiologische controle:

Vasopressine oftewel antidiuretisch hormoon (ADH) stimuleert de insertie naar het luminale membraan van een groep aquaporines in de verzamelbuizen. Zonder vasopressine is de permeabiliteit van de verzamelbuizen voor water namelijk extreem laag. Zonder vasopressine wordt er dus extreem weinig water geresorbeerd, en blijft er veel water achter in de urine.

Waterdiurese = verhoogde watersecretie door een tekort aan vasopressine.

Diabetes insipidus =

• Veroorzaakt door het falen van de posterieure hypofyse waardoor vasopressine te weinig gemaakt wordt (centrale diabetes insipidus)

• De nieren hebben de mogelijkheid niet om te reageren op vasopressine (nefrogene diabetes insipidus)

Osmotische diurese: verhoogde urine productie als resultaat van primaire verhoging van de excretie van oplosbare producten.

Diabetes mellitus: hierbij is de urine excretie ongecontroleerd doordat de glucose waarde in het filtraat zo hoog is geworden dat het niet allemaal meer geresorbeerd kan worden. Hierdoor wordt het uitgescheiden en door osmotische waarden wordt hierbij ook veel water mee uitgescheiden.

Hypo-osmotisch: totale concentratie van een substantie in een bepaalde vloeistof is kleiner dan in de normale extracellulaire vloeistof.

Iso-osmotisch: totale concentratie van een substantie in een bepaalde vloeistof is gelijk aan de normale extracellulaire vloeistof.

Hyper-osmotisch: totale concentratie van een substantie in een bepaalde vloeistof is groter dan in de normale extracellulaire vloeistof.

De nieren kunnen urine produceren met een concentratie van 1400 mOsmol/L: dit is ongeveer 5 keer zo veel als de osmolariteit van plasma. Excretie van ureum, sulfaat, fosfaat en andere afvalproducten bevatten ongeveer 600 mOsmol. Samengevoegd laat dit zien dat het minimale volume van urine 0.444 L/dag is.

600 mOsmol/dag = 0.444 L/dag

1400 mOsmol/L

Dit wordt ook wel het verplichte waterverlies genoemd.

Concentratie van urine vindt plaats als de urine door medullaire verzamelbuizen stroomt.

De interstitiële vloeistof om deze verzamelbuizen is erg hyperosmotisch. Het feit dat dit hyperosmotisch is, ontstaat door het volgende:

• De anatomie van de juxtamedullaire nefronen in de lus van Henle.

• Reabsorptie van NaCl in de naar boven gaande arm van de lus van Henle.

• Impermeabiliteit voor water van de naar boven gaande lis van Henle.

• ‘Trapping ‘van ureum in de medulla.

• Haarspeldachtige lussen van de vasa recta om de ‘wash-out’ van de hyperosmotische medulla te minimaliseren.

De lus van Henle functioneert als een ‘countercurrent multiplier systeem’.

In de ascenderende poot van de lus wordt natrium en chloride door actief transport naar de interstitiële vloeistof gebracht. Omdat de lus daar impermeabel is voor water, wordt de interstitiële ruimte hyperosmotisch.

Het dalende gedeelte van de lus van Henle reabsorbeert geen natrium en chloride, maar is heel permeabel voor water. Hierdoor gaat het water in het dalende gedeelte uit de lus van Henle.

Vanaf het moment dat de vloeistof in de verzamelbuizen (‘collecting ducts’) komt, is vasopressine cruciaal. Waterreabsorptie gebeurt dan door diffusie van de hypo-osmotische vloeistof in de verzamelbuizen totdat de vloeistof iso-osmotisch wordt in vergelijking met de interstitiele vloeistof in het peritubulaire plasma. (dit is dan 300mOsmol)

Als de vloeistof door de medullaire verzamelbuizen gaat, wordt er met behulp van vasopressine nog veel water teruggeresorbeerd zodat de vloeistof weer geconcentreerder wordt. Het water wordt dan opgenomen door de capillairen zodat de interstitiële vloeistof dezelfde waarde heeft als de vloeistof in de lus van Henle. De urine wordt dan hyperosmotisch.

Het bloed heeft aan het begin een osmolariteit van 300 mOsm/L.

Als het bloed daalt in de lus van Henle diffunderen natrium en chloride in het bloedvat, en diffundeert water eruit. Als de vloeistof stijgt in de lus, is het proces bijna compleet omgekeerd.

Op hetzelfde tijdstip worden zout en water gereabsorbeerd vanuit de lus van Henle en worden deze weggevoerd door ‘bulk flow’.

Als ureum door het nefron gaat, wordt het gereabsorbeerd, uitgescheiden in de tubulus en vervolgens weer gereabsorbeerd. Met de hoeveelheid die wordt gefiltreerd (100%), gebeurt het volgende stapsgewijs:

50% wordt gereabsorbeerd in de proximale tubulus.

50% komt weer terug in de distale tubulus (daar is nu 100% aanwezig).

30% wordt weer gereabsorbeerd in de cortex.

55% van de resterende 70% wordt vanuit de verzamelbuizen teruggeresorbeerd.

Hierdoor blijft er dus 15% ureum over voor de urine.

Renale natrium regulatie

Uitgescheiden natrium = gefiltreerde natrium – gereabsorbeerde natrium

Regulatie van cardiovasculaire druk door baroreceptoren zorgen ook voor regulatie van ‘total-body’ natrium. Veranderingen in ‘total-body’ natrium resulteren in veranderingen in de grootte van het extracellulaire volume.

Een verhoging van natrium in het lichaam zorgt voor een daling van de glomerulaire filtratiesnelheid. Hierdoor wordt er minder natrium en water uitgescheiden.

De bijnierschors (zona glomerulosa) produceert het hormoon aldosteron. Dit stimuleert natrium reabsorptie door de distale tubuli en de corticale verzamelbuizen.

Als aldosteron afwezig is, wordt ongeveer 2 procent extra natriumchloride uitgescheiden. Als aldosteron in overvloed aanwezig is, wordt al het natriumchloride gereabsorbeerd. Normaliter ligt de aldosteronconcentratie ergens hiertussen.

Aldosteron zet de vorming van kanalen en pompen in de corticale verzamelbuizen aan.

Aldosteron zorgt ook voor natriumabsorptie in de lumens van zowel de darmen als de klierbuizen die de vloeistofsamenstelling van zweetklieren bepalen.

Als een persoon veel natrium heeft gegeten, is de aldosteronsecretie laag.

Als een persoon weinig natrium heeft gegeten, wordt aldosteron gereguleerd door het hormoon angiotensine II dat direct op de bijnierschors werkt om aldosteron uit te scheiden.

Angiontensine is deel van het renine-angiotensine-aldosteron systeem (RAAS-systeem).

Renine is een enzym dat uit gescheiden wordt door de juxtaglomerulaire cellen van het juxtaglomerair apparaat in de nieren. Dit gebeurt op het moment dat er een lage bloeddruk heerst in de nieren, waardoor het filtrerende vermogen van de nieren in gevaar komt. Als renine in de circulatie terecht komt, ‘knipt’ het angiotensine I van een groot plasma proteïne, angiotensinogeen, dat is geproduceerd in de lever. Angiotensine I ondergaat verdere veranderingen en wordt uiteindelijk angiotensine II. De omzetting van angiotensine I naar angiotensine II wordt gedaan door het enzym angiotensine-converting enzyme (ACE) dat in hoge concentraties wordt gevonden in het luminale oppervlak van capillaire endotheelcellen.

De belangrijkste functies van angiotensine II is secretie van aldosteron en constrictie van de arteriolen. Angiotensine II is hoog tijdens zout (tekort):

Dit is nogmaals stapsgewijs de reactie die ontstaat bij lage zoutconcentraties, en een daaruit voortvloeiende lage bloeddruk:

• Verhoogde renine secretie

• Verhoogde plasma renine concentratie

• Verhoogde plasma angiotensine I concentratie

• Verhoogde plasma angiotensine II concentratie

• Verhoogde aldosteron ‘release’

• Verhoogde plasma aldosteron concentratie

Maar wat zorgt nu voor die verhoogde reninesecretie door stimulatie juxtaglomerulaire cellen?

• Renale sympatische zenuwen.

• Intrarenale baroreceptoren (in de wand van juxtaglomerulaire cellen) worden actief als de bloeddruk in de nieren is verlaagd (wanneer het plasmavolume is verlaagd). Door een verminderde bloeddruk worden deze cellen namelijk minder gerekt en scheiden daardoor meer renine uit.

• Macula densa. Deze is gelegen bij de einden van stijgende gedeelte van de lus van Henle. De macula densa neemt de natriumconcentratie waar in de tubulaire vloeistof. Een verlaagde zoutconcentratie veroorzaakt een verhoogde renine secretie. De GFR is dus verlaagd, waardoor de flow naar de macula densa ook is verlaagd en de NaCl-aanbod aan de macula densa ook wordt verlaagd.

ACE-remmers als lisinopril (veel ACE-remmers eindigen in de naamgeving op –pril) verlagen angiotensine II productie vanuit angiotensine I door het ‘angiotensine-converting enzyme’ (ACE) te remmen.

Stoffen die binden aan de receptoren voor angiotensine II (angiotensine II-antagonisten), zoals losartan, voorkomen dat angiotensine II bindt aan de receptor op het doelweefsel.

Medicijnen als eplerenon blokkeren de binding van aldosteron aan de receptor in de nier.

Atrial natriuretic peptide (ANP) is ook wel bekend als atrial natriuretic factor (ANF) of -hormoon (ANH) en deze stof wordt uitgescheiden door de cardiale atria bij een verhoogde druk in de cardiale atria. Atrial natriuretic factor remt natriumreabsorptie en het kan zorgen dat de renale bloedvaten een hogere GFR krijgen wat leidt tot hogere natriumsecretie en dus hogere natriumexcretie.

De stimulus van een verhoogde afgifte van ANP is een verhoogde atriale uitzetting door bijvoorbeeld een (te) hoge bloeddruk.

De arteriële druk heeft ook invloed op de tubuli:

1. Een verhoging in arteriële druk remt de natrium reabsorptie en verhoogt daardoor de natrium excretie. Dit wordt ook wel druknatriurese genoemd.

Dit komt omdat de activiteit van het renine-angiotensine-aldosteron-systeem wordt verlaagd bij een hogere arteriële bloeddruk.

2. Een verlaagde bloeddruk vermindert de natriumexcretie door het renine-angiotensine-aldosteron-systeem te stimuleren. Dit verhoogt de natrium reabsorptie.

Mensen met hypertensie kunnen dit ontwikkelen omdat hun nieren niet genoeg natrium uitscheiden in respons op een normale arteriële druk.

Baroreceptorcontrole van vasopressine secretie

Als er een te laag plasmavolume is, wordt de afgifte van aldosteron gestimuleerd en wordt vasopressine uitgescheiden zodat de permeabiliteit voor water in de verzamelbuizen verhoogd wordt. Hierdoor wordt de reabsorptie van water verhoogd. Deze reflex wordt veroorzaakt door verschillende baroreceptoren in het cardiovasculair systeem.

Water verlies/winst heeft maar weinig invloed op de baroreceptoren, want het zijn de osmoreceptoren die de osmolariteit meten en niet de hoeveelheid water.

Zweet is hypo-osmotisch in vergelijking met het lichaamsvocht.

Dorst wordt veroorzaakt door een verhoogde plasmaosmolariteit en een verlaagd extracellulair vloeistofvolume. De locaties in de hersenen die dorstgevoel stimuleren liggen dicht bij de centra waar vasopressine wordt gesynthetiseerd. Ook de productie van angiotensine II stimuleert dorst. Een droge mond en keel stimuleren ook dorstgevoel.

‘Salt appetite’ is een belangrijk deel van de natrium homeostase.

Hyperkaliëmie of hypokaliëmie (te veel of te weinig kalium) kan leiden tot abnormale hartritme- en abnormale skeletspiercontracties.

Het volgende stappenplan vindt plaats als er sprake is van een hyperkaliëmie:

1. Plasmakalium stijgt.

2. Aldosteron secretie stijgt.

3. Plasma aldosteron stijgt.

4. Kaliumsecretie in de corticale verzamelbuizen stijgt, terwijl natrium juist wordt gereabsorbeerd.

5. Kalium excretie stijgt.

Natrium en kalium hebben beide effect op de aldosteronafgifte. Dit kan nog wel voor problemen zorgen als er deficiëntie van één van de twee ontstaat.

De calcium- en fosfaatbalans wordt gereguleerd door parathyreoidhormoon (PTH) en

1,25-(OH)₂-vitamine D. In de proximale tubulus wordt 60 procent van calcium zonder hormonale invloed gereabsorbeerd. Het resterende gedeelte wordt door middel van parahyreoidhormoon opgenomen in de distale tubulus.

Als de calciumconcentratie in het bloed te laag is:

• Verhoging van secretie PTH.

• PTH stimuleert opening van calciumkanalen in de distale tubulus.

• Calcium reabsorptie stijgt.

Een ander mechanisme:

• Activiteit van het enzym 1-hydroxylase wordt vergroot, zodat 25(OH)-D wordt omgezet tot 1,25-(OH)₂-vitamine D. Dit zorgt ervoor dat er meer calcium en fosfaat wordt geabsorbeerd in de darmen.

Hyperaldosteronisme: een verscheidenheid van chronische ziektes die betrokken zijn bij een verhoogde afgifte van het hormoon aldosteron.

Primair aldosteronisme is als gevolg van een niet carcinome groei (adenoom) van de zona glomerulosa van de bijnierschors. Deze tumor zorgt voor hoge aldosteronproductie en de afwezigheid van stimulatie door angiotensine II. Dit werd vroeger ‘Conn’s syndroom’ genoemd.

Het gevolg is dat het plasma-aldosteron heel hoog wordt en dat dit de natriumreabsorptie en kaliumexcretie bevordert in de distale gebieden van het nefron. De patiënt krijgt hierdoor hypertensie.

Als gevolg van de hoge bloeddruk en natrium-aanbod aan de macula densa als gevolg van vergrote gefiltreerde natriumhoeveelheid wordt de renineafgifte geremd.

De behandeling van deze ziekte geschiedt door een verwijdering van de bijnier. Aangezien een mens twee bijnieren heeft (één op elke nier) kan een mens één bijnier missen.

Section C: Waterstofconcentratie

De waterstofconcentratie in het plasma is zeer belangrijk, want het bepaalt namelijk de pH.

Een pH van 7.4 is normaal in het lichaam

Een pH hoger dan 7.4 wordt alkalose genoemd. Er zijn dan minder H⁺-ionen aanwezig.

Een pH hoger dan 7.4 wordt acidose genoemd. Er zijn dan meer H⁺-ionen aanwezig.

H⁺-ionen worden als volgt gevormd:

CO₂ + H₂O --> H₂CO₃ --> HCO₃^- + H⁺

Het lichaam produceert ook organische en anorganische zuren van andere bronnen dan CO2. Deze bronnen worden ‘nonvolatile acids’ genoemd. Bedenk dat de hierboven beschreven reactie een evenwichtsreactie is. Het is dus mogelijk door het ‘verlies’ van CO₂ (bijvoorbeeld door hyperventilatie) om de pH van het lichaam te verhogen.

Winst/verlies van zuren ontstaan ook door overgeven (verlies) of diaree (winst). Als een bicarbonaat-ion (HCO₃^-) weg is uit het lichaam, is het net alsof het lichaam een H⁺-ion heeft ‘gewonnen’.

Ook de nieren kunnen zorgen voor waterstof-ionwinst of -verlies. Ze verwijderen H⁺ vanuit het plasma of niet.

Een buffer is een substantie dat waterstofionen reversibel kan binden. Zonder buffers zou de pH in het bloed enorm veranderen.

Buffer + H⁺ = HBuffer

Ook hyper- en hypo-ventilatie kan zorgen voor een H⁺-disbalans. Bij hypoventilatie stijgt de arteriële pCO₂, waardoor (zie de reactie bovenaan) er meer H⁺-ionen worden gevormd. Dit leidt tot een ‘verzuring’ van het lichaamsmilieu.

Een verlaagde waterstof-ionconcentratie in het bloed remt ventilatie, waardoor de arteriële pCO₂ wordt verhoogd. Dit leidt tot een herstel van de waterstof-ionconcentratie in het bloed.

Slecht werkende nieren kunnen het bloed zuur/basisch maken. Dit wordt opgevangen door het respiratoire systeem. Omgekeerd wordt een slechte ventilatie opgevangen door de werking van de nieren. De nieren elimineren H⁺-ionen van het lichaam door de plasma bicarbonaat concentratie te veranderen.

Als bicarbonaat aan de urine wordt afgegeven, wordt de plasma concentratie van H⁺ verhoogd.

Toevoeging van bicarbonaat daarentegen verlaagt de plasmaconcentratie van H⁺.

HCO₃^--excretie = HCO₃^- gefiltreerd + HCO₃^- uitgescheiden - HCO₃^- gereabsorbeerd.

(Zie afbeelding 14-31, bladzijde 519 voor de vorming van bicarbonaat in de tubulaire epitheelcelen)

Als alle bicarbonaat ionen als buffer bezet zijn met H⁺, dan wordt H⁺ opgevangen door een andere buffer, namelijk HPO₄^2-. Als een H⁺-ion combineert met een buffer, anders dan bicarbonaat, is hef effect een toegevoegde buffer aan het plasma.

Er is nog een tweede mechanisme waarbij de tubuli een nieuw bicarbonaat-ion aan het plasma toevoegen, maar daarbij geen waterstofion bij uitscheiden, namelijk via het ion ammonium, NH₄⁺. Glutamine wordt omgezet in NH₄⁺ en HCO₃^-.

NH₄⁺ wordt actief uitgescheiden door middel van Na⁺ tegenover NH₄⁺ (er is dus sprake van countertransport). Vervolgens kan de HCO₃^- diffunderen naar het bloed, waardoor er één bicarbonaat-ion is ‘gewonnen’.

Acidose en alkalose worden verdeeld in verschillende categorieën

1. Respiratoire acidose of alkalose

2. Metabole acidose of alkalose

(zie tabel 14-8 op bladzijde 521 voor een schematische weergave)

Respiratoire acidose ontstaat als het lichaam te weinig CO₂ ventileert ten opzichte van de productie.

Respiratoire alkalose ontstaat als het lichaam te veel CO₂ ventileert ten opzichte van de productie.

Bij metabole acidose of alkalose gaat het om alle andere acidoses of alkaloses dan respiratoire acidose en alkalose. Het gaat hierbij dan bijvoorbeeld om diarree of overgeven.

Section D: Diuretica

Diuretica zijn medicijnen om het volume van de geproduceerde urine te vergroten.

Diuretica remmen de reabsorptie van natrium, chloride en/of bicarbonaat.

Er zijn ontzettend veel verschillende diuretica. Lisdiuretica hebben invloed op de stijgende deel van de lus van Henle om transporteiwitten te remmen die de eerste stap in de natriumreabsorptie mediëren. Alle diuretica, behalve de kaliumsparende diuretica, zorgen niet alleen voor een verhoogde secretie van natrium, maar ook van kalium.

Kaliumsparende diuretica zorgen ervoor dat niet ook kalium wordt uitgescheiden: ze remmen natriumreabsorptie in de corticale verzamelbuizen en remmen de secretie van kalium op deze plek.

Diuretica worden ook wel gebruikt tegen oedeemvorming. Het meest bekende fenomeen is ‘congestive heart failure’ (decompensatio cordis). Een persoon met hartfalen krijgt een verlaagde GFR en een verhoogde aldosteron secretie. Deze twee leiden samen tot een virtuele afwezigheid van natrium in de urine. Hierdoor wordt er extra water vastgehouden dat kan leiden tot het ontstaan van oedeem.

Diuretica worden ook gebruikt als medicijn bij de behandeling van hypertensie.

Een teken van nierfalen is het hebben van proteïnen in de urine. Dit komt omdat de filtratiebarrière veel meer permeabel wordt voor proteïnen en de proximale tubuli verliezen hun mogelijkheid om gefiltreerde proteïnen uit het tubulaire lumen te verwijderen.

Uremie: urine in het bloed

Nieren kunnen nog goed functioneren als ze nog voor 10 procent werken.

Hemodialyse is een kunstmatig proces om afvalproducten uit het bloed te verwijderen. Tijdens hemodialyse wordt bloed uit een van de arteriën door een buis geleid dat door een speciale dialysevloeistof gaat.

Peritoneaal dialyse wordt gebruikt om substanties te verwijderen. Het gebruikt het peritoneum als een dialysemembraan. Vloeistof wordt in de buik geïnjecteerd en blijft daar een aantal uur. Gedurende deze periode kunnen afvalstoffen diffunderen naar de peritoneale vloeistof. Daarna wordt deze vloeistof weer verwijderd.

Fysiologie van de mens: spijsvertering en absorptie van voedsel - Chapter 15

De tractus digestivus bestaat uit: de farynx, oesofagus, maag, duodenum, jejunum, ileum, cecum, colon ascendens, colon transversum, colon descendens, colon sigmoidum, rectum en aanhangende organen zoals de speekselklieren, lever, pancreas en galblaas. Het lumen is continu met de buitenwereld en daarom wordt het spijsverteringskanaal tot het externe milieu gerekend. De dikke darm bevat veel bacteriën, die zijn onschadelijk op het epitheel van de darm zelf maar wanneer ze het darmepitheel passeren worden ze wel schadelijk. Digestie is het verkleinen van het ingenomen voedsel, het vermengen met de digestiesecreten en semi-vloeibaar maken van voedsel tot chyme. Er wordt gedigesteerd door motiliteit en door enzymen die vanuit de aanhangende organen in het lumen worden gebracht.

Functies van de organen betrokken bij de spijsvertering

De tractus digestivus begint met de mond waar het speeksel wordt geproduceerd. Speeksel bevat mucus, wat zorgt voor het makkelijker doorslikken van voedsel, en het enzym amylase, wat zorgt voor vertering van polysacchariden tot monosacchariden. Vervolgens gaat het voedsel via de farynx en oesofagus naar de maag waar het voedsel wordt opgeslagen, opgelost en gedeeltelijk wordt verteerd tot marcomoleculen.

De klieren in de maagwand produceren:

1. Zoutzuur; activeert pepsine, denatureert eiwitten en doodt bacteriën

2. Pepsine; een enzym dat eiwit afbreekt tot aminozuren

3. Intrinsic factor; eiwit dat in het ileum vitamine B12 laat absorberen

Het chyme komt nu in de dunne darm terecht, waar het grootste deel van de voedingsstoffen wordt geabsorbeerd. De dunne darm is verdeeld in 3 delen; het duodenum, het jejunum en het ileum. Het grootste deel van het chyme wordt in het duodenum en het jejunum geabsorbeerd. De pancreas scheidt verteringsenzymen uit en bicarbonaten, wat de zure pH van de maag neutraliseert. De lever scheidt gal uit, dit werkt ook neutraliserend en werkt tevens als emulgator voor vet. De motiliteit van de maag en darmen brengen de chyme in contact met het epitheel en verplaatsen het langzaam richting het rectum. In de dikke darm wordt het onverteerbaar materiaal tijdelijk opgeslagen en worden water en zouten geresorbeerd. Uiteindelijk komt de feces naar buiten, de defecatie. Feces bestaat uit bacteriën en onverteerd materiaal, hetgeen wat dus niet geabsorbeerd wordt in de interne omgeving. Het lichaam brengt zo’n 8 liter vocht in het lumen, waarvan slecht 100 ml achterblijft in de feces. De functies van het spijsverteringssysteem zijn: secretie, digestie, eliminatie, absorptie en motiliteit.

Structuur van de wand van de tractus digestivus

Vanaf het midden van de oesofagus tot aan de anus, ziet de wand van de tractus digestivus er in grote lijnen hetzelfde uit.

De mucosa bestaat uit:

• Epitheellaag

• Lamina propria

• Muscularis mucosa

Onder de mucosa ligt de submucosa bestaande uit:

• Grote bloed- en lymfevaten

• Submucosale zenuwplexus

Onder de submucosa ligt de muscularis externa, bestaande uit:

• Circulaire spieren

• Myenterische zenuwplexus

• Longitudinale spieren

De laatste laag wordt de serosa genoemd, dit is de omgevende buitenlaag van het darmstelsel. Het epitheel in de darm is sterk geplooid, bestaande uit plicae, met daarbij vingervormige uitsteeksels de villi. Op de villi staan microvilli. Door deze verschillende plooien en villi wordt het darm oppervlak enorm vergroot. In de darmen vindt veel vernieuwing van het epitheel plaats, het hele epitheel wordt in 5 dagen vervangen.

Vertering en absorptie

Koolhydraten

Gemiddeld neemt een Amerikaan 250-300 gram koolhydraten in met het voedsel, 2/3 hiervan is in de vorm van polysaccharides (zetmeel), de overige 1/3 is in de vorm van disaccharide (suiker) en lactose (melksuiker). Zetmeel wordt door middel van het pancreasenzym amylase afgebroken in de monosaccharides glucose galactose en fructos6 Regulation of Organic Metabolism and Energy Balancee. Fructose wordt door diffusie opgenomen, glucose en galactose worden met actief transport opgenomen en door gekoppeld transport met natriumionen. Deze opname vindt in de eerste 20% van de dunne darm plaats.

Eiwitten

Een gemiddelde volwassene heeft 40-50 gram eiwit nodig per dag, het gemiddelde Amerikaans dieet bevat 70-90 gram eiwitten. Eiwitten wordt in de maag door pepsine en in de dunne darm door trypsine en chymotrypsine (beide pancreasenzymen) afgebroken tot peptiden. De peptiden worden afgebroken tot aminozuren door het enzym carboxypeptidase van de pancreas en door aminopeptidase uit de dunne darm. Vertering en absorptie van eiwitten vindt in het eerste deel van de dunne darm plaats. Een kleine hoeveelheid eiwitten kunnen door het epitheel naar het interstitium, door middel van endocytose en exocytose. De absorptiecapaciteit voor intacte eiwitten is bij kinderen groter dan bij volwassenen, zo kunnen antilichamen(bestaande uit eiwitten) gemakkelijk geabsorbeerd worden.

Vet

De gemiddelde vet intake is 70-100 gram per dag volgens het Amerikaanse dieet. Dit is ongeveer 1/3 van de totale hoeveelheid aan kcal. Vet wordt voornamelijk als triglyceriden opgenomen in de dunne darm. Zeer belangrijk daarbij is het enzym lipase uit de pancreas dat de triglyceriden splitst in een monoglyceride en 2 vrije vetzuren.

Triglyceride → monoglyceride + 2 vrije vetzuren

Het vet komt in druppels en moet geëmulgeerd worden wat gebeurd door galzouten. Er ontstaan kleinere fragmenten, de micellen. De micellen worden bedekt met galzouten, om plaats te maken voor het lipase wordt ook co-lipase uitgescheiden door de pancreas. Dit co-lipase bindt aan lipase zodat dit beter zijn werk kan doen. In de micel ontstaan nu de monoglyceriden en vrije vetzuren. Deze gaan samen met de micel het lumen van de darm in en door naar de epitheelcellen. Na opname van de vrije vetzuren en monoglyceriden in de epitheelcel gaan ze zich hergroeperen tot triglyceriden wat een betere diffusiecapaciteit heeft. Zodra de druppels vanuit de epitheelcellen worden uitgescheiden in het interstitium worden ze chylomicronen genoemd.

Vitaminen

De vet oplosbare vitaminen A, D, E en K worden opgenomen in de micellen en komen op die manier terecht in het lichaam. Een verstoorde vetopname kan dus ook zorgen voor een verstoorde opname van de vet oplosbare vitaminen. De intrinsieke factor is belangrijk bij de opname van vitamine B12. Met behulp van de intrinsic factor wordt vitamine B12 kleiner gemaakt, aangezien het vitamine te groot is voor directe opname. Het missen van de intrinsieke factor leidt tot vitamine B12 deficiëntie, wat kan worden opgelost door vitamine B12 te injecteren in de bloedbaan.

Water en mineralen

Water is het belangrijkste component van het chyme, er wordt zo’n 8000 ml vocht in het chyme gebracht, waarvan 1500 ml de dikke darm bereikt en in totaal wordt er ongeveer 80% geresorbeerd. Het epitheel in de dunne darm is erg permeabel, daarom gaat er een relatief kleine verhouding aan water verder naar de dikke darm, de rest wordt geabsorbeerd door de dunne darm. IJzer is nodig voor en gezond bestaan aangezien het een zuurstofbindend element van hemoglobine is en daarnaast is het een belangrijke stof voor verschillende enzymen. Het wordt door middel van actief transport geabsorbeerd. Als ijzer het bloed in gaat voor transport bindt het aan transferritine. Hematohromatose vindt plaats wanneer er een overschot aan ijzer in het lichaam is. Wanneer er veel ijzer opgeslagen is, is er weinig ijzer in het bloed, aangezien de transcriptie van ferritine dan veel plaatsvindt(deze zet het vrije ijzer nog meer om in opgeslagen ijzer). Wanneer er te weinig ijzer opgeslagen is, vermindert de productie van ferritine waardoor er minder ijzer hieraan gebonden is en er zich veel ongebonden ijzer in het bloed bevindt.

Hoe wordt het verteringsproces gereguleerd?

Het verteringsproces wordt gereguleerd door het volume en de samenstelling van het lumen.

Basisprincipes

De reflexen worden geïnitieerd door verschillende luminale stimuli:

• Zwelling van de wand door het luminaal volume

• Osmolariteit

• Zuurgraad

• Concentratie van specifieke spijsverteringsproducten

Deze stimuli hechten aan receptoren aan de want waardoor secreten worden geproduceerd.

Het maagdarmstelsel heeft een “eigen” zenuwstelsel; het enterische zenuwstelsel bestaande uit:

• Myenterische plexus; stimuleert vooral de gladde spiercellen

• Submucosale plexus; stimuleert vooral de secretoire activiteit

Deze plexussen beïnvloeden elkaar door synapsen af te geven aan elkaar; stimuli in het proximale deel van de dunne darm veroorzaakt ook stimuli in de maag en het distale deel van de darm. Zowel de sympathicus als de parasympathicus hebben synapsen in het enterische zenuwstelsel. De hormonen komen vooral uit de endocriene cellen van de maag en de dunne darm, die uitmonden in het lumen van het maagdarmstelsel. De inhoud van de darm stimuleert de klieren om hormonen af te geven aan het bloed.

De 4 belangrijkste hormonen:

1. Secretie

2. Cholecystokine (CCK)

3. Gastrine

4. Glucoseafhankelijke insulinetropische peptide (GIP)

De hormonen zijn ook aanwezig in het CZS en maagdarmstelsel-plexus waar ze werken als neurotransmitter. Bij de hormonen treedt een rustgevend effect op. Secretine en CCK stimuleren beide de pancreas productie van bicarbonaat. Wanneer het beide dezelfde tijd plaats vindt, is het effect 1+1 > 2, dit noemt men het potentiate effect, waarbij secretine en CCK elkaar dus “extra” stimuleren.

Overige hormonen die ook invloed hebben:

• Leptine; release vanuit vetzuren en heeft invloed op het metabolisme

• Ghreline; geproduceerd door de maag tijdens vasten

Hormonen kunnen ook zorgen voor trofische effecten van weefsel. De maagdarmcontrole bestaat uit drie fasen. De eerste fase is de “hoofd”-fase waar receptoren in het hoofd worden gestimuleerd door licht, geur, smaak en het kauwen van voedsel. De effector-weg verloopt via de parasympathicus en dan vooral de nervus vagus, welke zorgen voor secretie en contractie.

Tijdens de “maag”-fase zorgen 4 stimuli voor aanzetten van vertering:

• Zwelling

• Zuurgraad

• Aminozuren

• Peptiden

De respons bestaat uit release van gastrine.

De uiteindelijke “intestinale”-fase wordt gestimuleerd door:

• Zwelling lumen intestinale kanaal

• Zuurgraad

• Osmolariteit

• Verschillende verteringsproducten

Dit wordt gemedieerd door secretine, CCK en GIP, die worden gemaakt in de endocriene cellen van de dunne darm. De fasen worden genoemd naar de plaats waar de stimuli ontstaat.

Mond, farynx en oesofagus

Kauwen wordt gereguleerd door somatische zenuwen van de skeletspieren. Daarnaast spelen mechanische stimuli van het eten (tegen tong, hard gehemelte) ook een rol voor de kauwreflex. Het speeksel wordt gesecreteerd door zowel de sympathicus als de parasympathicus. De parasympathicus heeft de overhand en zorgt voor stimulatie, de sympathische zorgt voor onderdrukking. Speeksel wordt niet hormonaal gereguleerd, want ook zonder eten bevat de mens speeksel in de mond. Grote toename van speeksel wordt veroorzaakt door toegenomen doorbloeding van de speekselklier door parasympathische activiteit.

Het slikken wordt gestimuleerd door voedsel en drank in de mond en op de tong waar vanuit impulsen gaan naar het slikcentrum in de hersenstam. Dit stuurt efferente signalen naar de spieren in de farynx en oesofagus en respiratoire spieren met als gevolg:

• Palatum molle sluit het septum nasale af

• Afname respiratie

• Larynx komt omhoog

• Glottis sluit

• Epiglottis sluit de glottis af

Daarna komt voedsel in de slokdarm waarvan 1/3 proximaal uit skeletspieren bestaat en het distale 2/3 deel uit glad spierweefsel. De 2 sfincters van de oesofagus zijn eigenlijk altijd gesloten. Door de slikbeweging ontspant de bovenste sfincter. Na het passeren sluit de sfincter, de glottis gaat open en er wordt weer adem gehaald. In de oesofagus wordt het eten voortgestuwd door de peristaltiek. Afferente vezels vanuit de oesofagus kunnen het slikcentrum extra stimuleren. Het onderste deel van de oesofagus ligt in de buikholte, dit wordt tijdens de zwangerschap terug geschoven in de borstholte, waardoor meer regurgitatie kan ontstaan. Regurgitatie kan ook normaal voorkomen en ulceratie, obstructie en perforatie van de distale oesofagus veroorzaken. Soms ontspant de onderste sfincter en komt zuur in de oesofagus. Dit geeft weer stimuli aan het slikcentrum waardoor speeksel wordt geproduceerd en het zuur wordt geneutraliseerd in de oesofagus.

Maag

In de maag bevinden zich vele klieren:

• Het corpus, het middelste deel van de maag, secreteert mucus, hydrochloorzuur en pepsinogeen

• Het fundus is bovenste deel van de maag

• Het antrum is het onderste deel van de maag en secreteert mucus, pepsinogeen en gastrine

• De pyloris is het laatste deel van de maag

Pariëtale cellen secreteren zuur en instrinsic factor.

Chief cellen secreteren pepsinogeen.

ECC-cellen produceren histamine.

Tubulase klieren produceren somatostatine.

De maag produceert ongeveer 2 liter HCl (uit de pariëtale cellen). Dit wordt gereguleerd door de primaire H/K-ATPase in het luminaal membraan van de pariëtale cellen.

4 chemische stoffen reguleren de insertie van H/K-ATPase:

1. Gastrine; stimuleert

2. Acetylcholine; stimuleert

3. Histamine; stimuleert

4. Somatostatine; inhibeert

De concentratie van het zuur in de maag stimuleert de release van somatostatine vanuit de endocriene cellen in de wand. Dit werkt in de pariëtale cellen en zorgt voor afname van de zuur secretie, en daarnaast ook voor afname van gastrine en histamine. Door eten neemt de hoeveelheid peptiden in het lumen van de maag toe en deze stimuleren de zout secretie. Eerst wordt H+ aan de peptide gebonden waardoor de maaginhoud minder zuur wordt waardoor de hoeveelheid somatostatine afneemt de acetylcholine toeneemt, waardoor de zuurproductie ook toeneemt. Wanneer de zure inhoud van de maag in het duodenum komt, wordt de zuurproductie geïnhibeerd in de maag. In het duodenum wordt het zuur geneutraliseerd door galzout met bicarbonaat erin. Dit staat onder directe stimulatie van gastrine, acetylcholine, histamine en somatostatine. De enterogatronen zorgen reflexmatig voor afname HCl in de maag.

Pepsinogeen wordt geproduceerd door de chief-cellen in de maag. Bij blootstelling wordt het omgezet naar pepsine. Hoe lager de pH, hoe sneller pepsinogeen wordt omgezet. Pepsine kan meer pepsinogeen omzetteen tot pepsine wat zorgt voor een positieve feedback. Pepsine is alleen actief in een zure omgeving. Het is irreversibel geïnactiveerd waneer het de dunne darm in komt, door bicarbonaat. Pepsinogen wordt tegelijk met het HCl geproduceerd door dezelfde hormonen en stoffen. Pepsine is niet essentieel voor de eiwitverwerking, namelijk maar voor 20%. Nuchter bevat de maag ongeveer 50 ml, vol kan het wel 1,5 liter bevatten. Voordat eten in de maag komt relaxeert deze zich door de parasympathische stimulatie door de enterische zenuw plexus die ook het slikken coördineert. Nitraatoxide en serotonine vanuit de enterische plexus geven relaxatie. De maag heeft ook peristaltiek. Het begint in het corpus richting antrum, deze contractie is zwak en kan versterkt worden door contractie van de pylorissfincter waardoor de massa terug naar het antrum wordt geduwd. Het contractieritme (3/min) wordt gegeneraliseerd door de pacemakercel in het longitudinale gladspierweefsel die spontaan depolariseert. De sterkte van de contractie wordt bepaald door neurale en hormonale input van de antrale gladde spiercel. Hypertone samenstelling van de massa in het duodenum zorgt voor afname van de relaxatie van de pylorissfinctier. Dit kan namelijk voor een te grote aantrekking van water zorgen en dat kan weer circulatieproblemen geven (=dumping syndroom).

Pancreas

De exocriene pancreas secreteert bicarbonaat en andere spijsverteringsenzymen. Deze komen samen met gal in het duodenum via de papil van Vater. De exocriene cellen van de pancreas liggen aan het einde van de ductus. De secretie verloopt analoog aan die van HCl in de maag, alleen verloopt het net andersom. Deze enzymen digesteren vet, polysachariden, proteïnen en vrije vetzuren. De secretie neemt toe tijdens maaltijden, als gevolg van stimulatie door de hormonen secretine en CCK.

Galsecretie en leverfuncties

Gal wordt gesecreteerd door de levercellen. Gal bevat:

• Galzouten

• Lecithine

• Bicarbonaat ionen en andere zouten

• Cholesterol

• Gal pigment en andere kleine hoeveelheden metabolische eindproducten.

Galzouten en lecithine zorgen voor het oplossen van vet in de dunne darm. Bicarbonaat neutraliseert het zuur in het duodenum. Galzouten zijn verre weg het belangrijkste component van gal. Galzouten kunnen worden ‘hergebruikt’ dit vindt plaats via de enterohepatische circulatie (lever, dunne darm, vena portae, lever).

De componenten van gal worden gesecreteerd door 2 cellen:

• Hepatocyten; galzouten, cholesterol, lecithine en gal pigmenten

• Epitheliale cellen in de galbuis; bicarbonaat en zouten

Dunne darm

Ongeveer 1500 ml vocht wordt gesecreteerd door de wand van de dunnen darm vanuit het bloed in het lumen per dag. Dit vocht wordt vervolgens ook weer terug geabsorbeerd in het bloed, dit is eigenlijk nog een grotere hoeveelheid door alle verteringsenzymen en –sappen die tijdens de vertering erbij gekomen zijn. Dit vindt vooral plaats door osmose. De dunne darm kent naast de normale motiliteit, zoals in de maag, ook een stationaire motiliteit.

De darm is opgedeeld in verschillende contractiegebieden, van een paar centimeters lang. Ieder segment contraheert enkele seconden waardoor het chyme zowel omhoog als omlaag wordt geduwd in de darm. Vervolgens contraheren andere segmenten weer enkele seconden waardoor het chyme opnieuw naar beide kanten wordt geduwd. Hierdoor wordt het chyme goed gekneed en gemengd met de verteringsenzymen en komt het in contact met de wand waar de vele villi zich bevinden voor de opname.

Deze gesegmenteerde motiliteit wordt geïnitieerd door elektrische activiteit gegenereerd door de pacemakercellen. De intensiteit wordt beïnvloed door hormonen, het entrishe zenuwstelsel en autonomische zenuwen zoals de parasympathicus (stimulatie) en sympathicus (inhibitie). Nadat het chyme is verteerd, wordt de gesegmenteerde motiliteit vervangen door de migratie myoelectrische complex (MMC). Deze contractie begint aan het einde van de maag en verloopt over de gehele dunne darm. Nadat de eerste MMC het einde van de dunne darm heeft bereikt, begint een nieuwe MMC-golf bij de maag. Het doel van de MMC is om de onverteerde massa die nog in de maag en darm zit, naar de dikke darm te brengen en daarnaast werkt het preventies tegen bacteriële overgroei in de darm.

Dikke darm

De dikke darm bestaat uit de volgende onderdelen:

• Cecum, met appendix

• Colon ascendens

• Colon transversum

• Colon descendes

• Colon sigmoideum

• Rectum

De hoofdfunctie van de dikke darm is het opslaan van de feces voor de defecatie. Ongeveer 1500 ml chyme komt iedere dag de dikke darm binnen. Hier vindt nog actief transport van natrium absorptie plaatst waardoor ook absorptie van water plaats vindt. Contractie van circulaire gladde spieren zorgen voor segmentele verplaatsing van de feces, dit gaat erg langzaam. 3-4x per dag vindt een massa verplaatsing plaats in de dikke darm, via het transversale segment waardoor de feces richting het rectum wordt gestuwd.

Fysiologie van de mens: regulatie van metabolisme en energiebalans - Chapter 16

Section A: Metabolisme

Absorptive state: het moment dat voedingsstoffen het bloed in gaan vanuit het maag-darmkanaal.

Post-absorptive state: als het maag-darmkanaal geen voedingsstoffen in zich heeft en dat het lichaam van eigen energie voorziet door de voorraad te raadplegen.

Absorptive state

Carbohydraten en aminozuren worden door het bloed vervoerd. Vet wordt geabsorbeerd door delymfe als triglyceriden in chylomicronen. Vervolgens brengt de lymfe het naar het veneuze systeem.

Geabsorbeerde carbohydraten (koolhydraten)

Carbohydraten zijn bijvoorbeeld galactose en fructose maar vooral glucose. Meeste glucose wordt omgezet in CO2, water en ATP vorming door skeletspieren. Skeletspieren kunnen glucose ook omzetten naar glycogeen om het op te slaan en vervolgens te gebruiken. In vetweefsel wordt glucose vooral opgeslagen. Glucose is de precursor van alfa-glycerol fosfaat en vetzuren. Deze twee worden gelinkt door triglyceriden. Het vet dat gevormd wordt van glucose in de lever wordt verpakt in lipoproteinen. Ze worden verpakt door de lever en Very Low Density Lipoproteins (VLDL) genoemd. Omdat ze veel meer vet dan proteïnen bevatten. Omdat VLDL te groot is om door de capillairwanden te kunnen, worden ze gehydroliseerd tot monoglyceriden (glycerol gelinkt aan een vetzuurketen) en vetzuur door het enzym lipoproteine lipase. In adipocyten gaan de vetzuren weer samen met alfa-glycerol fosfaat om weer triglyceriden te vormen.

Absorbed triglycerides

De absorptie van vrije vetzuren in chylomicronen door de darmwand gaat ongeveer hetzelfde als de absorptie van vrije vetzuren door de lever. Adipocyten hebben geen enzym dat nodig is voor de vorming van glycerol, alfa-glycerol kan dus in deze cellen alleen gevormd worden van glucosemetabolieten. In tegenstelling totalfa-glycerol fosfaat zijn er drie bronnen van vetzuren in het adipocytweefsel:

1. glucose dat is omgezet naar vetzuren

2. glucose dat in de lever is omgezet naar VLDL triglyceriden die via het bloed zijn getransporteerd naar het vetweefsel

3. triglyceriden uit het voedsel

Nummer 2 en 3 hebben lipoproteine nodig voor hun actie.

Geabsorbeerde aminozuren

Aminozuren worden gebruikt om verschilllende proteïnen te vormen of ze worden gebruikt als koolhydraatachtige stoffen. Deze worden ook wel alfa- ketozuren genoemd. Dit proces wordt deaminatie genoemd. Aminozuren kunnen ook ureum of vetzuren worden.

Postabsorptive state

Het op pijl houden van glucose waarden in het bloed op het moment dat er geen glucose wordt opgenomen vanuit het voedsel. Hierbij wordt gebruik gemaakt van twee bronnen, namelijk bloedglucose en vetverbruik.

Bloedglucose

1. Glycogenolyse. Hierbij wordt glycogeen gehydrolyseerd naar glucose-6-fosfaat in de lever en in de spieren. Dit wordt in de lever verder omgezet naar glucose.

Het glycogeen in de spieren ondergaat glycolyse (omdat het het enzym mist om glucose-6-fosfaat om te zetten) en wordt ATP, pyruvaat en lactaat. Lactaat wordt wel weer in de lever omgezet naar glucose

2. Katabolisme van triglyceriden in vetweefsel zorgt voor glycerol en vetzuren. Dit proces wordt lypolyse genoemd.
   Glycerol wordt in de lever omgezet naar glycose

3. Proteïnen worden ook een bron van bloedglucose.

Proces 1 en 3 worden gluconeogenese genoemd omdat ze opnieuw glucose vormen uit pyruvaat, lactaat, glycerol en aminuzoren.

Vetverbruik

Dit wordt gedaan om glucose te sparen. Er wordt gebruik gemaakt van lipolyse. In vetverbruik wordt nu de nadruk meer gelegd op de vrije vetzuren. Ze zorgen voor energie op twee manieren:

1. ze ondergaan beta oxidatie om H+atomen te vormen en acetyl CoA

2. acetyl coA gaat naar de citroenzuurcyclus en wordt omgezet in CO2 en water.

Ook veel acetyl CoA wordt omgezet in ketonen of ketonlichamen. Deze manier van energie wordt ook gebruikt door het zenuwstelsel.

• Endocriene en neurale controle over de absorptive en post-absorptive state

• Absorptive en postabsorptive state wordt geregeld door insuline en glucagon uit de eilandjes van Langerhans in de pancreas.

• Betacellen in de eilandjes van langerhans zijn de bron voor insuline.

• Alphacellen zijn bron voor glucagon.

Somatostatine wordt gesecreerd in deltacellen. Somatostatine controleert groeihormoon secretie. Verder kan het de secretie van insuline en glucagon remmen.

Insuline

Insuline wordt gesecreerd tijdens de absorptive state om glucose op te slaan. De effecten van een hoge insuline concentratie op weefsels zijn hetzelfde als de effecten van absorptive state. Een lage insuline heeft hetzelfde effect als de post-absorptive state. Als insuline bindt aan een target cel, wordt het glucose transport naar binnen de cel vergemakkelijkt door Glucosetransporter GLUT-4 dat gemakkelijk blaasjes van het membraan maakt die glucose bevatten. Overal in het lichaam wordt GLUT gevonden. In de hersenen echter wordt een ander type GLUT gevonden dat niet afhankelijk is van insuline.

Insuline stimuleert glucageenvorming en opslag door:

• het verhogen van glucosetransport in de cel

• het enzym glucogeensynthase te stimuleren dat de rate-limiting step stimuleert in de glycogeensynthese

• het enzym glycogeen phosphorylase te remmen dat het glycogeen catabolisme remt.

Insuline heeft ook effecten op proteinsynthese, namelijk:

• het verhoogt het aantal actieve plasmamembraan transporters voor aminozuren, waardoor het aminozzurtransport in de cel wordt verhoogd.

• het stimuleert ribosomale enzymen die de vorming van proteïnen van deze aminozuren bemiddelen.

• remt het enzym dat het proteinkatabolisme bemiddelt.

Controle van insuline secretie

Een verhoogde plasmaglucose concentratie, een verhoogde plasma aminozuren, parasympatische activiteit en glucose independent peptide (GIP) stimuleren insuline secretie. Sympatische activiteit (plasma adrenaline) remt de insuline secretie. Insuline tegenwerkende controles (glucose – couterregulatory controls) zijn glucagon, adrenaline, sympatische zenuwen, cortisol en groeihormoon.

Glucagon

De belangrijkste effecten van glucagon zijn:

• het verhogen van de glycogeenafbraak

• het verhogen van gluconeogenese

• het verhogen van de vorming van ketonen

Deze effecten worden gedaan om plasmaconcentratie van glucose te verhogen. Stimulus voor glucagonsecretie is hypoglycemie. Glucagon zorgt er dan voor dat de glucoseconcentratie in het bloed weer naar de normaalwaarde gaat en dat er ketonen zijn voor de hersenen. Adrenaline en sympatische zenuwen naar de lever en vetweefsel

Effecten sympatische activiteit en adrenaline:

• glycogenolyse in lever en skeletspiercellen

• gluconeogenese in de lever

• lipolysis in adipocyten

Adrenaline stimuleert in adypocyten het enzym hormone-sensitive lipase (HSL). HSL zorgt voor de afbraak van triglyceriden van vrije vetzuren en glycerol. Deze worden afgegeven aan het bloed. Daar dienen ze als brandstof of als precursor (glycerol). Insuline remt de activiteit van HSL tijdens absorptive state. Bij hypoglycemie wordt het sympatische zenuwstelsel geactiveerd. Cortisol wordt geproduceerd door de bijnierschors. De aanwezigheid van cortisol in bloedplasma zorgt ervoor dat de concentraties voor lever- en vetweefsel enzymen aanwezig zijn die nodig zijn voor gluconeogenese en lipolyse. Als cortisol in hoge concentraties in het bloed is, ontlokt het de reacties tijdens het vasten. Cortisol verlaagt de gevoeligheid voor spier en vetcellen voor insuline, waardoor plasmaglucose levels tijdens het vasten hoog blijven en de hersenen genoeg glucose krijgen.

Groeihormoon:

• Primair om botvorming en eiwitsynthese te stimuleren

• Maakt vetweefsel meer responsief voor lipolytische stimuli

• Verhoogt glyconeogenese door de lever

• Verlaagt de mogelijkhied van insuline om glucose op te nemen door spieren en vetweefsel

Exercise – induced amenorrhea (missen van regelmatige menstruatie) ontstaat als er chronisch (te) intensief wordt gesport, waardoor het lichaam prioriteiten stelt voor de spieren in plaats van ontwikkeling van de mens en vruchtbaarheid.

Type 1 diabetes mellitus (T1DM) = insuline afhankelijke diabetes mellitus waarbij insuline compleet afwezig is van de eilandjes van langerhands. Insuline therapie is essentieel

Type 2 diabetes mellites (T2DM) = non-insulin-dependent diabetes mellitus, insuline is aanwezig in het plasma op normale/boven normale hoeveelheden, maar cellulaire gevoeligheid voor insuline is lager dan normaal. Er is dus sprake van resistentie. Er worden dus medicijnen gegeven die de gevoeligheid voor insuline verhogen.

Normaal wordt lypolise en ketonvorming onderdrukt door insuline, maar bij type 1 diabetes gebeurt dit niet. Plasma glycerol en vetzuren stijgen dus in concentratie. Diabetische ketoacidose is extreem als deze metabole omstandigheden zich ophopen. Ketoacidose kan zorgen voor verlaagde bloeddruk, doordat er glucose mee wordt uitgescheiden en er ook te veel vocht wordt uitgescheiden. Sulfonylureas is een medicijn dat gegeven wordt aan personen met diabetes type 2 om de plasmaglucose-waarde te verlagen.

Mensen met diabetes kunnen verschillende chronische abnormaliteiten ontwikkelen:

• atherosclerose

• hypertensie

• nierfalen

• capilair en zenuw disease

• vatbaarheid voor infecties

• blindheid

Hypoglycemie

Hypoglycemie is een abnormaal glucoseplasma concentratie. Dit kan ontstaan door:

• een glucose producerende tumor of een andere factor die insulineproductie vergroot

• een defect in een of meer glucose – counterregulatoire controles

Symptomen hypoglycemie:

• verhoogde hartslag

• rillingen

• nervositeit

• zweten

• angst

• als gevolg van te weinig glucose naar de hersenen ontstaan ook hoofdpijn, verwarring, duizeligheid, verstoorde spraak en slechte coördinatie

Cholesterol

Cholesterol is een precursor voor plasmamembranen. Hoge plasmacholesterol kan zorgen voor atherosclerose. Dit is de arteriële verdikking die kan lijden tot hartaanvallen, beroertes en andere cardiovasculaire schade. Weefsels nemen cholesterol op uit het bloed.Cholesterol wordt gemaakt door de lever en gastrointestinal tract. Cholesterol wordt in de lever omgezet tot gal of galzouten. De lever bepaalt vooral de plasmacholesterol. Het eten van dierlijk vet (rood vlees, melk) verhoogt cholesterol. Het eten van plantaardig vet ( olijven, noten) verlaagt het cholesterol. Cholesterol circuleert in het plasma door middel van chylomicronen, VLDL (Very Low Density Lipoprotein), Low Density Lipoprotein (LDL) en High Density Lipoprotein (HDL). LDL is de cholesterol leveraar aan de weefsels. HDL verwijdert cholesterol van bloed en weefsel en brengt het naar de lever waar cholesterol wordt omgezet naar gal en galzouten.

Section B: Energiebalans

Energie wordt omgezet in Werk en Hitte

E = H + W

Ongeveer 60 procent wordt omgezet in hitte

Biologisch werk kan onderverdeeld worden in twee categorieën

• extern werk: beweging van objecten door samentrekken van skeletspiercellen

• intern werk: alle andere vormen van ‘werk’. Voorbeelden: groei, samentrekken van hartspieren

Totale energie consumptie = interne geproduceerde hitte + extern werk + intern werk

1 calorie = 4.184 Joule

1 calorie is nodig om 1 gram water 1 graad te verwarmen

In voedsel wordt de energie aangeduid met kcal = kilo calorie

Metabolic rate = totale energieconsumptie per tijdseenheid

Basic metabolic rate (BMR) = persoon in rust met fijne temperatuur, niet gegeten voor 12 uur

Thyroidhormonen (TH)

TH verhoogt zuurstofconsumptie en hitteproductie van weefsel. Dit verhoogt BMR en wordt dus: calorigenic effect genoemd.

Functies van TH:

• nodig voor volgroeiing zenuwstelsel in foetus en kind

• nodig voor groei (ze faciliteren secretie en respons op groeihormoon)

• nodig voor normale allertheid en reflexen

• determinant van productie van hitte

• vergemakkelijkt de activiteit van sympatisch zenuwstelsel

Food- induced thermogenese:

Opgegeten voedsel zorgt voor een 10 – 20 procent hogere metabolic rate.

De hitte ontstaat door de lever om de voedingsstoffen om te zetten.

Opgeslagen energie = energie van ingenomen voedsel – (interne hitte geproduceerd + extern werk)

Controle van voedsel inname

Leptine wordt gevormd door vetweefsels. Hoe meer vet een persoon heeft, hoe meer leptine er wordt uitgescheiden. Leptine werkt op de hypothalamus en verlaagt de voedselinname door neuropeptide te remmen. Dit is een hypothalamische neurotransmitter die eten stimuleert. Leptine stimuleert ook de metabolic rate. Leptine heeft een effect op lange termijn calorie inname en consumptie. Satiet signalen (factoren die honger verminderen) verlangen de periode waarin honger terug komt. Ghreline wordt gevormd in de endocriene cellen van de fundus van de maag.

Functies van ghreline:

• verhogen groeihormoon van de hypofyse

• honger te stimuleren door NPY en andere neuropeptiden te stimyleren in de hypothalamus.

Overgewicht

Status met verhoogde hoeveelheid vet in het lichaam dat resulteert in gezondheidsproblemen als hypertensie, atherosclerose, hartziekten, diabetes en apneu.

Obesitas: extreem overgewicht.

BMI = body mass index = gewicht /(lengte x lengte)

BMI> 25 = overgewicht

BMI> 30 = obesitas

Anorexia nervosa: pathologisch geobsedeerd zijn met gewicht en body image. Voedselinname wordt zo verlaagd dat de patiënt kan sterven van ondervoeding

Symptomen:

• lage bloeddruk

• stoppen van menstruatie

• veranderde secretie van hormonen

• verhoogde ghreline levels

Bolimia nervosa: tijden van enorme hoeveelheden voedselinname gecombineerd met zelf aanzetten tot overgeven, het gebruik van laxerende middelen, diuretica, strikt dieten, vasten en extreem sporten. Dit allen wordt gedaan om gewicht te verliezen of geen gewicht aan te komen.

Homeothermic: zoogdieren en vogels die hun lichaamstemperatuur op peil houden.

• Niet alle delen van het lichaam hebben de zelfde temperatuur (mond 0.5 graad lager dan rectum) Core body temperatuur

• Interne temperatuur varieert verschillende graden in respons op activiteit patronen en veranderingen in externe temperatuur

• Circadiane fluctuaties van 1 graad

• Hogere temperatuur tijdens de tweede helft van menstruatie

Radiatie: proces waarbij oppervlakten van alle objecten constant hitte uitstralen in de vorm van elektromagnetische straling

Conduction (geleiding): verlies of winst van hitte door transformeren van thermische energie tijdens botsen van moleculen

Convection : proces waar hitte verlies/winst wordt geholpen door de beweging van lucht of water naast het lichaam

Evaporation (Verdamping): water van de huid en van respiratoir tract zorgen voor verlies aan lichaamswarmte.

Temperatuur regulerende reflexen

Er zijn twee typen thermoreflexen:

1. Periphere thermoreceptoren, in de huid

2. Centrale thermoreceptoren, diep in het lichaam.

Op koelte kan als volgt gereageerd worden:

• Shivering thermogenese: hierbij wordt door rillingen warmte verkregen

• Non-shivering thermogenese: hierbij wordt door verhoogde adrenaline voor warmte gezorgd. Deze reactie vindt vooral plaats bij kinderen waarbij er nog bruin vetweefsel aanwezig is.

• Insensible water loss: verlies van water door de huid (niet door zweten) en door ademhaling. Dit proces is passief

Zweten is een actief proces van waterverlies.

Thermoneutral zone: hier onder/boven kan de temperatuur van de huid niet meer behouden worden door vasoconstrictie of vasodilatatie.

Koorts: stijging in lichaamstemperatuur als gevolg van een nieuw setpoint in de hypothalamus.

Het resetten van de setpoint kan gedaan worden door chemische messengers, genaamd endogenous pyrogeen (EP). Deze worden afgegeven door macrofagen in de aanwezigheid van infectie of koortsproducerende stimuli. De onmiddellijke oorzaak van resetten is een locale synthese en vrijlating van postaglandines in de hypothalamus. Aspirine verlaagt koorts door prostaglandinesynthese te remmen. Voorbeelden van EP zijn interleukine 1 (IL-1) en interleukine 6.

Endogene cryrogenen: messengers die worden uitgeschieden door weefsels om te voorkomen dat de koorts niet te hoog is. Een voorbeeld hiervan is vasopressine, dat hier als neurotransmitter werkt

Heat exhaystion is een status van collaps als gevolg van hypertensie door

• Tekort aan plasmavolume als gevolg van zweten

• Extreme dilatatie van bloedvaten. Dit zorgt voor verlaagde cardiac output en perifere weerstand

Heat stroke: afbraak in hitte-regulerende systeme, zodat de temperatuur maar stijgt en stijgt. Dit kan lijden tot collaps, bewusteloosheid en waanzin.