9789031373215 - proefhoofdstuk

Cellen en weefsels
1
Binnen de humane biologie worden de volgende twee wetenschappelijke disciplines onderscheiden:
– fysiologie: leer der verrichtingen.
Deze wetenschap bestudeert de verrichtingen van het menselijk
lichaam en de functies van de verschillende onderdelen. Dankzij de
recente ontwikkelingen op het gebied van microbiologie en biochemie ontwikkelt de fysiologie zich snel met als gevolg het ontstaan van steeds weer nieuwe onderzoeks- en behandelingsmethoden.
– anatomie: ontleedkunde.
Deze wetenschap houdt zich bezig met het bestuderen van de bouw
van het menselijk lichaam. Zij beschrijft hoe organen ten opzichte
van elkaar zijn gelegen, hoe de bloedvoorziening van deze organen
verloopt, enzovoort. Veel anatomische kennis is verkregen door het
bestuderen van stoffelijke overschotten. Deze kennis vormt de
basis voor onder andere het lichamelijk onderzoek.
Aangezien functie en bouw van het lichaam nauw met elkaar samenhangen zijn ook de fysiologie en anatomie sterk met elkaar verbonden. Als eerste worden in dit hoofdstuk de kenmerken van het menselijk lichaam als organisme beschreven. Daarbij speelt de homeostase een belangrijke rol. Vervolgens wordt ingegaan op de kleinste
levende eenheden van het menselijk lichaam: de cellen. Cellen met
dezelfde functie vormen weefsels. Ten slotte komt in dit hoofdstuk de
algemene topografie aan bod.
1.1
Kenmerken van het leven
Bij de elementaire functies van de levende organismen, en dus ook
van de mens, worden de volgende kenmerken onderscheiden:
– metabolisme (stofwisseling): dit is het proces waarbij bepaalde stoffen
worden omgezet in andere stoffen met als doel het verrichten van
een of andere vorm van arbeid (fysieke arbeid in spieren, elektrische arbeid in hersenen, chemische arbeid in groei, enzovoort).
Ook de functies van het opnemen van stoffen, zoals voedsel en
zuurstof, en het uitscheiden van afbraakproducten zijn kenmerken
van het leven; ze zijn nodig om de stofwisselingsprocessen in het
lichaam mogelijk te maken.
Het metabolisme bestaat uit twee afzonderlijke deelprocessen: katabolisme en anabolisme. Onder katabolisme wordt verstaan het uit-
BSL - ALG_A4_1KMM - 0000
020
1 Cellen en weefsels
–
–
–
–
–
–
21
eenvallen van grote moleculen in kleinere moleculen. Hiervan is
bijvoorbeeld sprake bij de spijsvertering in het maag-darmkanaal,
maar ook tijdens de verbrandingsprocessen in de cellen. Onder
anabolisme wordt het totaal van alle opbouwreacties verstaan. Als
grondstoffen voor het anabolisme worden tussenproducten van het
katabolisme gebruikt. Zo worden de spiereiwitten bijvoorbeeld
gemaakt uitgaande van aminozuren, die bij de vertering van het
voedsel ontstaan;
groei: hierbij treedt een volumevergroting van het lichaam op
doordat in het lichaam zelf nieuwe bouwstenen worden gevormd.
Groei vindt plaats nadat met behulp van bepaalde stofwisselingsprocessen de hiertoe benodigde stoffen, zoals voedsel en zuurstof,
vanuit de omgeving zijn opgenomen;
voortplanting: hierbij neemt het aantal individuen toe, wat noodzakelijk is voor het voortbestaan van de soort;
adaptatie: dit is het vermogen om zich aan te passen aan veranderde
levensomstandigheden, bijvoorbeeld de toename van het aantal
erytrocyten (rode bloedcellen) bij een verblijf in een omgeving met
een relatief lage zuurstofspanning (hooggebergte);
prikkelbaarheid: dit is het vermogen om te reageren op prikkels
vanuit de buitenwereld of vanuit het menselijk lichaam zelf;
prikkelverwerking: de inwendige reacties blijven vaak niet beperkt tot
een bepaalde plaats, maar kunnen door het gehele lichaam worden
doorgegeven en verwerkt;
beweging; het lichaam en de lichaamsonderdelen veranderen van
vorm en plaats.
Bij al deze functies is er ook nog een onderscheid in animale en
vegetatieve functies. Animale functies zijn functies die het lichaam in
staat stellen te reageren op plotselinge veranderingen van de omgeving, zoals prikkelbaarheid, prikkelverwerking en beweging. Vegetatieve functies zijn functies die de groei, de ontwikkeling en het voortbestaan van het individu en de soort mogelijk maken. Hiertoe behoren: opname van voedsel en zuurstof, celstofwisseling, uitscheiding,
groei en voortplanting.
1.2
Hiërarchische opbouw
De cel is de kleinste levende zelfstandige eenheid waaruit het organisme is opgebouwd. Het is de fundamentele bouwsteen van het
menselijk lichaam.
Bij meercellige organismen, zoals de mens, is er sprake van een
sterke specialisatie van de cellen, dat wil zeggen dat de aanvankelijk
uniforme cellen zich geleidelijk op verschillende wijzen hebben ontwikkeld met het oog op een bepaalde functie, waartoe ze tevens een
bepaalde vorm hebben gekregen.
Een groep cellen met dezelfde vorm en functie heet een weefsel, bijvoorbeeld spierweefsel en zenuwweefsel. Meestal bevat een weefsel
een karakteristieke tussencelstof.
Een orgaan is opgebouwd uit verschillende, samenwerkende weefsels,
BSL - ALG_A4_1KMM - 0000
021
22
Medische fysiologie en anatomie
waardoor het geheel een bepaalde functie uitoefent. Het hart zorgt
bijvoorbeeld voor de circulatie van het bloed.
Een orgaanstelsel bestaat uit een groep samenwerkende organen belast
met het uitvoeren van een bepaalde functie; het spijsverteringsstelsel
bijvoorbeeld wordt gevormd door mond, oesofagus (slokdarm),
maag, darmen, pancreas, lever en galblaas.
Het menselijk lichaam, dat uit verschillende samenwerkende orgaanstelsels is opgebouwd, wordt een organisme genoemd.
1.3
Het menselijk lichaam als eenheid
Als gevolg van specialisatie van de cellen van het menselijk lichaam
kan niet iedere cel alle functies uitoefenen; hij is van andere delen van
het organisme afhankelijk.
Voor deze onderlinge samenhang en voor de coördinatie van functies
van verschillende organen en orgaanstelsels zijn transport en regulatie nodig. Zuurstof en voedsel worden vanuit de omgeving in het
lichaam opgenomen en via het bloedvatstelsel naar de cellen getransporteerd. Vanuit de cellen worden afbraakproducten óf via het
lymfevatstelsel óf rechtstreeks door het bloedvatstelsel naar de uitscheidingsorganen vervoerd. Deze zorgen er op hun beurt voor dat de
afbraakproducten uit het lichaam worden verwijderd.
Het reguleren geschiedt door het zenuwstelsel en het hormoonstelsel.
Het zenuwstelsel en het hormoonstelsel zorgen voor de integratie van
de verrichtingen van de organen en de orgaanstelsels; deze stelsels
laten alle organen en orgaanstelsels op de juiste wijze samenwerken.
Ook het op een doeltreffende en snelle wijze reageren op veranderingen in de buitenwereld wordt door deze stelsels geregeld. Het
zenuwstelsel is in staat om signalen met hoge snelheid door het gehele
lichaam te sturen waardoor de werking van de organen (bijvoorbeeld
hart en longen) plotseling versneld of vertraagd wordt. Het hormoonstelsel werkt langzamer, wat verklaard kan worden door het feit dat de
hormonen, die door speciale hormoonklieren of bepaalde weefsels
worden afgescheiden, via het bloed elders in het lichaam hun regulerende werking uitoefenen. In veel gevallen hebben de hormonen
een stimulerende werking op bepaalde organen.
1.3.1
homeostase
Met homeostase (homeostase = gelijk blijven) wordt aangeduid het
streven van het lichaam naar het constant houden van het inwendige
milieu van het lichaam, waartoe ook het bloed behoort. Alle systemen
in het lichaam (ademhaling, spijsvertering, uitscheiding, enzovoort)
veroorzaken veranderingen in dit inwendige milieu. Doordat deze
systemen ook elkaar beı̈nvloeden worden deze veranderingen meestal
snel weer gecorrigeerd. Het zenuwstelsel en het hormoonstelsel spelen hierbij een belangrijke rol. Twee voorbeelden maken het principe
van homeostase duidelijk.
Iemand die gaat sporten produceert meer koolstofdioxide (CO2) door
de toegenomen verbranding. Vrijwel onmiddellijk neemt dan de
stroomsnelheid van het bloed toe (het hart gaat sneller kloppen) om
BSL - ALG_A4_1KMM - 0000
022
1 Cellen en weefsels
23
dit CO2 naar de longen af te voeren. Ook wordt de ademhaling gestimuleerd zodat het CO2 daarna kan worden uitgeademd. Door dit
compensatiemechanisme zal de CO2-concentratie in het bloed maar
beperkt stijgen.
Na een maaltijd wordt er veel glucose in het bloed opgenomen. Vrijwel direct reageert het lichaam op deze verandering met de productie
van insuline. Dit hormoon stimuleert onder andere de opname van
glucose in cellen, waardoor de concentratie in het bloed weer normaliseert.
In dit boek zal op een groot aantal plaatsen aandacht worden geschonken aan processen die van belang zijn voor de homeostase. In
dit hoofdstuk worden in dit verband de vochtbalans, de elektrolytenbalans en de regulatie van de pH besproken.
Vochtbalans
De hoeveelheid water die dagelijks bij volwassenen moet worden
opgenomen, bedraagt gemiddeld 2,1 liter. Dit gebeurt via dranken en
vast voedsel. Daarnaast wordt er per etmaal nog ongeveer 0,4 l oxidatiewater geproduceerd tijdens het verbrandingsproces in de cellen.
De opgenomen hoeveelheid moet gelijk zijn aan de hoeveelheid vocht
die dagelijks met de urine, zweet, feces en via uitademing het lichaam
verlaat. Er is sprake van een zogenaamde waterbalans of vochtbalans.
Via de huid verdampt 300-400 ml water ongemerkt door uitwaseming. Het totale waterverlies is afhankelijk van de omgevingstemperatuur. Bij warm weer of zware arbeid verliest het lichaam door zweet
meer vocht (tabel 1.1).
Tabel 1.1
Vochtbalans.
vochtverlies
normale temperatuur
warm weer
langdurige zware arbeid
huid
350 ml
350 ml
350 ml
luchtwegen
350 ml
250 ml
650 ml
feces
100 ml
100 ml
100 ml
zweet
200 ml
1500 ml
5000 ml
urine
1500 ml
1300 ml
600 ml
totaal
2500 ml
3500 ml
6700 ml
Het lichaam van een jongvolwassene bevat 60% water en 40% vaste
stof. Een persoon met een gewicht van 70 kg heeft dus ongeveer 42
liter water. Bij een vochtbalans van 2,5 liter per etmaal zet een volwassene dus ongeveer 6% (2,5/42) van de totale hoeveelheid water
om. Anders gezegd: in ruim zestien dagen is al het lichaamswater
‘ververst’.
Van de 42 liter water in het lichaam van een volwassene is ongeveer
70% intracellulair (30 liter) en de overige 12 liter bevindt zich extracellulair: 3 liter bloedplasma en 9 liter weefselvocht (interstitieel
vocht).
BSL - ALG_A4_1KMM - 0000
023
24
Medische fysiologie en anatomie
Het percentage water in het lichaam varieert sterk met de leeftijd: een
zuigeling bevat ongeveer 75% water, een bejaarde 45 tot 50%. Hiermee moet bij de dosering van geneesmiddelen rekening worden gehouden. Ook de wateromzet varieert per leeftijdscategorie: een baby
van zes maanden oud heeft een gewicht van 7 kg. De totale hoeveelheid lichaamswater is dan ongeveer 4,6 liter. Op deze leeftijd is
de vochtbalans ongeveer 1 liter per etmaal, ofwel 22% van het lichaamswater. Anders gezegd: deze baby ververst in vijf dagen de
totale hoeveelheid lichaamswater: driemaal zo snel als een volwassene. Het risico op uitdroging is daarom bij jonge kinderen veel groter
dan bij volwassenen.
De vochtbalans is sterk gekoppeld aan de elektrolytenbalans (zie
volgende paragraaf ). Water speelt in het lichaam een veelzijdige rol:
bouwstof (het cytoplasma bestaat voor 75% uit water), oplosmiddel
en transportmiddel. Water speelt bovendien een belangrijke rol bij de
warmteregulatie door transpiratie en is dan ook te beschouwen als de
koelvloeistof bij uitstek. Omgekeerd vervoert het water de warmte van
de plaats waar het wordt geproduceerd (lever, spieren) naar de
plaatsen waar warmte nodig is om het lichaam op temperatuur te
houden.
Om een te hoge concentratie van afvalstoffen in het bloed (‘uremie’,
zie intermezzo 1.1) te voorkomen moet een volwassene ten minste
400 ml urine per etmaal produceren. In de praktijk wordt een veilige
ondergrens van 1000 ml voor een volwassene aangehouden. Bij de
regeling van de vochtbalans spelen enkele hormonen een belangrijke
rol. Deze zullen in andere hoofdstukken uitgewerkt worden.
Intermezzo 1.1 Verstoorde vochtbalans
Wanneer de vochtbalans is verstoord heeft dit ernstige gevolgen
voor de lichaamsfuncties. Een vochtverlies van 10% is al zeer
ernstig; wanneer het vochtverlies meer dan 20% bedraagt, kan
dit dodelijk zijn. Bij sterk vochtverlies zullen de nieren minder
urine produceren om het evenwicht zoveel mogelijk te kunnen
handhaven. Bij extreem vochtverlies (bijvoorbeeld door een
massale bloeding) kan de productie van urine zelfs geheel stoppen. Dit wordt anurie genoemd. Het gevolg is dat de concentratie
van allerlei afvalstoffen in het bloed stijgt, met ernstige consequenties (‘uremie’).
Een te groot watergehalte in het lichaam is eveneens schadelijk.
Dit kan bijvoorbeeld het gevolg zijn van het (meestal onder
dwang) in korte tijd drinken van grote hoeveelheden water
(hyperhydratie). Waterintoxicatie kan ook het gevolg zijn van een
overmatige afgifte van het hormoon ADH (zie hoofdstuk 7).
Hierdoor ontstaat waterretentie en als gevolg daarvan hyponatriëmie. Als gevolg hiervan ontstaat een osmotische gradiënt
BSL - ALG_A4_1KMM - 0000
024
1 Cellen en weefsels
25
tussen de bloedvaten in de hersenen en de liquor waardoor
hersenoedeem kan optreden. In gevorderde gevallen kan dit
leiden tot verwardheid, convulsies en eventueel coma.
Elektrolytenbalans
De mens moet dagelijks een bepaalde hoeveelheid mineralen (zouten)
opnemen. In de fysiologie wordt liever de term elektrolyten gebruikt
omdat de zouten in oplossing altijd in ionen (geladen deeltjes) zijn
gesplitst. Er zijn positieve ionen (kationen), zoals H+, Na+, K+ en
Ca2+, en negatief geladen ionen (anionen), zoals Cl- (chloride) en
HCO3- (bicarbonaat).
De nieren (zie hoofdstuk 5) hebben een belangrijke invloed op de
elektrolytenbalans.
Bepaalde elektrolyten heeft het lichaam slechts in beperkte hoeveelheden nodig. Deze worden sporenelementen of micro-elementen
genoemd. Voorbeelden zijn fluor, jood, koper, zink en kobalt.
De functie van de elektrolyten kan in het kort als volgt worden samengevat:
– bouwstof: bijvoorbeeld calcium- en magnesiumzouten in de botten
en ijzer als bouwsteen van hemoglobine (Hb) in de erytrocyten (zie
paragraaf 2.1.5);
– osmolariteit: dit begrip slaat op het evenwicht dat moet bestaan in de
samenstelling van lichaamsvloeistoffen (bloed, lymfe, weefselvocht) en cytoplasma (zie paragraaf 1.6.2);
– bestanddelen van hormonen en enzymen: voorbeelden hiervan zijn jood
in de schildklierhormonen T3 en T4, koper, kobalt en ijzer die
betrokken zijn bij talrijke enzymfuncties;
– impulsgeleiding;
– spiercontractie.
In hoofdstuk 10 is de functie van de elektrolyten uitgebreider beschreven.
pH
Van alle deeltjes die in het bloed voorkomen is het waterstofion (H+)
het kleinst en het agressiefst. Waterstofionen kunnen met praktisch
alle organische verbindingen reageren, waarbij veel schade kan worden aangericht. Het is daarom van het grootste belang dat de concentratie waterstofionen in het bloed constant wordt gehouden.
Zuur
In de scheikunde wordt onder een zuur verstaan: een stof die waterstofionen kan afstaan. Bekende voorbeelden van zuren zijn: zoutzuur,
zwavelzuur, azijnzuur en fosforzuur. De chemische formule van
zoutzuur is HCl, een verbinding van waterstof en chloor. Wanneer
zoutzuur in water wordt opgelost, zullen alle moleculen zich splitsen
in waterstofionen en chloride-ionen. Een dergelijk zuur wordt een
BSL - ALG_A4_1KMM - 0000
025
26
Medische fysiologie en anatomie
sterk zuur genoemd. De splitsing van zoutzuur kan als chemische
reactie als volgt worden weergegeven:
HCl ? H+ + ClAzijnzuur (hier weergegeven als HAc) is een voorbeeld van een zwak
zuur. Dat betekent dat niet alle azijnzuurmoleculen zich splitsen. Een
deel van moleculen blijft als HAc in de oplossing. Dit wordt als volgt
weergegeven:
HAc $ H+ + AcWanneer oplossingen van zoutzuur en azijnzuur van gelijke sterkte
met elkaar worden vergeleken, zullen er dus in de zoutzuuroplossing
meer H+-ionen voorkomen dan in de azijnzuuroplossing.
In zuiver water komen vrijwel geen gesplitste moleculen en dus ook
bijna geen H+-ionen voor. Zuiver water is dus te beschouwen als een
zeer zwak zuur.
Helaas is aan de formule van een stof niet af te lezen of een stof een
sterk zuur is of niet. Zo heeft glucose de formule C6H12O6. Toch is
glucose in het geheel niet zuur, omdat de waterstofatomen onlosmakelijk in het molecuul gebonden zijn.
Base
Een base is een stof die H+-ionen kan binden. Een voorbeeld van een
base is een oplossing van natriumhydroxide (natronloog). De hydroxide-ionen binden waterstofionen volgens de reactie:
OH- + H+ ? H2O
Hydroxide is een sterke base, dat wil zeggen: vrijwel alle aanwezige
waterstofionen worden gebonden. Een voorbeeld van een zwakke base
is fosfaat. De reactie van fosfaat (PO43-) met waterstofionen wordt dan
geschreven als:
PO43- + H+ $ HPO42Oplossing
Een oplossing is zuur als in die oplossing meer H+-ionen voorkomen
dan in zuiver water. Dit kan alleen maar als er een zure stof in het
water is opgelost die H+-ionen heeft afgestaan.
Een oplossing is basisch of alkalisch als er minder H+-ionen in
voorkomen dan in zuiver water. Dit kan alleen maar als er in het water
een basische stof is opgelost, immers die stof heeft H+-ionen uit het
water gebonden.
Om aan te geven of een oplossing zuur dan wel basisch is, is de
grootheid pH ingevoerd. De pH van zuiver water is precies gelijk aan
7,0. Een zure oplossing heeft een pH die kleiner is, een basische
oplossing heeft een pH die groter is dan 7,0. Hoe lager de pH, hoe
zuurder de oplossing (= hoe meer waterstofionen). Een oplossing van
zoutzuur heeft dus een lagere pH dan een vergelijkbare oplossing van
azijnzuur. De pH-schaal is een logaritmische schaal. Dit betekent dat
in een oplossing met een pH van 6,0 tienmaal zoveel waterstofionen
voorkomen als in een oplossing met een pH van 7,0.
BSL - ALG_A4_1KMM - 0000
026
1 Cellen en weefsels
27
De pH van arterieel bloed (dus in de slagaders) ligt altijd tussen 7,35
en 7,45. Arterieel bloed is dus licht-alkalisch. Bij een pH lager dan
7,35 zijn er zoveel meer H+-ionen in het bloed dat eiwitten beschadigd kunnen raken. Een dergelijke situatie wordt een acidose genoemd.
Bij een pH groter dan 7,45 (alkalose) worden er juist H+-ionen van de
bloedeiwitten afgehaald. Ook dit is al heel snel levensbedreigend.
Buiten de arteriële bloedbaan kan de pH wel buiten de grenzen van
7,35 en 7,45 komen. Een bekend voorbeeld is de pH in de maag. Door
de aanwezigheid van zoutzuur bedraagt deze ongeveer 2,0.
Bij de verbrandingsprocessen in het lichaam ontstaan voortdurend
zuren. De belangrijkste zijn koolzuur en melkzuur. De volgende factoren voorkomen dat de pH van het bloed, ondanks de vorming van
deze zuren, te veel gaat veranderen:
– pH-buffers; dit zijn stoffen die bij een verandering van de concentratie waterstofionen in het bloed de pH constant kunnen houden.
Zij zijn opgebouwd uit moleculen, die zowel H+-ionen kunnen
afgeven als opnemen. Wanneer het bloed te zuur dreigt te worden
fungeren zij als base. Wanneer de pH van het bloed dreigt te
stijgen, geven zij juist H+-ionen af. De belangrijkste buffers in het
bloed zijn fosfaat, bicarbonaat, plasma-eiwitten en hemoglobine;
– ademhaling; bij de uitademing wordt koolstofdioxide weer uit het
bloed verwijderd;
– urineproductie; een overschot aan H+-ionen kan met de urine geloosd
worden. De nieren zijn bovendien in staat om bij een acidose extra
bicarbonaat te vormen en aan het bloed af te geven. Dit bicarbonaat
bindt het overschot aan H+-ionen.
Intermezzo 1.2 Acidose en alkalose
Op basis van de oorzaak worden acidose en alkalose ingedeeld in
respiratoire en non-respiratoire (‘metabole’) vormen.
Een respiratoire acidose komt voor bij patiënten met ademhalingsproblemen. Zij zijn niet meer in staat om alle CO2 uit te ademen.
De concentratie hiervan in het bloed zal stijgen en de pH zal dus
dalen. De patiënt zal dit proberen te compenseren door sneller
en dieper adem te halen en meer zuur via de nieren te lozen. Na
24 uur gaan de nieren bicarbonaat produceren. Deze base wordt
aan het bloed afgegeven waardoor de acidose verder wordt
gecompenseerd.
Een respiratoire alkalose is meestal het gevolg van een te snelle
ademhaling (hyperventileren).
Een metabole acidose komt onder andere voor bij diabetici omdat
hun stofwisseling zogenaamde ketozuren vormt. Deze patiënten
hebben een opvallende snelle ademhaling om de pH te corrigeren (Kussmaul-ademhaling). Hierdoor is de concentratie van
koolstofdioxide lager dan normaal.
Samenvattend: een acidose in combinatie met een hoge concen-
BSL - ALG_A4_1KMM - 0000
027
28
Medische fysiologie en anatomie
tratie van koolstofdioxide wijst op een respiratoire oorzaak, de
combinatie met een lage concentratie koolstofdioxide duidt op
een (gedeeltelijk gecompenseerde) metabole vorm.
Een metabole alkalose kan optreden bij langdurig braken of bij het
gebruik van bepaalde diuretica (‘plaspillen’). Het lichaam verliest
dan te veel waterstofionen.
1.4
De fundamentele eenheid van het lichaam: de cel
De cel vormt de kleinste fundamentele eenheid van leven, zowel wat
bouw en structuur als wat werking en functie betreft. Het is de
kleinste levende bouwsteen van het menselijk lichaam. De leer van de
cel wordt cytologie genoemd.
1.4.1
bouw en functie van cellen
De buitenste begrenzing van een menselijke cel wordt gevormd door
een celmembraan. Dit is anders dan bij plantencellen en bacteriën. Deze
laatste organismen leven vaak in een voor hen vijandige omgeving.
Als bescherming ligt er daarom om het celmembraan nog een tweede
laag: de celwand. De werking van antibiotica als penicilline is erop
gebaseerd, dat deze middelen de celwand afbreken. Omdat deze bij
menselijke cellen niet voorkomt zijn deze niet gevoelig voor dit middel. Het binnenste van de cel wordt gevormd door een waterige
oplossing, het cytoplasma, met daarin een groot aantal bestanddelen,
de zogenaamde organellen. Organellen zijn celstructuren met een bepaalde functie: werkplaatsen van de cel. Het cytoplasma zelf bestaat
vooral uit water (75%) met daarin opgelost zouten, eiwitten, koolhydraten en vetten. De eiwitten hebben onder andere belangrijke enzymfuncties.
Hier volgt een bespreking van de bouw en functie van het celmembraan en de belangrijkste organellen (afbeelding 1.1 en 1.2).
Afbeelding 1.1 Schematische
voorstelling van een cel met daarin
de algemeen voorkomende organellen.
celmembraan
actinefilamenten
ruw endoplasmatisch
reticulum
poriën
centriool met
microtubuli
peroxisoom
nucleolus
kern
vesikel
golgi-complex
glad endoplasmatisch
reticulum
lysosoom
BSL - ALG_A4_1KMM - 0000
mitochondriën
intermediaire
filamenten
028
1 Cellen en weefsels
29
1
2
3
4
5
Afbeelding 1.2 Een cel, elektronenmicroscopisch (vergroting
20.0006).
1 celkern
2 kernmembraan
3 celmembraan
4 golgi-apparaat
5 glad endoplasmatisch reticulum
6 mitochondriën
7 celkern
8 lysosoom
9 ruw endoplasmatisch reticulum
6
7
8
9
Celmembraan
Het celmembraan wordt ook wel aangeduid als plasmamembraan. De
basisstructuur is een dubbele laag fosfolipiden (afbeelding 1.3). Fosfolipidenmoleculen hebben een vetoplosbaar en een wateroplosbaar
deel. De moleculen rangschikken zich zo, dat de vetoplosbare delen
naar elkaar toe wijzen en de wateroplosbare naar buiten, naar het
cytoplasma en de vloeistof buiten de cel. Op deze manier vormt het
celmembraan een barrière voor wateroplosbare stoffen. Vetoplosbare
stoffen, zoals vetoplosbare hormonen, kunnen wel door het celmembraan diffunderen. Voor bepaalde stoffen als glucose, water en
aminozuren zijn specifieke carriers in het celmembraan aanwezig.
Deze carriers hebben een eiwitstructuur. Soms vormen deze eiwitten
simpelweg een kanaal door het membraan, soms werken zij als een
pomp. In dit laatste geval kunnen zij ten koste van energie stoffen
tegen de concentratie in vervoeren, dat wil zeggen van een lage naar
een hoge concentratie. Dan is er sprake van actief membraantransport.
Het leefmilieu van de cel is het waterige milieu rondom de lichaamscellen: het weefselvocht (andere benamingen daarvoor zijn:
interstitieel vocht, intern milieu, weefselvloeistof en intercellulaire
vloeistof ). Dit heeft vrijwel dezelfde samenstelling als bloedplasma en
varieert dus, bijvoorbeeld na een maaltijd. Door de selectieve opname
van voedingsstoffen is het milieu in de cel veel constanter.
Naast fosfolipiden en eiwitten vormt cholesterol de derde bouwsteen
van celmembranen. Cholesterol geeft stevigheid aan het celmembraan, vooral in membranen van zenuwcellen.
Het celmembraan bezit soms uitstulpingen: microvilli (borstelzoom)
BSL - ALG_A4_1KMM - 0000
029
30
Afbeelding 1.3 Structuur van het
celmembraan volgens het vloeibaar
mozaı̈ekmodel. De bimoleculaire
lipidenlaag bevat allerlei eiwitten.
Medische fysiologie en anatomie
extracellulair
glycoproteïne
glycocalix
glycolipide
integraal
eiwit
dubbele fosfolipidenlaag
cytoplasma
integraal eiwit
filamenten van cytoskelet
cholesterol
perifeer eiwit
intracellulair
(zie paragraaf 10.14.2 en afbeelding 10.15 en 10.16). Deze vergroten
het oppervlak en daardoor het resorberend vermogen van de cel.
Kern
De kern (nucleus) is omgeven door het kernmembraan dat het kernplasma (nucleoplasma) omsluit. Het kernmembraan is een dubbelmembraan met poriën, waardoor direct contact mogelijk is tussen de
kern en het cytoplasma. In het kernplasma (protoplasma van de kern)
bevinden zich het chromatine en een of meer kernlichaampjes (nucleoli).
Het chromatine, bestaande uit eiwitten en DNA, is een fijnkorrelige
structuur, die zich gemakkelijk laat kleuren. Voorafgaand aan kerndeling ontstaan uit het chromatine de chromosomen. De celkern is de
drager van de aanleg voor de erfelijke eigenschappen: de genen.
Doordat de genen uiteindelijk bepalen welke eiwitten en dus ook
welke enzymen er in het cytoplasma ontstaan, vervult de kern in de cel
de functie van regulator van de levensverrichtingen, dat wil zeggen
van de stofwisseling in de organellen, bijvoorbeeld de synthese van
eiwitten (o.a. enzymen) en de verbranding.
De kern speelt ook een belangrijke rol bij de celdeling, doordat
celdeling wordt voorafgegaan door kerndeling.
Endoplasmatisch reticulum
Het endoplasmatisch reticulum (ER) is een gesloten netwerk (reticulum)
van holten en kanalen, gelegen in het cytoplasma. Het wordt begrensd
door twee dicht tegen elkaar liggende membranen, die een voortzetting zijn van het eveneens uit twee lagen bestaande kernmembraan.
Wanneer zich aan de buitenzijde van het endoplasmatisch reticulum
ribosomen bevinden, wordt gesproken van ruw endoplasmatisch reticulum. De ribosomen komen ook vrij in het cytoplasma voor. Het
zijn bolvormige tot ovaalvormige structuren die betrokken zijn bij de
eiwitsynthese. Het inwendige kanalensysteem van het ER dient voor
het transport van eiwitten die op het oppervlak zijn gesynthetiseerd.
Glad endoplasmatisch reticulum, dat geen ribosomen bevat, speelt
een rol in de synthese van vetten en steroı̈den in de cel. Het vormt
tevens een overgang naar het golgi-apparaat.
BSL - ALG_A4_1KMM - 0000
030
1 Cellen en weefsels
31
Golgi-apparaat
Het golgi-apparaat (golgi-complex) is opgebouwd uit een groot aantal
door membranen omgeven holten. Het staat enerzijds in verbinding
met het endoplasmatisch reticulum en anderzijds met het celmembraan. In de blaasjes van het golgi-apparaat worden producten, met
name eiwitten, die zijn gemaakt op het endoplasmatisch reticulum,
bewerkt voor hun functie binnen de cel en buiten de cel, bijvoorbeeld
enzymen. De blaasjes (met de enzyminhoud) versmelten met het
celmembraan zodat de enzymen buiten de cel gebracht worden. Zo
komen bijvoorbeeld de enzymen van de pancreascellen naar buiten
om in de dunne darm het voedsel te verteren. Er is sprake van exocytose (zie paragraaf 1.6.3). Behalve eiwitten wordt in het golgi-apparaat ook slijm geproduceerd en vervolgens afgegeven.
Lysosomen
Lysosomen zijn bolvormige organellen ontstaan uit het golgi-apparaat.
Onder normale omstandigheden beschikken ze over enzymen voor de
intracellulaire vertering van macromoleculen, stoffen met een hoge
molecuulmassa (eiwitten, vetten, polysachariden). Bij afwezigheid of
deficiëntie hiervan ontstaan er ophopingen van voornoemde macromoleculen, die bekendstaan als lysosomale stapelingsziekten (zie
hoofdstuk 13).
Ze bezitten een aantal enzymen die in staat zijn om normale celbestanddelen te splitsen, waardoor de cel wordt gelyseerd (opgelost). In
een levende cel bezitten de lysosomen aan de buitenzijde een beschermend membraan. Wanneer een micro-organisme door een cel
wordt gefagocyteerd (in een blaasje opgenomen) versmelt het membraan van het lysosoom met het membraan van het fagocytoseblaasje.
De inhoud van de lysosomen komt zo bij het micro-organisme, dat
door de lysosomale enzymen wordt afgebroken. Lysosomen komen
dan ook veel voor in leukocyten (witte bloedcellen), de cellen van het
afweersysteem (zie hoofdstuk 3).
Bij donorbloed worden de leukocyten door centrifugeren verwijderd,
waardoor het bloed langer houdbaar is.
Er is ook een direct verband tussen het verouderingsproces van de cel
en het aantal lysosomen. Naarmate de cellen ouder worden, neemt
ook het aantal lysosomen toe.
Lysosomale stapelingsziekten zijn erfelijke stofwisselingsziekten.
Door een slecht functionerend lysosomaal enzym ontstaat stapeling
van afbraakmateriaal in lysosomen. Voorbeelden zijn de ziekte van
Gaucher en Fabry (beide stapeling van lipiden) en de ziekte van
Pompe (stapeling van glycogeen). Geen enkele van de ruim veertig
verschillende lysosomale stapelingsziekten is te genezen, er zijn
echter voor enkele stapelingsziekten wel behandelingsmogelijkheden:
– enzymvervangingstherapie, waarbij het ontbrekende enzym via een
infuus wordt toegediend;
– substraatderivatietherapie, waarbij een medicijn de aanmaak van de
stof die stapelt vermindert, waardoor er minder stapeling optreedt;
– beenmergtransplantatie of navelstrengstamceltransplantatie.
BSL - ALG_A4_1KMM - 0000
031
32
Medische fysiologie en anatomie
Mitochondriën
Mitochondriën zijn bolvormige tot langgerekte organellen, opgebouwd
uit een dubbelmembraan waarvan het binnenste veel plooien (cristae)
bezit. In mitochondriën speelt zich de reactie af tussen zuurstof, dat
via de ademhaling is opgenomen, en de voedingstoffen, die na vertering uit het maag-darmkanaal zijn opgenomen, met als eindproducten koolstofdioxide en water (aerobe verbranding). Deze reactie
levert de energie voor de cel (zie paragraaf 1.5). Ze worden daarom
ook wel de energiecentrales van de cel genoemd. Daarom bevatten
vooral cellen die veel energie verbruiken veel mitochondriën. Voorbeelden zijn levercellen, hart- en spiercellen. Ook in bepaalde delen
van de hersenen zitten meer mitochondriën dan in andere delen.
Behalve in de celkern komt ook in de mitochondriën DNA voor.
Omdat de mitochondriën in een bevruchte eicel van de moeder afkomstig zijn, speelt dit DNA een belangrijke rol bij erfelijkheids- en
stamboomonderzoek.
Mitochondriale ziekten zijn erfelijke stofwisselingsziekten waarbij de
functie van energiecentrale niet goed werkt. De ziekte leidt tot zeer
veel uiteenlopende verschijnselen. Het meest frequent ontstaan
klachten in weefsels waarin veel mitochondriën voorkomen. De
klachten zijn bijvoorbeeld spierslapte, hersenfunctiestoornissen met
een verstandelijke handicap en motorische stoornissen.
Peroxisomen
Peroxisomen komen vooral voor in cellen van lever en nieren. Zij zijn te
beschouwen als gespecialiseerde lysosomen. Peroxisomen hebben
hun naam te danken aan het feit dat bij de meeste afbraakreacties in
een peroxisoom gebruikgemaakt wordt van de stof waterstofperoxide,
die in het organel wordt gevormd. In een vervolgreactie worden met
dit (op zich giftige) peroxide schadelijke verbindingen als alcohol
afgebroken. Het peroxide speelt ook een belangrijke rol in de afbraak
van vetzuren uit ons voedsel. Ten slotte vindt de vorming van myeline
(van belang bij de impulsgeleiding over zenuwbanen, zie paragraaf
1.9.4) gedeeltelijk in de peroxisomen plaats. Er is een groot aantal
(zeldzame maar zeer ernstige) ziekten bekend die worden veroorzaakt door slecht of niet-functionerende perxisomen. De bekendste is
het syndroom van Zellweger.
Centrosoom
Het centrosoom speelt een belangrijke rol bij de celdeling, doordat het
de ‘polen’ vormt. Een centrosoom is opgebouwd uit twee centriolen.
Ciliën en flagellen
Ciliën en flagellen zijn celaanhangsels die bij veel cellen voorkomen.
Zo bevatten de epitheelcellen in de luchtpijp ciliën (trilhaartjes), die
zorgen voor het transport van slijm. Zaadcellen bevatten flagellen
(zweepdraden), die zorgen voor de voortbeweging van deze cellen.
BSL - ALG_A4_1KMM - 0000
032
1 Cellen en weefsels
1.5
33
Celmetabolisme: verbranding in de cel
De activiteiten in de hierboven genoemde organellen zijn bepalend
voor de cel als geheel en dus ook voor het menselijk lichaam als
totaliteit. De verschillende celactiviteiten worden uiteindelijk gereguleerd door de celkern. De benodigde energie wordt opgewekt in de cel
zelf in de speciaal daartoe bestemde organellen: de mitochondriën.
De mitochondriën worden dan ook aangeduid als de krachtcentrales
in de cel. Bij de verbranding wordt onderscheid gemaakt in aerobe en
anaerobe verbranding.
In alle cellen is de directe energiebron voor de celactiviteiten de stof
die bekendstaat onder de naam ATP, voluit adenosinetrifosfaat. ATP is
een zeer energierijke verbinding waarmee activiteiten kunnen worden
uitgevoerd.
Bij de verbranding wordt de energie tijdelijk opgeslagen in de vorm
van de stof ATP volgens de reactie:
ADP + fosfaat ? ATP
Wanneer deze energie nodig is voor een of andere vorm van arbeid
(mechanische arbeid in spieren, chemische arbeid voor het anabolisme of elektrische arbeid voor impulsgeleiding) verloopt deze reactie in omgekeerde richting, waarbij de opgeslagen energie weer vrijkomt.
1.5.1
aerobe verbrandingsprocessen
De afbraak van voedingsstoffen verloopt meestal met behulp van
zuurstof: aerobe oxidatie. Brandstoffen als glucose en vetzuren worden
tijdens de reactie met zuurstof in de cel omgezet in koolstofdioxide en
water. Hierbij komt energie vrij.
1.5.2
anaerobe verbrandingsprocessen
Onder omstandigheden waarbij er een tekort is aan zuurstof verloopt
de verbranding anaeroob. Deze levert veel minder energie dan de
aerobe verbranding. Zo levert de anaerobe verbranding van glucose
slechts twee moleculen ATP per molecuul glucose, terwijl aeroob de
winst 36 ATP per molecuul glucose is. Het eindproduct van de anaerobe verbranding is melkzuur, dat uiteenvalt in lactaat en waterstofionen, waardoor de omgeving zuur wordt. Dit is bijvoorbeeld het geval
in een (over)belaste spier of in situaties waarin de stroomsnelheid van
het bloed sterk is verminderd, zoals bij een shock. De concentratie
lactaat in het bloed is daarom een goede maat om de ernst van een
shock in te schatten.
1.5.3
koolhydraten, vetten en eiwitten
De meest bekende brandstoffen zijn koolhydraten (sacharose, zetmeel)
en lipiden (vetten). In het spijsverteringskanaal worden de disachariden, zoals sacharose (sucrose), en de polysachariden (zetmeel) afgebroken tot glucose, dat dan als brandstof beschikbaar is (zie hoofd-
BSL - ALG_A4_1KMM - 0000
033
34
Medische fysiologie en anatomie
stuk 10). In de lever- en spiercellen ligt altijd glycogeen in opslag, dat
ook afgebroken kan worden tot glucose voor het oxidatieproces.
Vetten zijn een uitstekende brandstof. Een gram vet levert tweemaal
zoveel ATP als een gram koolhydraat. Dit komt door het relatief grote
aantal waterstofatomen per molecuul vet. In de laatste stap van het
aerobe verbrandingsproces (terminale ademhalingsketen) koppelen
deze atomen zich namelijk met zuurstof waardoor water ontstaat en
er ATP vrijkomt.
1.6
Celmembraantransport
Er zijn twee mechanismen waarop transport van kleine moleculen
door membranen kan plaatsvinden: passief transport, waarbij geen
ATP vereist is, en actief transport, waarvoor ATP nodig is.
Het transport van grote moleculen en deeltjes vindt plaats door exocytose en endocytose.
1.6.1
passief transport
Voor passief transport is geen ATP vereist. Hieronder vallen: diffusie,
osmose en filtratie.
Diffusie
Wanneer we een suikerklontje in een glas thee doen en we roeren
niet, dan zien we na verloop van tijd slierten van een dikke suikeroplossing van de bodem van het glas naar boven trekken. Na lange
tijd heeft de suiker zich gelijkmatig door de thee verspreid. Wanneer
iemand met deodorant spuit ruiken we dat na een tijdje in het hele
huis. Dit zijn twee voorbeelden van diffusie. Onder diffusie wordt het
verschijnsel verstaan dat gassen, veel vloeistoffen (de zogenaamde
mengbare vloeistoffen) en oplossingen spontaan vermengen. Diffunderende stoffen bewegen zich van plaatsen met een hoge concentratie naar plaatsen met een lage concentratie, totdat de concentraties overal gelijk zijn (Latijn: diffundere = zich verspreiden).
Diffusie wordt veroorzaakt door de beweging van de moleculen. De
drijvende kracht achter diffusie is het streven van de natuur om de
concentratie van stoffen overal gelijk te krijgen. Hoe groter de beweeglijkheid van de moleculen is, hoe sneller de diffusie verloopt. Het
blijkt dan ook dat de diffusie bij gassen sneller verloopt dan bij
vloeistoffen.
De snelheid van een diffusieproces hangt af van een aantal factoren:
– temperatuur, naarmate de temperatuur hoger is neemt de snelheid
toe;
– molecuulmassa; kleine moleculen diffunderen sneller dan grote moleculen;
– concentratieverschil; hoe groter dit verschil, hoe sneller de diffusie;
het concentratieverschil wordt ook wel diffusiegradiënt genoemd;
– diffusieoppervlak; door een groot oppervlak kunnen per tijdseenheid
meer moleculen passeren;
BSL - ALG_A4_1KMM - 0000
034
1 Cellen en weefsels
35
– afstand, de dikte van het diffusiemembraan: hoe groter de afstand,
hoe langzamer de diffusie verloopt.
De sterkte van de diffusiestroom wordt uitgedrukt in de wet van Fick,
waarbij concentratieverschil, membraanoppervlak en membraandikte
zijn betrokken (zie verder paragraaf 4.3, waarin de diffusieprocessen
van de gassen zuurstof en koolstofdioxide worden besproken). Bij de
ademhaling is sprake van een groot concentratieverschil (spanningsverschil) en een groot diffusieoppervlak gekoppeld aan een zeer dun
diffusiemembraan. Hierdoor zijn de voorwaarden vervuld om in een
kort tijdsbestek grote hoeveelheden zuurstof vanuit de alveoli (longblaasjes) naar het bloed over te brengen en omgekeerd zeer veel CO2
vanuit het bloed naar de alveoli. In de weefsels vinden eveneens
diffusieprocessen plaats. Overigens zijn er in de fysiologie maar weinig stoffen die vrij over een celmembraan kunnen diffunderen. Dit
zijn CO2, O2 en ureum (een afvalproduct van de eiwitstofwisseling).
In sommige gevallen wordt de diffusie vergemakkelijkt door speciale
carriers (‘ondersteunde diffusie’, afbeelding 1.4). Dit zijn membraaneiwitten die specifiek stoffen over een celmembraan kunnen transporteren. Een voorbeeld van een dergelijk carriertransport is het
transport van glucose over het celmembraan. De glucosecarrier bindt
aan de buitenzijde van de cel een molecuul glucose. Hierna ondergaat
het carriereiwit een vormverandering zodat het glucosemolecuul zich
aan de andere zijde van het membraan bevindt. Het glucosemolecuul
wordt losgelaten en de carrier neemt zijn oorspronkelijke vorm weer
aan, waarna het volgende glucosemolecuul kan worden overgebracht.
Het zal duidelijk zijn dat transport door middel van een carrier in
tegenstelling tot vrije diffusie aan een maximum is gebonden. Dit
maximum wordt bepaald door de snelheid waarmee de carrier van
vorm verandert. Carriers zijn over het algemeen zeer specifiek. Zo kan
de glucosecarrier geen andere suikers dan glucose over het celmembraan vervoeren. Deze carrier staat onder controle van het hormoon
insuline (zie hoofdstuk 7).
Veel carriers kunnen alleen functioneren wanneer zij twee deeltjes
tegelijk kunnen vervoeren. De bovenbeschreven glucosecarrier neemt
A vrije diffusie
B ondersteunde diffusie
extracellulaire
vloeistof
+
+
kanaaleiwit
hydrofiel
deeltje
+
+
transporteiwit
+
plasmamembraan
cytoplasma
+
+
hydrofoob
deeltje
BSL - ALG_A4_1KMM - 0000
Afbeelding 1.4 Schematische
voorstelling van vrije diffusie (A)
en diffusie ondersteund door
membraaneiwitten (B) door het
plasmamembraan.
ion
+
intracellulaire
vloeistof
035
36
Medische fysiologie en anatomie
tegelijk met het glucosemolecuul ook een Na+-ion mee naar binnen.
De beweging van de deeltjes over het membraan kan ook tegengesteld
zijn. In de nieren komen carriers voor die alleen functioneren als zij
een Na+-ion en een H+-ion in tegengestelde richting vervoeren. De
gevolgen hiervan zijn merkbaar in het geval van een acidose. De
nieren proberen deze te compenseren door extra H+-ionen uit te
scheiden. In plaats daarvan neemt de uitscheiding van natrium af,
waardoor de Na+-concentratie in het bloedplasma zal stijgen.
Osmose
Onder het begrip osmose wordt de diffusie van water door een semipermeabel (halfdoorlatend) membraan verstaan. Dit is een membraan
waarbij het oplosmiddel (water) wel kan passeren en de opgeloste
stof niet of slechts zeer langzaam. Een voorbeeld hiervan is te zien in
afbeelding 1.5. Een suikeroplossing wordt gescheiden van water door
een semipermeabel vlies. Aanvankelijk is daarin een geconcentreerde
suikeroplossing aanwezig. Doordat de natuur altijd streeft naar
evenwicht zal in dit geval, doordat suiker het membraan niet kan
passeren, water zich gaan verplaatsen in de richting van de suikeroplossing. De suikeroplossing oefent dus een aanzuigkracht uit op
het omringende water (osmos = aandrang). De aanzuigkracht wordt
osmotische druk genoemd. De grootte van de osmotische druk wordt
bepaald door de concentratie van deeltjes die niet over het semipermeabele membraan kunnen diffunderen.
Afbeelding 1.5 Osmose.
niet-gecon-
geconcen-
centreerde
treerde
oplossing
oplossing
H2O
semipermeabele
membraan
Het verschijnsel osmose is ook op een andere manier te verklaren.
Hiertoe dient het begrip waterconcentratie gehanteerd te worden. In een
oplossing is er dan sprake van de concentratie van de opgeloste stof
en van de waterconcentratie. In een geconcentreerde oplossing is er
dus een hoge concentratie van de opgeloste stof en een ‘geringe’
waterconcentratie. Wanneer een geconcentreerde suikeroplossing
door een semipermeabel vlies is gescheiden van zuiver water (de
BSL - ALG_A4_1KMM - 0000
036
1 Cellen en weefsels
37
waterconcentratie is dan 100%) zal water naar de suikeroplossing
diffunderen doordat daarin de waterconcentratie geringer is. Op deze
wijze is het duidelijker dat osmose een kwestie is van diffusie, namelijk diffusie van water.
Osmose speelt een belangrijke rol bij de cellen van alle organismen
doordat membranen semipermeabel zijn. Deze doorlaatbaarheid
verschilt voor verschillende membranen. De wand van de capillairen
(haarvaten) is voor alle in het bloed opgeloste stoffen doorlaatbaar,
met uitzondering van eiwitten. Natrium, kalium en glucose kunnen
dus vrij het bloed uit diffunderen, eiwitten niet. De eiwitconcentratie
bepaalt daarom de osmotische druk van het bloed. Omdat eiwitten
grote moleculen (colloı̈den) zijn, wordt deze druk vaak aangeduid
met de colloı̈d-osmotische druk (COD). Tegenwoordig wordt de COD ook
vaak oncotische druk (Grieks: oncos = zwelling) genoemd vanwege de
relatie met oedeemvorming.
Voor het celmembraan ligt de situatie anders. Deze is slechts voor
zeer weinig stoffen doorlaatbaar, meestal alleen wanneer er voor die
stoffen (bijvoorbeeld glucose) een transportsysteem is aangelegd. Het
celmembraan is bijvoorbeeld niet doorlaatbaar voor natrium, kalium
en chloride. De osmotische druk over een celmembraan wordt daarom vooral bepaald door de zoutconcentratie. Dit wordt de kristalloı̈dosmotische druk genoemd. Samenvattend: transport van water over het
membraan van de capillairen wordt bepaald door het verschil in
eiwitconcentratie binnen en buiten de bloedbaan: de colloı̈d-osmotische druk. Transport van water over het celmembraan wordt vooral
bepaald door een verschil in zoutconcentratie binnen en buiten de
cel: de kristalloı̈d-osmotische druk.
Intermezzo 1.3 Bepaling van de osmolariteit van het
bloedplasma
De colloı̈d-osmotische waarde van het bloedplasma volgt rechtstreeks uit de concentratie totaal eiwit in het bloedplasma. Om
de kristalloı̈d-osmotische waarde te berekenen, zou eigenlijk de
concentratie van alle zouten in het bloedplasma bepaald moeten
worden. Dit is natuurlijk ondoenlijk. Daarom worden in de
praktijk allerlei vereenvoudigingen gehanteerd. Veelgebruikte
formules zijn:
kristalloı̈d-osmotische waarde = 2 [Na+ + K+]
Omdat tegenover ieder Na+- en K+-ion per definitie een negatief
deeltje moet voorkomen, wordt de concentratie van deze ionen
met twee vermenigvuldigd.
Iets nauwkeuriger is de volgende berekening:
kristalloı̈d-osmotische waarde = 2 [Na+ + K+] + glucose + ureum
BSL - ALG_A4_1KMM - 0000
037
38
Medische fysiologie en anatomie
In het bloed treden osmotische verschijnselen op, onder andere bij de
erytrocyten (rode bloedcellen). Wanneer het bloedplasma een hogere
zoutconcentratie bezit (en dus een lagere waterconcentratie) dan de
erytrocyten, zal er diffusie van water plaatsvinden vanuit de erytrocyten naar het bloedplasma (afbeelding 1.6a). In de erytrocyten is in dat
geval de waterconcentratie namelijk hoger dan in het bloedplasma. In
dit geval is het bloedplasma hyperosmotisch ten opzichte van de bloedcellen. De term hyperosmotisch verdient de voorkeur boven de gebruikelijke term hypertonisch omdat de laatste wordt gehanteerd voor
afzonderlijke deeltjes. Hetzelfde geldt voor de termen isotonisch en
hypotonisch, die daarom nu bij voorkeur worden aangeduid respectievelijk als iso-osmotisch en hypo-osmotisch.
Wanneer het bloedplasma minder opgeloste stoffen bevat dan de
erytrocyten is het bloedplasma hypo-osmotisch (Grieks: hypo = onder)
ten opzichte van de erytrocyten. De consequentie hiervan is dat er
diffusie van water zal plaatsvinden vanuit het bloedplasma naar de
erytrocyten. Immers, in dit geval is de waterconcentratie in het
bloedplasma hoger dan in de erytrocyten. Het gevolg is dat de erytrocyten zwellen en ten slotte barsten. Dit verschijnsel wordt hemolyse genoemd (afbeelding 1.6b). Wanneer twee oplossingen dezelfde
osmotische waarde bezitten worden ze iso-osmotisch (Grieks: isos =
gelijk) ten opzichte van elkaar genoemd. Onder normale omstandigheden is het bloedplasma dan ook altijd iso-osmotisch ten opzichte
van de vloeistof in de erytrocyten.
Afbeelding 1.6
a. Erytrocyt in een hyperosmotisch
milieu. De cel krijgt een doornappelvorm.
b. Erytrocyt in een hypo-osmotisch
milieu. Er treedt hemolyse op.
a
b
Intermezzo 1.4 Infusievloeistoffen
Wanneer een patiënt ‘vocht’ moet worden toegediend, wordt
uiteraard ook gebruikgemaakt van een iso-osmotische oplossing. Een oplossing van 0,9% NaCl heeft dezelfde osmotische
waarde als het bloedplasma. Deze veelgebruikte iso-osmotische
oplossing wordt fysiologische zoutoplossing (‘fysiologisch
zout’) genoemd, omdat door toediening van deze vloeistof de
normale fysiologie van de erytrocyten intact blijft.
Een iso-osmotische glucoseoplossing zal een andere concentratie moeten hebben dan een iso-osmotische oplossing van keu-
BSL - ALG_A4_1KMM - 0000
038
1 Cellen en weefsels
39
kenzout. In de eerste plaats splitst NaCl (keukenzout) wanneer
het wordt opgelost in water in twee deeltjes, te weten een
natriumion en een chloride-ion. De formule van glucose is
C6H12O6, dus een glucosemolecuul is opgebouwd uit in totaal 24
atomen (6 koolstofatomen, 12 waterstofatomen en 6 zuurstofatomen). Bij het oplossen in water blijven deze atomen echter
aan elkaar gebonden. Een oplossing van 1 mol keukenzout per
liter levert om die reden tweemaal zoveel deeltjes als een oplossing van 1 mol glucose per liter. Omdat het aantal deeltjes per
liter de osmolariteit bepaalt, is de osmolariteit van 1 mol keukenzout per liter daarom tweemaal zo groot als die van een
oplossing van 1 mol glucose per liter. Wanneer de concentratie in
grammen per liter of in procenten wordt uitgedrukt, speelt er
nog een tweede factor mee. Een glucosemolecuul is ongeveer
driemaal zo zwaar als een keukenzoutmolecuul. Voor een gelijk
aantal deeltjes is dus driemaal zoveel glucose als keukenzout
nodig.
Wanneer beide bovenstaande factoren worden gecombineerd,
luidt de conclusie dat er voor een iso-osmotische glucoseoplossing ongeveer zesmaal zoveel stof nodig is als voor een
fysiologische zoutoplossing. Dat komt overeen met een oplossing van glucose van ruim 5% (50 gram glucose per liter). Voor
infusievloeistoffen wordt meestal 5% glucose gebruikt. In dit
verband zal het ook duidelijk zijn dat wanneer de cellen glucose
opslaan in de vorm van glycogeen (zie hoofdstuk 10) het osmotisch effect van een glucose-infuus sterk wordt gereduceerd.
Infusievloeistoffen bevatten naast NaCl of glucose vaak nog
andere bestanddelen. Zo zal er in het geval van een patiënt met
een acidose een base, meestal bicarbonaat, aan het infuus worden toegevoegd. Bij een alkalose wordt er een zuur (bijvoorbeeld
zoutzuur) aan het infuus toegevoegd. Om de iso-osmolariteit van
het infuus te handhaven, moet de concentratie van deze toevoegingen op de concentratie zout of glucose in mindering worden
gebracht.
Bij een patiënt die een groot bloedvolume heeft verloren, wordt
soms een grootmoleculaire stof (albumine of dextraan, een soort
zetmeel) aan het infuus toegevoegd. Hiermee wordt de colloı̈dosmotische druk van het bloed verhoogd, waardoor een groter
deel van de infusievloeistof in de bloedbaan zal blijven.
Filtratie
Filtratie is het proces, waarbij water met opgeloste stoffen zich over
een wand verplaatst. De drijvende kracht achter filtratie is de hydrostatische druk (druk die door het water wordt uitgeoefend). Filtratie
speelt een belangrijke rol bij het uittreden van bloedplasma met voedingsstoffen uit de capillairen (zie hoofdstuk 2) en bij de vorming van
urine (zie hoofdstuk 5). Het proces zal in die hoofdstukken verder
worden toegelicht.
BSL - ALG_A4_1KMM - 0000
039
40
Medische fysiologie en anatomie
1.6.2
actief transport
Voor actief transport is ATP vereist. Het mechanisme achter actief
transport vertoont veel overeenkomsten met het beschreven carriertransport. Ook nu is er sprake van een eiwit in het celmembraan, dat
vormveranderingen ondergaat, waarvoor in dit geval ATP nodig is.
Een bijzondere eigenschap van actief transport is dat hiermee deeltjes
ook van een lage naar een hoge concentratie kunnen worden vervoerd. Het bekendste voorbeeld van actief transport is de natrium/
kaliumpomp (Na/K-pomp). Deze pomp vervoert tegelijkertijd natriumionen vanuit de cel naar het interstitium en kaliumionen vanuit
het interstitium de cel in. In beide gevallen is dat van een plaats met
een lage concentratie naar een plaats met een hoge concentratie.
De Na/K-pomp speelt een belangrijke rol bij de impulsgeleiding in de
hartspiercellen (zie hoofdstuk 2) en de zenuwcellen (zie hoofdstuk 6).
1.6.3
endocytose en exocytose
Endocytose en exocytose worden samen ook wel aangeduid met
blaasjestransport.
Bij endocytose omsluit het celmembraan een deel van de vloeistof in het
interstitium met de daarin opgeloste stoffen. De aldus gevormde
blaasjes (vesikels) worden als kleine organellen in de cel opgenomen.
Daarna kunnen zij bijvoorbeeld versmelten met de membranen van de
lysosomen, waardoor de inhoud van deze twee organellen vermengd
wordt. Levercellen bijvoorbeeld zijn door endocytose in staat te veel
cholesterol uit het bloed te verwijderen en in de lysosomen op te
nemen. Cholesterol wordt vervolgens in de lysosomen afgebroken.
Een bijzondere vorm van endocytose is fagocytose (zie hoofdstuk 3).
Hierbij worden vaste deeltjes als bacteriën in de cel opgenomen.
Wanneer vloeibaar materiaal in een cel wordt opgenomen wordt dat
pinocytose genoemd (Grieks: pinein = drinken).
Omgekeerd kunnen in de cel gevormde stoffen worden verpakt in een
blaasje van membraanmateriaal. Als het membraan van dit blaasje
vervolgens versmelt met het celmembraan van de cel, kan deze stof
naar het interstitium worden afgegeven. Dit heet exocytose (afbeelding
1.7 en 1.8). Het golgi-apparaat speelt hierbij een belangrijke rol.
De combinatie van endocytose en exocytose komt onder andere voor
in de darmwand. Stoffen uit het voedsel worden dan door middel van
endocytose in de cellen van de darmwand opgenomen en daarna door
exocytose afgegeven aan de bloedvaten of de lymfevaten (zie hoofdstuk 10).
1.7
Celdeling
Het menselijk lichaam ontwikkelt zich door deling en groei vanuit de
zygote (bevruchte eicel). Bij deling van een cel ontstaan dochtercellen
die vrijwel identiek zijn aan de moedercel. Iedere celdeling wordt
voorafgegaan door een kerndeling.
Bij zich delende cellen wordt een celcyclus onderscheiden die in twee
stadia wordt onderverdeeld, namelijk de mitose en de interfase.
BSL - ALG_A4_1KMM - 0000
040
1 Cellen en weefsels
41
dubbele
glad
endoplasmatisch
kernmembraan
reticulum
ruw
endoplasmatisch
golgi-complex
reticulum
celmembraan
Afbeelding 1.7 Schematische
voorstelling van de vorming van
een eiwit en afgifte door middel
van exocytose.
porie
kern
exocytose
mRNAtransport
eiwittransport
vesikelvorming
endocytose
eiwitsynthese
op te nemen deeltjes
1
2
3
golgi-complex
4
plasmamembraan
Afbeelding 1.8 Schematische
voorstelling van import, export en
transcellulair transport. In het
laatste geval bestaat er een combinatie van endo- en exocytose.
lysosoom
transcytose
synthese
plasmamembraan
exocytose
Mitose
Onder mitose wordt de celdeling verstaan, waarbij uit één cel twee
genetisch identieke dochtercellen ontstaan die hetzelfde aantal chromosomen bezitten als de moedercel. De mitose, ook wel somatische
celdeling of ‘gewone’ celdeling genoemd, duurt afhankelijk van het
celtype en milieuomstandigheden 1-2 uur.
Interfase
De interfase is het stadium tussen twee op elkaar volgende mitosen.
De chromosomen zijn dan langgerekte dunne draden: het chromatine. De duur van de interfase is erg variabel, afhankelijk van het
celtype en de milieuomstandigheden. Hij duurt in ieder geval vele
malen langer dan de mitose zelf, bijvoorbeeld dertig uur. Tijdens de
interfase vinden achtereenvolgens plaats: celgroei, verdubbeling (replicatie) van de chromosomen (zie ook hoofdstuk 12) en een directe
voorbereiding op de mitose. Tijdens de interfase zijn de chromosomen microscopisch niet waarneembaar in tegenstelling tot de chromosomen in de mitose (afbeelding 1.9).
BSL - ALG_A4_1KMM - 0000
041
42
Medische fysiologie en anatomie
Afbeelding 1.9 Microfoto (vergroting 55006) van de 46 chromosomen van de cellen van een
vrouw (metafase).
1.7.1
mitose
De mitose wordt globaal verdeeld in vier fasen (afbeelding 1.10).
Profase
Voorafgaand aan de profase hebben de draden van het chromatine
zich verdubbeld waarna chromosomen ontstaan. Hierin zijn de
langgerekte chromatinedraden gespiraliseerd (opgerold), waardoor
zij kort en dik worden en onder de microscoop te zien zijn. De beide
centrosomen (centriolen) komen verder van elkaar te liggen en begeven zich naar de polen. Het kernmembraan en de kernlichaampjes,
die tijdens de interfase nog wel zichtbaar zijn, verdwijnen.
Metafase
De chromosomen zijn inmiddels nog korter en dikker geworden. In
het cytoplasma is een spoelvormige figuur van fijne draden ontstaan,
de zogenaamde kernspoel. De chromosomen zijn inmiddels in het
midden van de cel, het equatorvlak, aangekomen. De beide chromatiden van een chromosoom zitten nog aan elkaar vast door middel van
het centromeer, een klein, nog ongedeeld lichaampje. Een gedeelte
van de spoeldraden (de trekdraden) is eraan bevestigd.
Anafase
De centromeren delen zich en de twee chromatiden van ieder chromosoom worden door de trekdraden naar de polen (centrosomen) getrokken. De zelfstandige chromatiden worden vanaf dit moment weer
chromosomen genoemd.
Telofase
Wanneer de chromosomen bij de polen zijn aangekomen, gaan ze
zich despiraliseren, waarbij ze weer lang, dun en steeds minder duidelijk worden. Rondom iedere pool wordt een kernmembraan gevormd en de kernlichaampjes worden weer zichtbaar. Er volgt dan
BSL - ALG_A4_1KMM - 0000
042
1 Cellen en weefsels
43
celmembraan
kernmembraan
kernlichaampje
centromeer
chromatine
chromosoom
(twee chromatiden)
centriolen
interfase
profase
pool
spoelfiguur
metafase
anafase
telofase
interfase
Afbeelding 1.10 Schema van de mitose en microfoto’s van profase, metafase en anafase.
een insnoering van het celmembraan ter hoogte van het equatorvlak,
waarbij het cytoplasma over de twee nieuwe cellen wordt verdeeld.
Na de telofase gaan veel cellen zich specialiseren waardoor ze nooit
meer aan een volgende celdeling toekomen.
Bij witte bloedcellen is een celdeling waargenomen waarbij het cytoplasma en de kern snel in tweeën worden gedeeld zonder dat er
chromosomen zichtbaar worden. De cel strekt zich hierbij uit tot een
halter die in het midden splijt. Dit wordt amitose genoemd. Ook degenererende of abnormale weefselcellen (tumorcellen) kunnen zich
soms amitotisch delen. Bij de amitose treedt waarschijnlijk geen
splitsing van chromosomen op.
1.7.2
meiose of reductiedeling
In de meeste cellen van het menselijk lichaam komen 23 paar chromosomen voor (afbeelding 1.11); dergelijke cellen worden diploı̈d genoemd. Dit is ook het geval bij de cellen waaruit de voortplantingscellen (gameten) ontstaan. De laatste celdelingen bij de vorming van
deze gameten geschieden anders dan bij de mitose. Deze worden
meiose of reductiedeling genoemd omdat bij deze celdelingen het aantal
chromosomen per nieuwgevormde kern met de helft wordt verminderd. De gameten hebben van ieder chromosomenpaar slechts de
BSL - ALG_A4_1KMM - 0000
043
44
Afbeelding 1.11a Karyogram
(‘chromosomenportret’) van een
vrouw.
Medische fysiologie en anatomie
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
Y
X
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
Y
X
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
Y
X
Afbeelding 1.11b Karyogram van
een man.
Afbeelding 1.11c Karyogram van
een downpatiënte.
helft. Deze cellen heten haploı̈d, wat wordt aangeduid met de letter n
(= 23). Wanneer de mannelijke en de vrouwelijke gameet met elkaar
versmelten, zal de kern van zygote weer het normale aantal chromosomen bevatten: diploı̈d (2n) = 23 paar. Door de meiose blijft dus het
aantal chromosomen bij de geslachtelijke voortplanting constant.
De meiose omvat twee delingsprocessen, kortweg meiose I en meiose
II genoemd (afbeelding 1.12).
Meiose I
Hierbij worden de volgende fasen onderscheiden.
Profase I
Deze duurt veel langer dan de profase in de mitose. De chromosomen
bestaan aanvankelijk ieder nog uit twee chromatiden zoals bij de
mitose. De homologe chromosomen (de twee op elkaar gelijkende chromosomen van één paar) gaan naar elkaar toe en gaan ‘paren’, waarbij
BSL - ALG_A4_1KMM - 0000
044
1 Cellen en weefsels
45
celmembraan
centromeer
chromatide
profase l
metafase l
anafase l
telofase l
anafase ll
telofase ll
Afbeelding 1.12 Meiose. In de afbeeldingen zijn voor de duidelijkheid slechts drie paar chromosomen weergegeven.
Profase II en metafase II zijn niet afgebeeld.
ze korter en dikker worden. Op dat moment vindt er uitwisseling van
genen (stukjes DNA) plaats tussen deze twee homologe chromosomen. Hierdoor ontstaan steeds nieuwe combinaties van eigenschappen, waardoor het aantal mogelijke verschillende nakomelingen
enorm wordt uitgebreid. Dit proces wordt ‘crossing-over’ genoemd.
Daarna beginnen de homologe chromosomen elkaar af te stoten; op
bepaalde plaatsen blijven ze echter nog bij elkaar: de chiasmata. De
chromosomen worden nog korter; kernmembraan en kernlichaampjes verdwijnen en de kernspoel wordt zichtbaar.
Metafase I
De chromosomen rangschikken zich in het equatorvlak; de centromeren delen zich niet.
Anafase I
De scheiding van de homologe chromosomen wordt nu voltooid; de
chromosomen, ieder bestaande uit twee chromatiden, begeven zich
naar de polen.
Telofase I
De chromosomen komen bij de polen. Er wordt een kernmembraan
gevormd en tevens een celmembraan, waardoor er twee cellen zijn
ontstaan.
De kernen hebben ieder slechts de helft van het aantal chromosomen
van de moedercel waaruit ze zijn ontstaan. In de meiose I vindt dus de
reductie van het aantal chromosomen plaats.
BSL - ALG_A4_1KMM - 0000
045
46
Medische fysiologie en anatomie
Intermezzo 1.5 Het syndroom van Down
Ongeveer 95% van de mensen met het syndroom van Down heeft
een trisomie 21. Dit wil zeggen dat er van het chromosoom 21
drie in plaats van twee exemplaren in de lichaamscellen voorkomen. Dit is het gevolg van non-disjunctie tijdens (meestal de
eerste) meiotische deling. Hierbij gaan tijdens de vorming van de
ei- of zaadcel de twee exemplaren van chromosomenpaar 21 niet
uit elkaar, maar gaan beide chromosomen naar één dochtercel,
die dan 24 chromosomen heeft. De lichaamscellen die na de
bevruchting uit de bevruchte eicel ontstaan, hebben dan steeds
drie exemplaren van chromosoom 21 (zie afbeelding 1.11c). De
eigenlijke oorzaak van de non-disjunctie is niet bekend, maar de
afwijking komt vaker voor in eicellen bij vrouwen ouder dan 37
jaar. Waarschijnlijk speelt ook de leeftijd van de vader een rol. De
non-disjunctie vindt in 80% van de gevallen plaats tijdens de
oögenese (vorming van eicellen) en in ongeveer 20% tijdens de
spermatogenese (vorming van zaadcellen).
Meiose II
Deze deling kan beschouwd worden als een gewone deling (mitose),
maar dan uitgaande van een cel met half zoveel chromosomen als
normaal. Er wordt een nieuwe spoelfiguur gevormd die loodrecht op
de eerste staat. De centromeren delen zich nu, waardoor de chromatiden, die nu weer chromosomen genoemd worden, zich naar de
polen begeven. Na afloop van meiose I en II zijn er vier kernen ontstaan, de zogenaamde tetradefiguur. Iedere kern is haploı̈d. Als het
cytoplasma zich heeft gedeeld zijn er, na differentiatie, vier individuele gameten ontstaan. Bij de spermatogenese (vorming van zaadcellen) levert iedere moedercel vier functionele zaadcellen (zie afbeelding 12.11). Bij de oögenese (vorming van eicellen) blijft er echter
slechts één functionele eicel over die zeer veel cytoplasma (reservevoedsel) bevat. Gedurende de meiose I krijgt een van de dochterkernen vrijwel al het cytoplasma, terwijl de andere kern als zogenaamd
poollichaampje degenereert. Gedurende de meiose II worden opnieuw twee poollichaampjes gevormd, waardoor uiteindelijk één
grote eicel overblijft (zie afbeelding 12.3). Bij de vrouw begint de
eerste meiotische deling al voor de geboorte. Deze stopt echter na de
profase. Deze wordt pas weer vervolgd na de puberteit, waarbij tijdens
iedere cyclus een of enkele oöcyten meiose I afmaken. Deze wordt
dan direct gevolgd door meiose II. Bij de man start de meiose pas bij
de puberteit, deze gaat daarna het gehele leven door.
In afbeelding 1.13 is een schematisch overzicht van de mitose en de
meiose weergegeven.
Bij de conceptie ontstaat de bevruchte eicel (zygote). Deze is te beschouwen als de eerste moedercel en ontwikkelt zich door een reeks
klievingsdelingen tot een pre-embryo van 64 cellen. Hieruit ontstaat
BSL - ALG_A4_1KMM - 0000
046
1 Cellen en weefsels
47
onder andere een embryoblast van enkele cellen. Deze vormt de oorsprong van de embryonale stamcellen.
2n
2n
2n
mitose
n
n
n
n
n
n
2n
meiose l
meiose ll
Afbeelding 1.13 Schematisch
overzicht van mitose en meiose.
Mitose: uitgaande van een
diploı̈de cel (2n) ontstaan er twee
diploı̈de cellen.
Meiose: bij de meiose I wordt het
aantal chromosomen gereduceerd
tot de helft (n), waarna de meiose
II volgt, te vergelijken met een
mitose: het aantal chromosomen
blijft gelijk. Het eindresultaat is
4 haploı̈de gameten (voortplantingscellen).
Intermezzo 1.6 Stamcellen
Stamcellen zijn cellen die zich onbeperkt kunnen delen. Alle
cellen ontstaan door deling uit een moedercel. De eerste moedercel is de zygote. Deze cel is totipotent. De eerste uren na de
bevruchting deelt deze cel zich nog een aantal keren, waardoor
meerdere totipotente stamcellen ontstaan, dat wil zeggen dat elk
van deze cellen de mogelijkheid heeft om uit te groeien tot een
foetus.
Na ongeveer vier dagen ontstaat de blastocyste (kiemblaasje),
een met vocht gevuld blaasje. Uit de buitenste laag hiervan ontwikkelt zich onder andere de placenta. De binnenste celmassa is
pluripotent, dat wil zeggen dat uit deze cellen zich vele andere
verschillende soorten cellen kunnen ontwikkelen, echter niet alle
celtypen die nodig zijn voor de ontwikkeling van een foetus.
De pluripotente stamcellen specialiseren zich vervolgens tot
multipotente stamcellen. Op die manier ontstaan uit de multipotente hemopoëtische stamcellen, de erytrocyten, trombocyten
en leukocyten (rode bloedcellen, bloedplaatjes en witte bloedcellen).
Celpopulaties
Er worden drie soorten celpopulaties onderscheiden:
statische celpopulaties; de cellen hiervan kunnen zich niet meer
delen; wanneer deze weefsels beschadigd worden kunnen ze
slechts hersteld worden door vervanging van deze cellen door
andere typen cellen, zoals bindweefselcellen. Voorbeelden van
deze populaties zijn cellen van zenuw- en spierweefsel;
stabiele celpopulaties; deze vormen bijvoorbeeld het hoofdbestanddeel van de lever; de cellen delen zich wanneer vervanging nodig is na beschadiging of ziekte;
vernieuwende celpopulaties; deze zijn met name aanwezig in de
huid, het darmslijmvlies en bloedvormende weefsels; deze
.
.
.
BSL - ALG_A4_1KMM - 0000
047
48
Medische fysiologie en anatomie
cellen blijven zich voortdurend delen omdat ze steeds vervangen moeten worden wegens slijtage van de oppervlakkige laag
of als gevolg van een korte levensduur.
In de vernieuwende populaties zijn de moedercellen, stamcellen
geheten, minder ver ontwikkeld dan de dochtercellen. Deze
dochtercellen delen zich na rijping niet meer, maar de stamcellen kunnen zich onbeperkt delen. Stamcellen worden gekenmerkt door het feit dat wanneer ze zich delen ten minste een van
de twee ontstane dochtercellen hetzelfde primitieve karakter
heeft als dat van de oorspronkelijke oudercel, terwijl de andere
dochtercel een meer gespecialiseerd celtype kan worden. Primitief wil in dit verband zeggen dat ze aan het begin van de
ontwikkeling staan. Stamcellen zijn dus zowel in staat zichzelf
te vermeerderen en zo meer stamcellen te produceren als
dochtercellen te produceren die zich verder kunnen specialiseren tot bijvoorbeeld bloed-, spier- of hersencellen.
Pluripotente stamcellen
Humane pluripotente stamcellen kunnen geı̈soleerd worden uit
de binnenste celmassa van de blastocyste (een vroeg ontwikkelingsstadium van het embryo). Deze embryonale stamcellen
worden gewonnen uit pre-implantatie-embryo’s, de zogenaamde
restembryo’s, die overgebleven zijn bij de ivf-behandeling (invitrofertilisatie of ‘reageerbuisbevruchting’).
De Embryowet biedt in Nederland de mogelijkheid om nieuwe
embryonale stamcellijnen te isoleren uit bestaande restembryo’s
die overblijven na ivf. Het is niet toegestaan om embryo‘s speciaal voor dit doel te creëren.
Pluripotente stamcellen kunnen ook verkregen worden door
somatische celkerntransplantatie. Uit een eicel wordt de kern
verwijderd. Vervolgens wordt een somatische cel bij de eicel
gebracht en worden de twee gefuseerd. Na de fusie ontstaat een
totipotente stamcel. Na een aantal delingscycli ontstaat de blastocyste. In de binnenste celmassa bevinden zich de pluripotente
stamcellen. Uit proefdieronderzoek is gebleken dat het embryo
dat uit een dergelijke celkernvervanging ontstaat, vaak abnormaal is doordat de kern van een bevruchte eicel verschilt van een
ingebrachte kern van een somatische cel.
Embryo’s die na celkernvervanging ontstaan, mogen volgens de
Embryowet niet in de uterus teruggeplaatst worden wegens de
grote kans op kinderen met ernstige aangeboren afwijkingen.
Celtherapie
Onderzoek met humane pluripotente stamcellen heeft geleid tot
de mogelijkheid van celtherapie. Veel aandoeningen zijn het
gevolg van een verstoorde celfunctie of beschadigde weefsels.
Pluripotente stamcellen kunnen, als ze aangezet worden tot
specifieke celspecialisatie, een bron zijn van de te vervangen
BSL - ALG_A4_1KMM - 0000
048
1 Cellen en weefsels
49
cellen bij bijvoorbeeld de ziekte van Parkinson, Alzheimer, diabetes mellitus, dwarslaesie en hartziekten.
Onderzoek van de laatste jaren op het gebied van stamcellen
heeft aangetoond dat het mogelijk is om nieuwe hartspiercellen
(cardiomyocyten) en bloedvatcellen (endotheelcellen en gladde
spiercellen) te verkrijgen uit stamcellen die uit het beenmerg
afkomstig zijn. Bij experimenten is het gelukt om stamcellen te
laten ontwikkelen tot cardiomyocyten.
Proefdieronderzoek heeft aangetoond dat gezonde hartspiercellen getransplanteerd in het hart met succes het hartweefsel vervangen.
Bij patiënten met de ziekte van Parkinson is celtherapie voor het
eerst toegepast. De getransplanteerde zenuwcellen zijn afkomstig van menselijke foetussen. Een groot probleem hierbij is dat
er vijf à tien foetussen nodig zijn om te beschikken over voldoende cellen voor één enkele transplantatie. De foetussen zijn
afkomstig van abortus en slechts in zeer beperkte mate
beschikbaar. Sinds 1996 wordt er ook onderzoek gedaan met
foetale varkenscellen (xenotransplantatie; xenos = vreemd).
Maar ook hierbij zijn de nodige bedenkingen.
Recent onderzoek heeft aangetoond dat nieuwe zenuwcellen ook
in volwassen hersenen worden aangemaakt. Deze nieuwvorming
is beperkt tot bepaalde plaatsen en bescheiden van omvang. Voor
het herstel van grotere beschadigingen lijkt dit proces onvoldoende. Er zijn drie plaatsen bekend waar nieuwe zenuwcellen
worden gemaakt: in het reukorgaan, in de reukkern van de hersenen en in de hippocampus (gelegen tussen de grote hersenen
en de hersenstam; zie paragraaf 6.14.3). Het is gelukt om voorlopercellen uit het neusslijmvlies te kweken, waardoor de
mogelijkheid ontstaat om grote hoeveelheden zenuwcellen te
produceren.
1.8
Celcyclus
In de voorafgaande paragrafen is beschreven hoe cellen zich kunnen
delen en hoe cellen zich kunnen specialiseren tot een groot aantal
verschillende typen. Afhankelijk van het type cel varieert de levenscyclus van een cel van enkele dagen tot levenslang.
1.8.1
celdood
Het leven van een cel kan op twee manieren eindigen, namelijk door
beschadiging en van nature. Cellen kunnen beschadigd worden door
agentia (invloeden) die de cellen rechtstreeks aantasten, bijvoorbeeld
micro-organismen (zoals bacteriën en virussen), toxinen (gifstoffen)
en chemisch actieve stoffen. Ook een indirecte inwerking, zoals een
tekort aan zuurstof of voedingsstoffen en een ophoping van afvalstoffen, kan een vervroegde celdood veroorzaken. Dit wordt necrose
(celversterf ) genoemd. Een cel kan ook uit zichzelf degenereren en
BSL - ALG_A4_1KMM - 0000
049
50
Medische fysiologie en anatomie
ten slotte afsterven. Dit gebeurt onder invloed van bepaalde genen,
wanneer een vermindering van het aantal cellen gewenst is. Dit heet
geprogrammeerde celdood of apoptose. Elke cel heeft in de mitochondriën een aantal eiwitten die een pre-apoptotische werking hebben. Wanneer de cel voldoende stimulerende signalen van andere
cellen krijgt blijven deze eiwitten inactief. Wanneer deze signalen
verdwijnen treedt een aantal reacties op. Het begint met het omzetten
van de pre-apoptotische eiwitten tot eiwitsplitsende enzymen. Deze
enzymen tasten verschillende celorganellen aan, waardoor de cel uiteenvalt in brokstukjes (apoptic bodies). Deze worden door andere
cellen gefagocyteerd en door lysosomen verteerd. Hierbij komen in
tegenstelling tot bij necrose geen afvalstoffen vrij, waardoor er ook
geen sprake kan zijn van ontstekingsreacties. Apoptose is een normaal verschijnsel, waarbij overbodige cellen worden opgeruimd.
1.8.2
groei
Bij de celcyclus treedt een aantal opeenvolgende processen op dat
goed geprogrammeerd moet worden. Het desbetreffende weefsel of
orgaan moet zijn normale grootte en vorm behouden. Wanneer een
orgaan in volume afneemt, wordt gesproken van hypotrofie of atrofie.
Wanneer een orgaan te sterk vergroot is, kan dit veroorzaakt worden
door hyperplasie (een toename van het aantal cellen) en door hypertrofie (een vergroting van het celvolume).
Er moet een evenwicht bestaan tussen groeibevorderende en groeiremmende factoren. Deze factoren kunnen door de cel zelf worden
geproduceerd (intracellulaire sturing) of ze worden van buitenaf toegevoegd (extracellulaire sturing). De intracellulaire sturing vindt
plaats via een complex van eiwitten die samen de celcyclus regelen.
Genen die groei en deling stimuleren worden proto-oncogenen genoemd. Deze naamgeving berust op een mogelijke samenhang met
het ontstaan van kanker. Een tumorverwekkend gen wordt een oncogen genoemd (zie hoofdstuk 13). Tumorsuppressorgenen zijn dan
ook genen die groei en deling onderdrukken, afremmen. De extracellulaire sturing vindt plaats door groeistimulerende eiwitten
(groeifactoren) die zich hechten aan het celmembraan en van daaruit
de vorming van bepaalde activatoren tot stand brengen. Groeifactoren
kunnen zowel op lokaal niveau door buurcellen worden gemaakt als
afkomstig zijn van andere organen en via het bloed worden verspreid
(hormonen). Dit is bijvoorbeeld belangrijk bij het vormen van nieuwe
weefsels bij genezing na een verwonding. Wanneer de cellen weer
voldoende verbinding met elkaar maken, neemt de productie van
groeifactoren af.
1.8.3
veroudering
De veroudering berust niet op een mechanisme. Het is een gevolg van
een geleidelijke verandering in de stofwisseling op moleculair en cellulair niveau. Bij zich delende cellen (bijvoorbeeld huid of beenmerg) is
apoptose (geprogrammeerde celdood) een normaal verschijnsel. Door
zich te delen voorkomen deze cellen dat zij ouder worden. Het maximaal aantal delingen per cel (de hayflicklimiet genoemd) is echter be-
BSL - ALG_A4_1KMM - 0000
050
1 Cellen en weefsels
51
perkt (gemiddeld ongeveer vijftig). Onder normale omstandigheden
speelt dit echter nauwelijks een rol. Zo is de maximumleeftijd die met
deze limiet voor de mens kan worden berekend 122 jaar. Men denkt dat
deze limiet berust op het bij iedere deling korter worden van de uiteinden van de chromosomen (de telomeren). Het enzym telomerase,
dat nodig is voor de verlenging van de telomeren, komt alleen voor in
de kiemcellen. Op een gegeven moment zijn de telomeren zo kort
geworden dat de celdeling ophoudt.
Langlevende cellen (zenuwcellen, (hart)spiercellen) zijn cellen die,
eenmaal aangelegd, zich niet meer kunnen delen. Hun totaal aantal
staat vast vanaf de kinderleeftijd.
In cellen (lang- en kortlevend) vindt voortdurend opbouw en afbraak
plaats van celorganellen en celbestanddelen. Op hoge leeftijd is de
afbraak sterker dan de opbouw met als gevolg verlies van celfunctie.
Intermezzo 1.7 Voeding
Uit onderzoek is gebleken dat de voedingshoeveelheid en
-samenstelling grote invloed hebben op de verouderingspathologie en de levensduur. Het verband tussen voeding en veroudering blijkt het duidelijkst uit het effect van caloriebeperking. Het
is vastgesteld dat de gemiddelde en vermoedelijk maximale
levensduur van ratten en muizen met bijna 40% wordt verlengd,
wanneer de dagelijkse voedselinname 40-60% lager is dan de
normale calorie-inname. Wel moeten voldoende vitaminen,
mineralen, essentiële aminozuren en vetzuren in de voeding
aanwezig zijn. Behalve een verlenging van de levensduur werd
ook een vermindering van het aantal kwaadaardige tumoren bij
oudere dieren gevonden.
Sirtuı̈ne of SIRT is de benaming voor ‘silent information regulator’. Het zijn eiwitten die bijdragen aan de regulatie van het
aflezen van bepaalde stukken van het DNA. Ze spelen een rol bij
het onderdrukken van genen.
Er zijn aanwijzingen dat de sirtuı̈nen en met name SIRT 1 een rol
spelen bij veroudering en diabetes mellitus II. Caloriebeperking
bewerkstelligt de activatie van het SIRT-1-gen. Geactiveerd SIRT
1 zorgt ervoor dat energie direct gebruikt wordt en niet in vetcellen wordt opgeslagen. Ook gaan de mitochondriën beter
functioneren.
Resveratrol, een stof die voorkomt in bepaalde planten, pindanoten en in de schil van de rode druif, is een krachtige stimulator
van SIRT 1. Wanneer muizen resveratrol in hun eten krijgen,
wordt de groei van kankercellen geremd. Bovendien verlengt
resveratrol het leven van elk organisme waar het op is getest
(gist, rondwormen, vliegen en vissen).
Consumptie van resveratrol via druivensap of rode wijn zou volgens sommige onderzoekers het calorieverbruik stimuleren en de
kans op maligne aandoeningen en atherosclerose verminderen.
BSL - ALG_A4_1KMM - 0000
051