Forord 13. indledning 15. 1 Cellen 17

Indhold Forord 13 indledning 15 1 Cellen 17 Fra celle til menneske 17 Menneskets væskefaser 18 Transportsystemer i kroppen 18 Cellen 19 Cellemembranen 19 Cytoskelettet 21 Cellekernen 22 Cellens organeller 22 Sammenbinding af celler 25 Transport af stoffer 26 Transport over cellemembranen 27 Transport af vand over membranen 31 Proteinsyntesen 35 Test dig selv 38 2 Nervesystemet 41 Det centrale og det perifere nervesystem 41 Nervevævet 43 Nerveceller 43 Gliaceller 47 Nervecellens funktion 48 Hvilemembranpotentialet 49 Aktionspotentialet 54 Synapsen overførsel af signal fra nervecelle til nervecelle 59 Spatial og temporal summation 61 Præsynaptisk synapse 62 Forbindelsestyper mellem nerveceller 64 Konvergens, divergens 64 Menneskets fysiologi.indd 5 02-08-2011 08:18:15

Negativ feedback 64 Test dig selv 65 Sanser 66 Inddeling af sanseceller 66 Generatorpotentiale 66 Signaloverførsel fra sansecelle til sensorisk nervecelle 68 Ændring i aktiviteten i nervesystemet når en sansecelle irriteres kraftigere 69 Eksteroceptorerne 69 Hudsanserne 69 Synssansen 73 Høresansen 79 Lugtesansen 83 Smagssansen 83 Test dig selv 84 Opbygningen af centralnervesystemet 85 Rygmarven (medulla spinalis) 85 Hjernen (encephalon) 88 Hjernestammen 88 Lillehjernen (cerebellum) 90 Mellemhjernen (diencephalon) 90 Storhjernen (telencephalon) 90 Ventrikelsystemet 92 Sensoriske baner og centre i CNS 94 Opfattelse af sensoriske informationer 98 Smerte 100 Receptorer 100 Afferente neuroner og det sensoriske forløb i CNS 101 Gate control-teorien 101 Motorisk funktion 105 Motoriske baner og centre i CNS 106 Det direkte aktiveringssystem pyramidebanesystemet 107 Det indirekte aktiveringssystem 109 Test dig selv 114 Reflekser der påvirker muskeltonus 115 Hvad er en refleks? 115 Proprioceptive reflekser 117 Myotatiske refleks muskelten 117 Muskeltenens opbygning og funktion 118 Antimyotatiske refleks senetenen 123 Reflekser fra led ledreceptorer 126 6 indhold Menneskets fysiologi.indd 6 02-08-2011 08:18:15

Labyrintsanserne 127 Eksteroceptive reflekser 129 Fleksorrefleksen 129 Ekstensorrefleksen 130 Andre medfødte kutane reflekser 130 Test dig selv 130 Neuromuskulær kontrol 131 Den stående stilling 131 Postural stabilitet 133 Koordinering af kendte og ukendte bevægelser 133 Kendte bevægelser 133 Nye bevægelser 135 Test dig selv 137 Det autonome nervesystem 137 Perifere del af sympaticus 139 Perifere del af parasympaticus 140 Virkningen af det autonome nervesystem 140 Reguleringen af aktiviteten i det autonome nervesystem 143 Test dig selv 144 3 Hormoner 147 Kommunikationsformer 147 De endokrine kirtler 149 Hormonproduktion uden for de endokrine kirtler 149 Kemisk opbygning og virkemåde af hormonerne 151 Steroidhormoner 152 Peptidhormoner 153 Tyrosinhormoner 155 Forhold af betydning for hormonernes virkning 156 Regulering af hormonsekretionen 156 Hypofysen 158 Forlappen 159 Baglappen 161 Skjoldbruskkirtlen 161 Biskjoldbruskkirtlerne 162 De langerhanske øer i bugspytkirtlen 163 Binyrerne 164 Kønshormoner 167 Kønsorganernes funktion 168 Test dig selv 170 indhold 7 Menneskets fysiologi.indd 7 02-08-2011 08:18:15

4 Musklerne 173 Skeletmusklerne 173 Muskelbygning 173 Muskelfiberens bygning 175 Muskelfiberens kontraktion 178 Irritation-kontraktion 182 Irritationsprocessen 183 Muskelfiberens mekaniske reaktion 185 Isometrisk kontraktion 186 Dynamisk kontraktion 191 Isometrisk og dynamisk kontraktion 194 Muskelfiberens energistofskifte 195 Muskelfibertyper 195 Naturlige muskelkontraktioner 197 Glatte muskler 201 Kontraktion af glat muskulatur 201 Aktivering af glat muskulatur 203 Test dig selv 204 5 Stofskifte og ernæring 207 Energi 207 Anaerob resyntese af ATP 210 Aerob resyntese af ATP 211 Test dig selv 214 Næringsstofferne og deres fordøjelse 214 Fordøjelseskanalens bygning og funktion 214 Mundhulen 217 Maven 219 Tarmen 221 Kulhydrater 224 Opbygning 224 Fordøjelse og opsugning 225 Fedtstoffer 226 Opbygning 226 Fordøjelse og opsugning 227 Andre fedtstoffer 230 Proteiner 231 Opbygning 231 Fordøjelse og opsugning 233 Test dig selv 234 8 indhold Menneskets fysiologi.indd 8 02-08-2011 08:18:15

Næringsstoffernes omsætning og aflejring 234 Kulhydrater 235 Blodsukkerregulering 236 Fedtstoffer 240 Proteiner 243 Test dig selv 244 Energistofskiftet 244 Bestemmelse af energistofskiftets størrelse 245 Fødeindtagelsen 245 Kalorimetri 246 Iltoptagelseshastigheden 248 Energistofskiftet i hvile 253 Energistofskiftet under muskelarbejde 255 Energistofskiftets afhængighed af arbejdets størrelse og art 255 Den mekaniske nyttevirkning under muskelarbejde 263 Energikilder ved muskelarbejde 268 Test dig selv 276 Ernæring 277 Energibehovet 277 Appetitregulering 278 Vitaminer 284 Salte og mineraler 286 Test dig selv 288 6 Temperaturregulering 289 Varmebalancen 289 Varmeafgivelse 290 Varmeproduktion 291 Reguleringen af legemstemperaturen 292 Kerne og skal 292 Døgnrytme 292 Temperaturreguleringen i hvile 293 Kulde 294 Varme 296 Feber 296 Temperaturregulering under muskelarbejde 297 Opvarmning 299 Akklimatisering til varme 300 Grænser for reguleringsområdet 301 Varmeudmattelse og hedeslag 302 Test dig selv 303 indhold 9 Menneskets fysiologi.indd 9 02-08-2011 08:18:15

7 Åndedrættet 305 Åndedrætsorganernes opbygning 305 Åndedrætsbevægelser 309 Inspiration 309 Eksspiration 312 Lungerumfang 312 Dynamiske lungefunktionsmålinger 314 FEV 1,0 314 Peak flow 314 Åndedrætsmekanik 315 Lunge-thorax-systemets elastiske ligevægtsstilling 315 Inspiration 316 Eksspiration 317 Lunge-thorax-systemets eftergivelighed 319 Overfladespændingen i lungealveolerne 322 Åndedrætsarbejde 323 Lungeventilation 324 Lungeventilationen i hvile 324 Lungeventilationen under dynamisk arbejde 325 Alveoleluftens sammensætning 328 O 2 - og CO 2 -transport i blodet 329 O 2 - og CO 2 -tryk i blodet 329 Fysisk opløst O 2 og CO 2 329 Kemisk bundet O 2 i blodet 331 Kemisk bundet CO 2 i blodet 336 Alveolo-arterielle O 2 -tryksgradient 339 Alveolo-arterielle CO 2 -tryksgradient 342 Åndedrætsregulering 343 Hvile 343 Åndedrætsreguleringen under dynamisk arbejde 346 Test dig selv 347 8 Kredsløbet 349 Blodet 349 Blodlegemer 351 Plasma 352 Lymfe og lymfesystemet 353 Hjertets opbygning og funktion 354 Hjertemuskulatur 357 Hjertets automati 357 Elektrokardiogram (ekg) 360 Hjertecyklus 361 Minutvolumen 362 10 indhold Menneskets fysiologi.indd 10 02-08-2011 08:18:15

Karrenes opbygning og funktion 364 Arterier 365 Arterioler 366 Kapillærer 367 Venoler/vener 368 Blodets strømningshastighed 370 Fordeling af minutvolumen i hvile 371 Det systemiske kredsløb 371 Lungekredsløbet 373 Iltafgivelse fra blodet udnytning 373 Blodtryk 373 Måling af blodtrykket 375 Regulering af blodtrykket 376 Kredsløbet i den stående stilling 379 Hydrostatisk tryk 379 Ødemer 384 Dannelse af ødemer 384 Fjernelse af ødemer 386 Kredsløbet under dynamisk arbejde 387 Pulsfrekvens og slagvolumen 387 Fordeling af minutvolumen og udnytning 392 Blodtrykket under dynamisk arbejde 393 Reguleringen af kredsløbet under dynamisk arbejde 394 Kredsløbet under statisk arbejde 395 Test dig selv 397 9 Vand- og saltbalancen 399 Kroppens vandindhold 399 Kroppens væskefaser og vandbalance 399 Salte og elektrolytbalance 401 Regulering af vand- og saltbalancen 402 Vandindtagelse 402 Vandudskillelse 402 Saltudskillelse 403 Nyrernes bygning 404 Nyrernes funktion 408 Processer i den bowmanske kapsel 409 Processer i de proksimale tubuli 410 Processer i Henles slynge 411 Processer i de distale tubuli og samlerørene 412 Nyrefunktionernes regulering 414 Regulering af GFR 414 indhold 11 Menneskets fysiologi.indd 11 02-08-2011 08:18:15

Regulering af processer i de distale tubuli og samlerør 415 Test dig selv 418 tillæg, Enheder 419 tillæg, Kemi 423 Atomer 423 Kemiske bindinger 424 Ionbindinger 424 Covalente bindinger 427 Polære og upolære molekyler 427 Opløsninger 428 Opløsningens koncentration 430 Osmolaritet 431 Syrer og baser 431 Syrestyrke 431 Stødpuder 432 Kemisk ligevægt 432 Enzymer 433 Forkortelser 435 stikordsregister 439 12 indhold Menneskets fysiologi.indd 12 02-08-2011 08:18:15

Forord Denne bog dækker hele menneskets fysiologi, og som noget særligt beskriver den fysiologien både i hvile og under fysisk aktivitet. Vi har tilstræbt at gøre bogens tekst så forståelig som mulig uden at gå på akkord med det faglige indhold. Dette er 3. udgave af Menneskets fysiologi hvile og arbejde. Den afløser 2. udgave, som siden 2005 (første udgave fra 1992) har været lærebog for bl.a. fysioterapeuter, ergoterapeuter, afspændingspædagoger samt idræts- og biologistuderende. Bogens grundidé er bevaret, og da gennemgangen af stoffet stadig er baseret på forståelse og ikke udenadslære, vil det være nemmest at læse bogens kapitler i den rækkefølge, de er skrevet. Teksten i de forskellige kapitler er bragt i overensstemmelse med nyere forskningsresultater. Endvidere er kapitlet om celler udvidet med området cytoskelettet og mekanotransduktion. I Nervesystemet er gliacellers funktion uddybet, og der er indført nyeste viden om spejlneuroner. Betydningen af mentalt stress diskuteres dels i forbindelse med det limbiske system i Nervesystemet og gennemgås i detaljer i boks i kapitlet Hormoner. De fysiologiske konsekvenser af nedsat fysisk aktivitet belyses via gennemgang af muskelen som en kirtel, det metaboliske syndrom, og livsstilssygdomme. Inden for stofskifte og ernæringsområdet er indført viden om frie radikaler og betydningen af antioxidanter samt forskellige fedtsyrer. Endelig er det tidligere kapitel 6:»Varmebalance og temperaturregulering«omskrevet. Vi vil gerne takke alle de mange brugere, der i årenes løb har bidraget med konstruktiv kritik både faglig og pædagogisk. De mange positive tilbagemeldinger har givet os lyst og energi til atter engang at opdatere bogen med ny viden. Ligesom ved tilblivelsen af 1. og 2. udgave ønsker vi med denne 3. udgave læserne god fornøjelse med sætningen:»jo mere man ved, jo mere ved man, man ikke ved«. Juli 2011 Forfatterne Bente Schibye og Klaus Klausen 13 Menneskets fysiologi.indd 13 02-08-2011 08:18:15

Menneskets fysiologi.indd 14 02-08-2011 08:18:15

Indledning Forklaringer på fysiologiske reaktioner og fænomener, der synes logiske, er ikke nødvendigvis rigtige. Deres pålidelighed afhænger af de forsøgsdata, de bygger på, og med indførelsen af nye forsøgsteknikker og nyt apparatur kan forklaringerne ændres og modificeres. Denne bogs indhold er baseret på undersøgelser, der er foretaget efter en naturvidenskabelig forskningsmodel, hvor udgangspunktet er, at mennesket kan betragtes som en kompliceret maskine, hvis funktioner kan beskrives og forklares ud fra fysiske og kemiske love der gælder for større masser. Modellen giver således ikke plads til kræfter, der ikke følger disse love, og der er ikke medtaget betragtninger, der gælder for meget små masser, der følger kvantefysikkens love udformet af bl.a. Niels Bohr og Albert Einstein. Efterhånden som teknikken forbedres og forfines, kan flere og flere processer beskrives i detaljer på det molekylære og submolekylære plan, og mange fænomener kan, som følge heraf, forklares uhyre detaljeret. Når menneskets reaktioner betragtes i al deres kompleksitet, er det dog stadig svært (for ikke at sige umuligt) at give en udtømmende forklaring på dem. Hvorfor bliver fx nogle mennesker syge, når de arbejder med organiske opløsningsmidler, eller når de arbejder som syersker, og hvorfor bliver andre det ikke? - selv om de tilsyneladende udsættes for præcis den samme påvirkning? Hvorfor har viljen til at leve så stor betydning for, hvor længe man kan overleve en kræftsygdom? Og hvad er»vilje«i det hele taget for noget? Jo mere komplekse fænomenerne er, jo sværere er de at beskrive og forklare ud fra den naturvidenskabelige forskningsmodel. Når man beskriver fysiologiske reaktioner hos mennesket, er det vigtigt at slå fast, at der er tale om reaktioner hos et»gennemsnitsmenneske«(som sandsynligvis slet ikke eksisterer). Hvis man fx vil undersøge forskellige reaktioner under løb, får man sine informationer ved at foretage målinger på mange mennesker, der sættes til at løbe. Man vil så finde, at alle får en stigning i pulsfrekvensen, og hvis man skal angive hvor stor stigningen er, udregnes en gennemsnitlig stigning for hele forsøgsgruppen. Men stigningen i pulsfrekvensen kan være vidt forskellig fra den ene person til den anden. Hvis man ønsker at undersøge et mere komplekst fænomen, som fx hvordan den enkelte person bevæger sig under løb, så bliver det straks meget sværere. Har man set en flok løbere ved man, hvor forskelligt de bevæger sig. Hvis man alligevel ønsker at beskrive bevægelsesformen, gør man det ved at beskrive nogle fællestræk hos alle løbere (fx bruger de alle sammen deres benmuskulatur, og de har alle sammen en svævefase og en standfase under et 15 Menneskets fysiologi.indd 15 02-08-2011 08:18:15

løbeskridt osv.). Men det løb, man får beskrevet,indeholder på ingen måde den variation, man ser i løbestil. Så den generelle beskrivelse er altså her meget lidt dækkende for det enkelte individs løb. Der mangler meget i en beskrivelse, når man kun beskriver det, der kan genfindes hos alle. Endnu sværere bliver det, hvis man fx spørger personerne om, hvad de lagde mærke til under løbeturen, eller hvordan de syntes det var at løbe. Her vil»gennemsnitspersonen«vise sig at være fuldstændig ubrugelig til at lave beskrivelser ud fra. Det bør altså ud fra ovenstående være klart, at det kun er en del af sandheden om menneskets reaktioner, der gennemgås i denne bog. 16 Cellen Menneskets fysiologi.indd 16 02-08-2011 08:18:15

1 Cellen 17 Fra celle til menneske 19 Cellen 25 Sammenbinding af celler 26 Transport af stoffer 35 Proteinsyntesen Fra celle til menneske Den enkleste levende organisme består kun af én celle. Amøben er et eksempel på dette. Den består af en celle, der indeholder alle de elementer, som er nødvendige for at opretholde livet dér, hvor den lever. For at holde sig i live skal den kunne skaffe sig energi. Det kan den gøre ved at optage og nedbryde/forbrænde næringsstoffer. Til forbrændingen bruger cellen ilt (O 2 ), og den danner kuldioxid (CO 2 ). Cellen skal også kunne formere sig, og det kræver, at den kan danne specielle proteiner. Endvidere er det uhyre vigtigt, at cellen kan bevare en ganske bestemt sammensætning af cellevæsken. Det kræver, at den kan komme af med affaldsstoffer, og at cellevæggen (cellemembranen) kan hindre nogle stoffer i at komme ind i cellen og tillade andre stoffer at komme igennem. Amøbens ydre miljø er det vand, den bevæger sig rundt i. Det er herfra, den får O 2 og næring gennem sin cellemembran, og det er hertil, den afgiver CO 2 og affaldsstoffer. For at den skal kunne overleve, skal vandet, den lever i, have en sammensætning, så amøben kan bevare det indre miljø konstant (homeostase). Mennesket har de samme elementære behov som amøben. Men da vi består af trillioner af celler, har de enkelte celler ikke længere kontakt med omverdenen, men kontakt med den væske, som ligger lige uden for dem, dér hvor de er placeret i mennesket. Endvidere er cellerne i mennesket specialiserede, så de kan varetage forskellige funktioner. I fostertilstanden differentieres cellerne i fire hovedtyper 1) muskelceller, 2) nerveceller, 3) epitelceller og 4) bindevævsceller. Det karakteristiske for disse celletyper er, at muskelceller kan skabe bevægelse eller spænding, nerveceller kan danne elektriske impulser og videresende dem, epitelceller kan danne eller opsuge mange forskellige slags kemiske stoffer, og bindevævsceller har mange forskellige funktioner og kan, som navnet siger, bl.a. binde forskellige strukturer i kroppen sammen. Når mange celler af samme type ligger sammen, danner de væv, fx muskelvæv, nervevæv, epitelvæv og bindevæv. Epitelvæv dækker alle indre og 17 Menneskets fysiologi.indd 17 02-08-2011 08:18:15

ydre overflader (bl.a. af hud, lunger, tarm og blodkar) og er specialiseret til at beskytte og til at udskille eller optage stoffer. I epitelvæv ligger cellerne tæt sammen i modsætning til bindevæv, hvor der er langt mellem cellerne. Alle bindevævsceller udskiller proteiner, der ligger som et netværk uden for cellerne og danner det, der kaldes den ekstracellulære matrise. Alt efter strukturen af den ekstracellulære matrise deles bindvæv op i løst og fast bindevæv og i specialiserede bindevævstyper så som sener, bruskvæv, fedtvæv og knoglevæv (matrisen forkalket). Endelig består mennesket af mange organer og organsystemer. Et organ varetager bestemte funktioner. Eksempler på organer er nyrer, lever og muskler. Organerne indeholder oftest alle fire typer af væv. Mennesket har to styringssystemer til at regulere de forskellige organers funktioner og sikre et stabilt indre miljø (homeostase), nemlig nervesystemet og hormonsystemet (det endokrine system). Disse to systemer kan ændre på de forskellige cellers aktivitetsniveau, og den overordnede styring sker fra centralnervesystemet. Menneskets væskefaser For at de enkelte celler skal kunne leve, er det nødvendigt, at væsken, som ligger lige uden for cellerne, har den rigtige sammensætning. Mennesket består af ca. 60% væske. Ca. en tredjedel af væsken ligger uden for cellerne og kaldes ekstracellulærvæske. Denne kan opdeles i interstitielvæske, som ligger mellem cellerne i vævet, og plasma, som er væsken uden for blodlegemerne i blodbanen. Væsken inden i cellerne hedder intracellulærvæsken. Transportsystemer i kroppen Til energifrigørelsen skal der som omtalt bruges O 2 og næringsstoffer, og der skal fjernes CO 2 og evt. andre affaldsstoffer. O 2 findes i atmosfæreluften og kommer ind i kroppen ved, at vi trækker vejret, altså ved åndedrættet, og den transporteres fra lungerne til cellerne ved hjælp af kredsløbet. Her er O 2 bundet til hæmoglobinet i de røde blodlegemer, der flyder rundt i plasmaet i blodbanen. Hjertet og blodkarrene sørger for, at blodet transporteres hen til de celler, der har behov for det. Her afgives O 2 til interstitielvæsken og kommer derfra ind i cellen. Den dannede CO 2 forlader cellen og kommer via interstitielvæsken over i blodbanen, hvor den transporteres til lungerne og forlader kroppen med åndedrættet. Næringsstofferne skal først nedbrydes, før de kan komme hen til cellerne. De næringsstoffer, der er i føden, er nemlig oftest meget kompliceret opbygget og er for store til at kunne passere cellevæggene. I fordøjelseskanalen nedbrydes alle næringsstofferne til så små enheder, at de kan passere fra tarmsystemet over i blodbanen og blive transporteret med blodet til cellerne. Affaldsstofferne dannes hele tiden, og de føres med blodbanen væk fra cellerne. Herefter kan de omdannes i leveren eller udskilles fra kroppen gennem nyrerne. 18 Cellen Menneskets fysiologi.indd 18 02-08-2011 08:18:15

agranulært endoplasmatisk reticulum proteintråde mitokondrie fastsiddende ribosom kernelegeme Golgi-apparat cellemembran (plasmamembran) cytosol kernemembran lysosomer vesikel granulært endoplamatisk reticulum Figur 1.1. frie ribosomer Celle med de organeller, der findes i de fleste menneskeceller. Cellen Som omtalt i forrige afsnit findes der forskellige celletyper i kroppen (fire hovedtyper og mange undertyper). Alle celler har dog visse fællestræk, som vil blive gennemgået kort i det følgende. De fleste celler har en diameter på 10-20 µm (0,01-0,02 mm). Cellen består af protoplasma omgivet af en cellemembran (Fig. 1.1). Protoplasma kan opdeles i cellekerne og cytoplasma, som består af væske med forskellige små strukturer, organeller. Den væske, der ligger uden for såvel cellekerne som organeller, kaldes cytosol. Intracellulærvæsken angiver den samlede væske inden i cellerne, altså både den væske, der ligger i cellekernen, i organellerne og i cytosolen. (Cytoplasma eller intracellulærvæske bruges dog ofte lidt misvisende som betegnelse for cytosol). Cellemembranen Alle kroppens celler har yderst en cellemembran, plasmamembranen. Den sørger for, at cellens indre miljø, cytosolen, har en nogenlunde konstant sammensætning, som er forskellig fra sammensætningen uden for cellen, den ekstracellulære væske. Da alle celler i kroppen skal samarbejde, skal den Cellen 19 Menneskets fysiologi.indd 19 02-08-2011 08:18:17

glykolipid glykoprotein ekstracellulær væske proteiner fosfolipid kanal kolesterol cytosol protein Figur 1.2. Skematisk tegning af et lille stykkeaf cellemembranen (tværsnit). endvidere sikre, at cellen reagerer på udefra kommende informationer. For at gøre dette, må membranen kunne 1) kontrollere, hvad der passerer igennem den, og evt. påvirke transporthastigheder og retninger, være i stand til at 2) modtage informationer fra nervesystemet og hormonsystemet, 3) reagere på mekaniske påvirkninger 4) give cellen facon og 5) indgå i sammenbindinger af flere celler ved vævsdannelse. Opbygningen af membranen er vist på Fig. 1.2. Den består af et dobbelt fedtlag, hvori der indgår fosfolipid og kolesterol. Endvidere er der proteiner, som kan strække sig delvist eller hele vejen igennem det dobbelte fedtlag eller ligge uden på fedtlaget (på indersiden eller ydersiden af membranen). Fosfolipidmolekylet (Fig. 1.3) har en upolær del, der har fedtkarakter, en lipofil del, og en polær del, der har vandkarakter, en hydrofil del (jf. Tillæg: Kemi). Den upolære del vender ind mod midten af membranen, og den polære del vender ud mod vandfaserne (cytosol og den ekstracellulære væske). På denne måde er det muligt at have en membran med fedtkarakter liggende i vand. (Fedt og vand frastøder normalt hinanden). Vandopløselige molekyler og ioner bremses af fedtlaget, mens fedtopløselige stoffer kan passere igennem membranen (mere om dette i afsnittet: Transport af stoffer, side 26). En del af de proteiner og fedtmolekyler, som indgår i cellemembranen, har påhæftet et kulhydratmolekyle på den del, der vender ud mod ekstracellulærvæsken. Disse benævnes henholdsvis glykoproteiner og glykolipider (Fig. 1.2). Kulhydratermolekylerne danner en slags hinde uden om cellen, hvorved de kan 1) give cellen en negativ ladning, 2) binde celler sammen, idet kulhydraterne fra to naboceller knyttes til hinanden, og 3) binde sig til andre stoffer, fx hormoner (se senere). Membranproteinerne har mange forskellige funktioner. Fedtlaget i membranen er flydende, så det er de proteiner, der ligger på indersiden af fedtmembranen, der giver cellen facon. De proteiner, der går helt igennem membranen, 20 Cellen Menneskets fysiologi.indd 20 02-08-2011 08:18:18

Figur 1.3. polær ende H O to ikke polære fedtsyrekæder H C O C CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 (CH 2 ) n CH 3 O H C O C CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 CH 2 (CH 2 ) n CH 3 O CH 3 H C O P CH 2 CH 2 N+ CH 3 H O CH 3 polær ikke polær Fosfolipidmolekyle. danner kanaler eller virker som transportører for stoffer, der ikke kan passere direkte igennem fedtlaget (altså for de stoffer, der ikke er fedtopløselige). Andre proteiner, der sidder i membranen, virker som enzymer (katalysatorer), og endelig er der nogle proteiner, som er følsomme over for de kemiske stoffer, der kommer fra nervesystemet, og over for visse hormoner. Disse proteiner hedder receptorer, og ved at påvirke dem, kan man ændre på membranens egenskaber og cellens aktivitet. Endelig er der en hel klasse af molekyler kaldet integriner (Fig.1.4), der passerer gennem membranen og etablerer mekanisk kontakt mellem cytoskelettet (se nedenfor) og strukturer uden for cellen. Membranens kvalitet er bestemt af forholdet mellem kolesterol og fosfolipider og mængden af umættede og mættede fedtsyrer. Mellem 30 og 50% af fedtstoffet i membranen udgøres af kolesterolmolekylerne, som ligger mellem fosfolipidmolekylerne og»afstiver«membranen og sikrer det rette forhold mellem mobilitet og stabilitet. Jo større mængder kolesterol der er i membranen, des mindre flydende er den. Er mængden for lille, bliver membranen for flydende, og er mængden for stor, kan den evt. blive så stiv, at det hindrer proteinmolekylernes bevægelse. Fedtstofferne, der indgår i fosfolipiderne, kan være mættede eller umættede, og jo større andelen af umættede fedtsyrer er, jo mere flydende er membranen, hvilket kan øge membranens følsomhed for visse hormoner (fx insulin). Cytoskelettet Meget af cellens cytosol er fyldt med forskellige typer proteintråde, og meget af cellens vand og forskellige enzymer er bundet til disse proteintråde. Der er tre typer af proteintråde: a) Mikrotubuli der er stive og rørformede proteintråde, der spiller en stor rolle for cellens form. De udnyttes endvidere til at styre retningen af visse transportsystemer i cellen, b) Mikrofilamenter der er dannet af actin og er bøjelige proteintråde, der kan skabe bevægelse i cellen og endelig c) Intermediære filamenter, der giver cellerne mekanisk strækstyrke. Proteintrådene inde i cellen danner cellens skelet, cytoskelettet, Cellen 21 Menneskets fysiologi.indd 21 02-08-2011 08:18:18

Figur 1.4. Celle med cytoskelet og ekstracellulær matrise. og via integrinerne i cellemembranen etableres der mekanisk kontakt til ekstracellulær væsken, der også indeholder et netværk af proteintråde. På Fig. 1.4 vises en skematisk tegning af cellens cytoskelet, integrinerne og forbindelsen til ekstracellulær området, også kaldet den ekstracellulære matrise. På tegningen vises også hvordan cellekernen (se nedenfor) er forankret i cytoskelettet. Cellekernen De fleste celler indeholder én cellekerne, men bl.a. skeletmuskelceller indeholder mange cellekerner, og røde blodlegemer har ingen kerne. Cellekernen indeholder det genetiske arvemateriale i form af DNA (deoxyribonukleinsyre) i generne i kromosomerne (mere om dette side 35). Cellens organeller Ribosomer Ribosomerne er små organeller (Fig. 1.1 og 1.5), hvor der dannes proteiner ud fra»dna-opskriften«fra cellekernen. Ribosomerne kan ligge frit eller sidde på det endoplasmatiske reticulum (se side 23). Proteiner, der dannes i de fritliggende ribosomer, bliver i cellen og udøver deres funktion dér, mens proteiner, der dannes af de fastsiddende ribosomer, forlader cellen og bruges andre steder. Endoplasmatisk reticulum Inde i cellen er der et system af membraner, det endoplasmatiske reticulum (forkortes ER) (Fig. 1.1 og 1.5). På noget af ER sidder ribosomer. Denne type kaldes granulært ER og er udformet som tynde sække. De proteiner, der dannes i ribosomerne på dette,»pakkes«i det granulære ER og sendes via Golgi-apparatet (se nedenfor) ud af cellen. Hvis der ikke sidder nogen ribo- 22 Cellen Menneskets fysiologi.indd 22 02-08-2011 08:18:18

granulært endoplasmatisk reticulum ribosomer agranulært endoplasmatisk reticulum Figur 1.5. Skematisk tegning af granulært og agranulært endoplasmatisk reticulum. somer på ER, kaldes det for agranulært ER og er rørformet i sin opbygning. I muskelceller indeholder dette calcium-ioner (Ca++) og kaldes det sarcoplasmatiske reticulum. Golgi-apparat Golgi-apparatet er ligesom ER membransække. Det består af nogle lange sække, hvor der fra enderne afsnøres små runde sække, vesikler (Fig. 1.1 og 1.6). Golgi-apparatet modtager proteiner fra det granulære ER (via transportvesikler). Efter at proteinerne er sorteret og evt. omformet lidt,»pakkes«de i nye vesikler, sekretoriske vesikler. Disse smelter sammen med den ydre membran, hvorefter vesiklernes indhold afgives fra cellen (exocytose). sekretoriske vesikler transportvesikler Figur 1.6. Skematisk tegning af Golgi-apparat. Cellen Menneskets fysiologi.indd 23 23 02-08-2011 08:18:19

cristae indre membran ydre membran matrix Figur 1.7 Skematisk tegning af et mitokondrie. Mitokondrier Mitokondrier er organeller, som er omgivet af en dobbelt membran. Den indre membran danner folder, cristae, inde i mitokondriet (Fig. 1.1 og 1.7). I mitokondrierne forbrændes alle typer af næringsstoffer. Noget af energien, som næringsstofferne indeholder, bindes i små energipakker, ATP (adenosintrifosfat), som cellen kan bruge til at udføre arbejde med. Når cellen skal bruge energi, spaltes ATP til ADP (adenosindifosfat) og P (fosfor). Dette sker ved hjælp af et enzym, der hedder ATP-ase. ATP gendannes ved, at P kobles på ADP, men dette kræver energi, som kommer fra forbrændingen af næringsstofferne. Meget forenklet kan man sige: Frigives ved forbrænding af næringsstoffer Energi + ADP + P Bruges til at udføre arbejde i cellerne Foregår i mitochondrierne ATP Foregår de steder hvor cellen skal bruge energi (mere om dette i Kap. 5). I cellen kan der også frigives energi fra kulhydrater uden iltforbrug. Ved denne proces bliver kulhydrat nedbrudt til mælkesyre. Endvidere er der i cellen et lille depot af et energiholdigt stof, kreatinfosfat (CrP). Ved at spalte CrP til Cr og P frigives der energi, som kan bruges til gendannelse af ATP. Disse processer sker ikke i mitokondriet, men i cytosolen. Mere om dette i Kap. 5. 24 Cellen Menneskets fysiologi.indd 24 02-08-2011 08:18:20

Lysosomer Lysosomerne er små vesikler fyldt med fordøjelsesenzymer. Når lysosommembranen er intakt, er enzymerne inaktive, men de bliver aktive, når lysosommembranen smelter sammen med membranen fra beskadigede organeller (fx mitokondrier eller stykker af ER). Organellet fordøjes nu, hvorefter noget af materialet genbruges, mens andet afgives fra cellen. Hvis hele cellen bliver kraftigt beskadiget (eller bliver»for gammel«), går lysosommembranen i stykker, og enzymerne (der nu er aktive) kommer ud i cytoplasmaet og nedbryder hele cellen. Derfor kaldes lysosomerne også for»selvmordspakker«. Sammenbinding af celler Cellemembranerne på to naboceller i et væv er adskilte af et tyndt lag intersti ti elvæske (20 nm). Cellerne holdes bundet til hinanden af forskellige typer af membranstrukturer, nemlig desmosomer, tight junctions og gap junctions (Fig. 1.8). Desmosom Tight junction keratin filamenter membranprotein membranprotein cellemembraner cellemembraner cadherin cellemellemrum cellemellemrum cytosol celle 1 celle 2 cytosol celle 1 celle 2 A B Gap junction cellemembraner membranprotein kanal Figur 1.8. cellemellemrum cytosol celle 1 celle 2 C Tre måder hvorpå celler bindes sammen: A. Desmosom. B. Tight junction. C. Gap junction. sammenbinding af celler 25 Menneskets fysiologi.indd 25 02-08-2011 08:18:21

Mekanotransduktion Når mekaniske kræfter påvirker cellens funktioner via ændring i kemiske eller elektriske signaler taler vi om mekanotransduktion. Cellerne i kroppen udsættes konstant for mekaniske påvirkninger, som kan være opstået pga. udefra kommende kræfter fx tyngdekraften eller fra indre kræfter, der bl.a. dannes når muskler er aktive, og når hjertet danner blodtryk, som presser blodet rundt i kredsløbet. Opstår den mekaniske påvirkning udenfor cellen, overføres den normalt til cellen bl.a. via integriner ne i cellemembranen, idet integrinerne har kontakt til såvel den ekstracellulære matrise og til filamenterne i cytoskelettet (se Fig. 1.4). Filamenterne i cytoskelettet kan overføre kræfterne inde i cellen og via ændret stivhed sikre, at cellen kan modstå de mekaniske kræfter, der kommer udefra, således at cellen nogenlunde bevarer sin facon. De mekaniske påvirkninger af cellemembranen kan ændre på nogle af kanalerne i membranen (strækfølsomme ionkanaler) og dermed på membranens gennemtrængelighed for stoffer (se»transport af stoffer«). Da cytoskelettet fysisk kobler cellemembranen og cellekernen sammen, kan de mekaniske kræfter endvidere påvirke gentranskription og dermed proteindannelse (se»proteinsyntesen«). Normal udvikling af langt de fleste typer væv/organer (fx muskler, bindevæv, knogler, lunger og blodkar) er således afhængig af mekaniske påvirkninger. Transport af stoffer Når cellerne bindes sammen ved desmosomer, sker dette ved, at der er en høj koncentration af proteintråde mellem de to plasmamembraner på ganske bestemte steder, hvor membranen er fortykket af glykoproteiner. Bindingsmåden giver mulighed for at overføre mekaniske kræfter fra celle til celle og giver vævet strækbarhed. Det findes bl.a. i epitelvævet i huden. Det er som regel meget svært for mange stoffer at passere igennem epitelvævet, idet de skal igennem cellerne, da der kun er begrænset transport via interstitielvæsken. Tight junctions skabes ved, at cellernes membraner på et lille område har kontakt med hinanden. Der er altså ikke noget interstitielvæske lige her. Celler i bl.a. tarmepitelvæv og epitel i blodkar er bundet sammen på denne måde. Tight junctions er ikke lige tætte for transport forskellige steder. Kapillærer i hjernen er fx meget tætte, mens kapillærer i tarmen er ret utætte. Den sidste bindingstype er gap junctions, og her danner plasmamembranen på to naboceller kanaler mellem cellerne. Herved skabes der kontakt mellem cellernes cytosol. Vand og små molekyler og ioner kan passere fra celle til celle gennem disse kanaler, der har en diameter på 1,5 nm. Dette giver mulighed for bl.a. at lede elektriske signaler fra celle til celle, hvilket sker i bl.a. hjertemuskulaturen og store dele af den glatte muskulatur. Diffusion Molekyler og ioner bevæger sig hele tiden. Bevægelserne kaldes egenbevægelser eller brownske bevægelser og er hurtigere 1) jo højere temperaturen er, 2) jo mindre partiklen er og 3) når bevægelsen foregår i luft frem for væske 26 Cellen Menneskets fysiologi.indd 26 02-08-2011 08:18:21

K + -kanal Ca ++ -kanal Cl -kanal Na + -kanal membranprotein dobbelt fedtlag lukket kanal åben kanal Figur 1.9. Illustration af forskellige ionkanaler. Kanalerne dannes af membranproteiner, der går hele vejen igennem det dobbelte fedtlag. Kanalerne kan være åbne eller lukkede. eller fast stof. Bevægelsesretningen ændres tilfældigt hele tiden, hver gang partiklerne støder sammen. Dette betyder, at partiklerne hurtigt flytter sig over korte afstande, men ikke over lange. Er der en forskellig koncentration af et stof i en vandig opløsning, vil egenbevægelserne føre til, at der bevæger sig mere af stoffet fra det sted, hvor der er høj koncentration, hen til områder, hvor der er en lavere koncentration. Transportformen hedder diffusion og vil efterhånden føre til en ens koncentration af stoffet i hele opløsningen, diffusionsligevægt. Nettobevægelsen af partiklerne er lig med den mængde, der bevæger sig i én retning, minus den mængde, der bevæger sig i den modsatte retning. Man taler om diffusionsligevægt, når nettobevægelsen er nul. Der vil hurtigt opstå diffusionsligevægt inden for korte afstande. Fx tager det få sekunder at opnå diffusionsligevægt for glukose inden for en afstand på 10 µm (svarende til en celles diameter), mens det vil tage 11 år, hvis afstanden er 10 cm. Transport over cellemembranen Stofferne skal ofte passere én eller flere cellemembraner. Det er bl.a. tilfældet, når stofferne skal udveksles mellem blodet i de små blodkar og cellerne i vævet, og når luftarter skal fra lungerne over i blodet eller den modsatte vej. Transporten kan foregå på forskellige måder: en passiv diffusion, en faciliteret diffusion og en aktiv transport. Passiv diffusion Ved diffusionshastigheden af den passive transport over membranen (nettobevægelsen) forstås mængden af stof, der netto passerer over membranen per tidsenhed. Denne er bestemt af 1) koncentrationsforskellen over membranen, gradienten (jo større gradient des højere hastighed), og for ladede partikler endvidere den elektriske gradient, 2) arealet af membranen (jo større areal des højere hastighed), 3) temperaturen ( jo højere temperatur des hø- transport af stoffer 27 Menneskets fysiologi.indd 27 02-08-2011 08:18:23

jere hastighed), 4) partiklens størrelse (langsommere diffusion for store partikler) og endelig 5) membranens gennemtrængelighed (= permeabilitet) over for stoffet. Membranen er som beskrevet på side 20 opbygget af et dobbelt fedtlag med proteinmolekyler. Det viser sig, at molekyler, der er fedtopløselige, nemt kan diffundere igennem cellemembraner. Eksempler på dette er O 2, CO 2, fedtstoffer og hormoner, som er opbygget ud fra kolesterol (steroider). Membranen er altså meget permeabel over for disse stoffer. Ioner, elektrolytter, som fx natrium, Na +, kalium, K +, klor, Cl og Ca ++, er ikke fedtopløselige, men kan alligevel passere membranen. Diffusionen foregår gennem kanaler, som er dannet af proteiner, der går hele vejen igennem fosfolipidlaget (Fig. 1.9). Kanalerne er specifikke, dvs. de lader kun én bestemt ion passere (fx Na + -kanaler). Permeabiliteten er bestemt af tætheden af åbne kanaler i membranen. Permeabiliteten kan hurtigt ændres ved, at kanaler åbnes eller lukkes. Dette sker ved, at proteinerne, der danner kanalerne, ændrer facon. Nogle kanalers åbning påvirkes af den elektriske spænding over membranen, spændingsafhængige kanaler, andre påvirkes af kemiske stoffer, fx hormoner og endelig påvirkes nogle af mekanisk påvirkning, strækfølsomme kanaler. Faciliteret diffusion Glukose og visse aminosyrer (»byggestenene«i proteiner) kan ikke diffundere igennem cellemembranerne, da de ikke er fedtopløselige og er for store til at passere gennem kanaler. De kommer i stedet igennem membranen ved hjælp af et transportprotein, der går hele vejen igennem fedtlaget. Når fx glukose sætter sig på et specielt bindingssted på transportproteinet på ydersiden af membranen, ændres proteinet, så glukosen transporteres gennem membranen og får kontakt med intracellulærvæsken (Fig. 1.10, samt side 240). Transportformen hedder faciliteret diffusion til trods for, at det ikke er A glukose transportprotein B ekstracellulær væske membran bindingssted intracellulær væske glukose Figur 1.10. Faciliteret diffusion. Når transportproteinet ændrer form (A til B), transporteres stoffet (her glukose) gennem membranens fedtlag. Bindingsstedet har samme affinitet over for transportstoffet på de to sider af membranen, og nettotransporten kan kun foregå fra høj til lav koncentration. 28 Cellen Menneskets fysiologi.indd 28 02-08-2011 08:18:23

diffusion. Fælles for de to transportformer er, at nettobevægelsen kun kan gå fra den højeste koncentration til den lavere koncentration (følger koncentrationsgradienten) og bliver nul, når der er diffusionsligevægt. Forklaringen på dette er, at bindingsstedet har samme affinitet (»lyst«til at binde) over for glukosen på indersiden og på ydersiden af membranen, så der bindes mest på den side, hvor koncentrationen er størst. Hastigheden af faciliteret diffusion afhænger af koncentrationsforskellen op til et niveau, hvor alle transportproteiner anvendes. Den maksimale hastighed er således bestemt af antallet af transportproteiner og kan øges ved at øge antallet af disse. Diffusionshastigheden er typisk større ved faciliteret diffusion end ved passiv diffusion. Primær aktiv transport Såvel passiv diffusion som faciliteret diffusion arbejder hen imod diffusionsligevægt, hvor der er samme koncentration af et stof på de to sider af en membran. For at cellen skal være i stand til at bevare et indre miljø, som er forskelligt fra det ekstracellulære miljø, kræves aktiv transport. Ved denne transportform kan stoffer transporteres fra lave koncentrationer til høje koncentrationer (imod en koncentrationsgradient) ved brug af energi, der kommer fra spaltning af ATP. Herved er det muligt at»modarbejde«den passive diffusion og opretholde en koncentrationsforskel over membranen. Som ved faciliteret diffusion foregår transporten via et transportprotein. Men ved den aktive transport har bindingsstedet forskellig affinitet over for det/de stoffer, det skal transportere, alt efter om bindingsstedet er på ydersiden eller indersiden af membranen. Det, der får bindingsstedet til at ændre affinitet er, at fosfor sætter sig på transportproteinet. Fosfor kommer fra ATP-spaltningen: ATP ADP + P (Fig. 1.11.A) Et eksempel på aktiv transport er Na + /K + -pumpen (Fig. 1.11.B), der opretholder en lav koncentration af Na + og en høj koncentration af K + i cytosolen ved at transportere Na + ud af cellen og K + ind i cellen. Der er en høj koncentration af Na + ekstracellulært og en lav intracellulært, og Na + /K + -pumpen transporterer altså Na + den modsatte vej af den passive diffusion. Da der er høj koncentration af K + inde i cellen og lav udenfor, vil en indpumpning af K + også være mod den passive diffusion af K +. Når bindingsstedet vender ind i cellen, har den en høj affinitet over for Na + (og en lav over for K + ), og selv om der kun er lidt Na + inde i cellen, bindes det til transportøren. Transportproteinet»vipper«nu Na + ud, så det har kontakt med ekstracellulærvæsken. Bindingsstedet ændrer facon, hvilket medfører, at dens affinitet over for Na + nedsættes, og Na + forlader bindingsstedet. Derimod øges dets affinitet over for K +, som nu bindes og vippes med tilbage og ind i cellen. ATP sætter sig på transportmolekylet, når det vender mod intracellulærvæsken. Herved mindskes affiniteten over for K +, K + afgives, og affiniteten over for Na + øges, og Na + bindes. På indersiden af membranen sidder der et enzym, en ATPtransport af stoffer 29 Menneskets fysiologi.indd 29 02-08-2011 08:18:23

bindingssted med høj affinitet stof der skal transporteres transportprotein ekstracellulær væske bindingssted med lav affinitet membran P A bindingssted for fosfor ADP ATP intracellulær væske P a b c bindingssted med bindingssted med Na + K + bindingssted med høj affinitet for Na + høj affinitet for K + ekstracellulær høj affinitet for Na + (lav for K + ) (lav for Na + ) væske (lav for K + ) membran B transportprotein intracellulær Na + ATP bindingssted P for fosfor ADP væske K + Na + P ATP Figur 1.11. A. Eksempel på primær aktiv transport: Når transportproteinet er fosforyleret på indersiden af membranen, har bindingsstedet en høj affinitet over for det stof, der skal transporteres. Stoffet sætter sig på bindingsstedet, og ved at transportproteinet ændrer form, transporteres stoffet ind i cellen. Samtidig fjernes P fra transportproteinet, og bindingsstedet får lav affinitet over for det transporterede stof. Stoffet»hopper af«transportmolekylet, selv om der er meget af det i intracellulærvæsken. På grund af affinitetsændringen er det muligt at transportere stoffer fra en lav koncentration til en høj koncentration. B. Na + /K + -pumpen. Na + pumpes ud, og K + pumpes ind under forbrug af energi fra ATP. Transportproteinet har høj affinitet for Na +, når der sidder ATP på transportproteinet (a). Når ATP spaltes til ADP + P,»vippes«Na + ud af cellen, og affiniteten over for Na + mindskes, men øges over for K +, når P bindes til transportproteinet (b). Transportproteinet vender nu uden energiforbrug tilbage til udgangspositionen. Når ATP sætter sig på transportproteinet (og P fjernes fra det), mindskes affiniteten for K +, som hopper af, men øges for Na +, som bindes (c). ase, som spalter ATP til ADP og P + energi. Dette får transportmolekylet til at vippe Na + ud af cellen, og pumpen»kører«igen som beskrevet. I mennesket findes der mange pumper, fx Na + /K + -pumpen, der som sagt pumper Na + ud af cellen og K + ind i cellen, Ca ++ -pumpen, der fjerner Ca ++ fra cytosolen, enten ved at pumpe det ud af cellen eller ved at pumpe det 30 Cellen Menneskets fysiologi.indd 30 02-08-2011 08:18:24

A bindingssted med høj affinitet høj [Na + ] Na transportprotein B ekstracellulær væske bindingssted med lav affinitet membran Na Na bindingssted for Na + intracellulær væske lav [Na + ] Na Figur 1.12. Sekundær aktiv transport. Når Na + sætter sig på transportproteinet, får et andet bindingssted høj affinitet over for det stof, der skal transporteres gennem membranen. Transportmolekylet ændrer nu form, så såvel Na + som det andet stof kommer ind i cellen. Her er [Na + ] lav, og Na + hopper af. Dette resulterer i, at affiniteten mindskes på det andet transportsted, og dette stof hopper også af, selv om koncentrationen er højere inde i cellen end udenfor. ind i organeller, og H + -pumpen, der pumper H + ud af cytosolen og ind i bl.a. lysosomer og Golgi-apparat eller ud af cellen. Sekundær aktiv Nogle pumper virker ved, at affiniteten ændres, når en anden ion, ofte Na +, transport sætter sig på et bindingsområde på transportproteinet (Fig. 1.12). Da der er meget Na + ekstracellulært, sætter det sig på transportproteinet. Herved øges affiniteten på et bindingsområde for et andet stof, fx glukose, og når stofferne er transporteret ind i cellen, hopper Na + af, fordi der er lidt Na + intracellulært. Herved mindskes affiniteten for det andet stof, der så også afgives fra transportproteinet, selv om der er meget af det transporterede stof inde i cellen. Den sekundære aktive transport er ikke i sig selv energikrævende, men den er afhængig af, at Na + aktivt pumpes ud af cellen, så Na + - gradienten bevares. Transporteres stoffet den samme vej som»hjælpestoffet«(her Na + ), benævnes det co-transport, mens det hedder modtransport, hvis stofferne transporteres hver sin vej. Eksempelvis transporteres Ca ++ og H + ud af cellen ved en modtransport af Na + ind i cellen. Transport af vand over membranen Cellemembranens permeabilitet over for vand er temmelig stor på trods af, at vandmolekylet er polært og således ikke opløseligt i fedtlaget. Forklaringen på den store permeabilitet er sandsynligvis, at vandmolekylet kan passere gennem en særlig slags kanaler kaldet aquaporiner samt evt. via cotransport til andre stoffers transport. transport af stoffer 31 Menneskets fysiologi.indd 31 02-08-2011 08:18:24

Vand kan transporteres over membranen pga. a) forskelligt væsketryk på de to sider af membranen, filtration, og b) forskellig koncentration af vand på de to sider af membranen, osmose. Filtration Osmose Hjertet skaber et væsketryk i alle blodkarrene, blodtrykket. De fine blodkar, kapillærerne, er så tyndvæggede, at vand kan passere karvæggen. Væsketrykket uden for karret er normalt tæt på nul (altså svarende til atmosfæretryk). Derfor filtreres der væske fra blodbanen ud i vævet, idet filtrationen presser væske fra det højere tryk til det lavere væsketryk. Filtrationens størrelse er bestemt af størrelsen af trykforskellen og membranens permeabilitet over for vand. Cellemembranen er som omtalt ikke lige permeabel over for alle stoffer, den er selektiv permeabel. (En membran, der kun er permeabel over for vand, kaldes semipermeabel). Hvis der på de to sider af membranen er vand med forskellig koncentration af et stof, som membranen er impermeabel overfor, opstår der osmose. På Fig. 1.13.A er der vist et simpelt eksempel: I beholder I er der rent vand, mens der i beholder II er opløst glukose i vandet. Diffusionen vil forsøge at bevæge glukosen over i beholder I, men det kan ikke lade sig gøre, da membranen er impermeabel over for glukose. Derimod vil vandet diffundere fra I til II, idet koncentrationen af vand i beholder II er lavere end i I pga. det opløste glukose. Denne vanddiffusion kaldes osmose. Den kraft, hvormed glukosemolekylerne trækker vand til sig, kaldes opløsningens osmotiske tryk. Dette tryk kan måles som det væsketryk, der skal være i beholder II for at ophæve den osmotiske vandtransport, altså for at nettobevægelsen af vand er nul. Det, der er bestemmende for størrelsen af det osmotiske tryk, er antallet af opløste partikler (og ikke mængden i gram). Fx svarer det osmotiske tryk af vævsvæsken til det osmotiske tryk af en 0,9% NaCl-opløsning, og er på 7 atmosfærer (1 atm. = 760 mmhg svarende til 101,3 kpa), mens en 8% proteinopløsning kun danner et osmotisk tryk på ca. 25 mmhg (3,3 kpa). Forklaringen på dette er, at proteinmolekylerne er så store og vejer så meget, at der er meget færre molekyler i 8 g, end der er Na + - og Cl -ioner i 0,9 g. Når osmosen skabes af højmolekylære stoffer (store molekyler med høj molekylevægt), kaldes det ofte det kolloidosmotiske tryk. En opløsnings osmotiske tryk er altså defineret som det væsketryk, der er nødvendigt, for at nettostrømmen af vand er nul over membranen, som adskiller opløsningen fra rent vand. Opløsninger med samme osmotiske tryk siges at have samme osmolaritet eller at være isotone (jf. Tillæg: Kemi). I eksemplet (Fig. 1.13.A) resulterede vandstrømmen fra beholder I til II i, at trykket steg i beholder II, men membranen flyttede sig ikke pga. denne trykstigning. I Fig. 1.13.B er illustreret et andet eksempel. Koncentrationen af det stof, 32 Cellen Menneskets fysiologi.indd 32 02-08-2011 08:18:24

A osmotisk tryk I II I II B Figur 1.13. I II I II A. I beholder I er der rent H 2 O, mens der i beholder II er opløst glukose i vandet. Membranen mellem beholder I og II er impermeabel for glukose. Vandet vil derfor diffundere over i beholder II osmose ( ), og trykket stiger i beholder II. Osmotisk ligevægt: Nettostrømmen af væske er nul, når bevægelsen af væske ved osmose modsvarer filtrationen ( ) pga. det osmotiske tryk i beholder II. Trykket, der er i beholder II på dette tidspunkt, kaldes for opløsningens osmotiske tryk (størrelsen er vist ved væskesøjlens højde). B. Den selektiv permeable membran kan bevæges i dette eksempel. Det opløste stof kan ikke passere gennem membranen, og vanddiffusionen fra beholder I til beholder II bevirker, at membranen flyttes, så beholder I mindskes og beholder II øges. Ved ligevægt er koncentrationen af det opløste stof ens i de to beholdere. membranen er impermeabel overfor, er størst i beholder II, så vandet vil atter strømme fra I til II, men i dette eksempel kan membranen bevæges, og vandstrømmen vil resultere i, at membranen flyttes og rum I bliver mindre og rum II bliver større. I ligevægtssituationen vil såvel væsketryk som koncentration af stoffet være ens i de to beholdere. Eksempler på osmose i kroppen Cytosolen og ekstracellulærvæsken har normalt samme osmolaritet. Var dette ikke tilfældet, ville cellerne hurtigt svulme eller skrumpe. Dette kan illustreres ved at placere røde blodlegemer i forskellige NaCl-koncentrationer. Lægges de i en 0,9% NaCl-opløsning, sker der ikke noget med dem, fordi denne opløsning som nævnt har samme transport af stoffer 33 Menneskets fysiologi.indd 33 02-08-2011 08:18:25

25 mmhg tilbagesug pga. kolloidosmose protein blodkar (kapillær) gennemsnitlig blodtryk 25 mmhg Figur 1.14. Eksempel hvor filtrationen af væske ud af kapillæret skabt af blodtrykket ophæves af det kolloidosmotiske tilbagesug, som er skabt af kolloiderne i blodbanen. osmolaritet som plasma. Derfor kaldes den en fysiologisk saltvandsopløsning. Lægges de røde blodlegemer derimod i en 2,0% NaCl-opløsning, vil blodlegemerne miste vand og skrumpe ind. Lægges det i stedet for i rent vand, vil det suge vand til sig, og membranen på det røde blodlegeme vil ændre form og volumen vil øges. Opsuget af vand er imidlertid så stort, at trykket i cellen stiger mere, end cellens væg kan modstå, og det røde blodlegeme sprænges hæmolyse. For at dette ikke skal ske med cellerne i kroppen, er det vigtigt med en nøjagtig regulering af vand- og saltbalancen (og andre partikler, der danner osmose) i kroppen (se Kap. 9). Der vil dog ofte være små svingninger, som får cellerne til at ændre størrelse. De røde blodlegemer er pga. deres specielle facon (se side 331) i stand til at ændre volumen langt mere end de fleste andre celletyper i kroppen. Disse celler har derfor forskellige former for mekanismer (fx aktiv transport af ioner), der kan sikre, at volumenændringerne bliver små trods ændrede osmotiske forhold. Et andet eksempel på osmose er bevægelsen af væske i nyrerne, hvor væsken presses fra blodbanen til nyrerne ved filtration, og meget af væsken»suges«tilbage til blodbanen ved osmose (se Kap. 9). Endelig er de kolloidosmotiske kræfter meget vigtige for at bevare plasmaet i blodbanen. Som nævnt vil blodtrykket betyde, at der filtreres væske ud af kapillærerne, men dette modvirkes af, at proteinerne i blodbanen (8% proteiner) suger væsken tilbage til blodbanen, idet der normalt ikke er proteiner i interstitielvæsken. Nettobevægelsen af vand er bestemt af forholdet mellem filtration og kolloidosmose. Filtrationens størrelse er primært bestemt af blodtrykket, og størrelsen af det kolloidosmotiske tryk er bestemt af den molære koncentration af proteinmolekyler i plasmaet. På Fig. 1.14 er vist et realistisk eksempel fra en liggende person. Som det kan ses, er de to kræfter nogenlunde lige store, idet det gennemsnitlige blodtryk i karret er på 20-30 mmhg (2,7-4,0 kpa), og opsugningen skabt af kolloiderne er af nogenlunde samme størrelse. Nettobevægelsen af vand bliver altså ret lille. I afsnittet Ødemer side 384 vil der blive gennemgået forhold, der kan ændre dette. 34 Cellen Menneskets fysiologi.indd 34 02-08-2011 08:18:25