Газотранспортная функция эритроцитов

Появление дыхательных пигментов – переносчиков респираторных газов связано с развитием системы кровообращения, выполняющей функцию транспорта кислорода к тканям тела.

Значительным этапом в эволюции дыхательных пигментов явилось возникновение специальных клеток, где осуществлялся синтез кровяного пигмента, которые в виде специальных кровяных телец, содержащих гемоглобин, появились в крови. Первоначально это были ядерные клетки, но у

высших позвоночных на определенном этапе эмбриогенеза ядра исчезают, и клетки крови представляют собой высокоспециализированные тельца, наполненные гемоглобином.

Постепенно вычленяются и две важнейшие функции гемоглобина: главная – захват, транспорт и отдача кислорода и добавочная – депонирование кислорода (в миоглобине).

В составе гемоглобина содержится бесцветная белковая часть – глобин и простетическая группа – гем. Упаковка гемоглобина в клетки имеет ряд преимуществ: значительно снижена вязкость крови; в эритроците формируется химическая среда, отличная от плазмы (по концентрации неорганических ионов, органических фосфатов и спектру ферментов), оказывающая значительное влияние на сродство гемоглобина к кислороду. Гем, соединенный с глобином, обладает способностью обратимо связывать кислород.

Гемоглобины – тетрамерные белки, образованные полипептидными цепями (α, β, γ, δ, S и др.). Гемоглобин А (HbA) образует α-цепи и β-цепи. Их отличие состоит в разной последовательности N-терминальной (концевой) аминокислоты (имеет свободную аминокислотную группу), которая в α-цепи является валинлейцином, а β-цепи – валингистидином. В процессах оксигенации HbA главную роль играют β-цепи. В состав α-цепи входит 141, а β-цепи – 146 аминокислот [14, 113]. Особое значение имеет гистидин – аминокислота, усиливающая буферные свойства гемоглобина и

обусловливающая способность пигмента связывать гем. Что касается фетального гемоглобина (HbF) человека то его образуют две α-полипептидные цепи, идентичные α-цепям гемоглобина A и две γ-цепи (HbFα2γ2).

В эритроцитах взрослого человека, помимо HbA, имеется несколько разновидностей: HbA2 (около 2-3 %), HbA1 и HbA3 (около 5%). Состояние, при котором мутация вызывает изменение биологических функций гемоглобина называют гемоглобинопатией. К патологическим типам гемоглобинов у человека относится также серповидный (cерповидно-клеточный) гемоглобин S (HbS). Его присутствие в эритроцитах связано с генетическим заболеванием крови – серповидно-

клеточной анемией. Аномалия, характерная для HbS, локализована в β-цепи. Глутаминовая кислота, находящаяся в этом положении в гемоглобине здорового человека замещается в гемоглобине S на валин. При низком парциальном давлении кислорода HbS в эритроцитах кристаллизируется (осаждается в виде длинных волокон), что приводит к деформации эритроцитов и нарушению их структуры: они приобретают серповидную форму и легко разрушаются в связи со снижением их толерантности к гемолизу – в итоге развивается анемия.

Длительность функционирования гемоглобина обусловлена продолжительностью жизни

эритроцитов; исходя из этого, можно определить и время его функционирования. Продолжительность жизни эритроцитов ограничена во времени, и у человека составляет 120 сут. У человека в физиологических условиях около 10% старых эритроцитов разрушаются в кровяном русле; основная же масса утилизируется внутриклеточно: макрофагами печени, селезёнки, костного мозга. В макрофагах происходят разрушение эритроцитов и распад их главной составной части – гемоглобина. В геме разрываются мостики, соединяющие пирроловые ядра, что приводит к образованию вердогемоглобина, окрашенного в зеленый цвет. Вердогемоглобин затем распадается с освобождением глобина, железа и биливердина. Из биливердина восстанавливается билирубин; железо гема связывается с белком плазмы (β-глобулином), транспортируется в печень

и откладывается в виде ферритина или же доставляется в костный мозг, где используется для синтеза гемоглобина новых эритроцитов.

ЖИЗНЕННЫЙ ЦИКЛ ЭРИТРОЦИТОВ.

КИНЕТИКА ЭРИТРОНА

Поддержание эритроцитарного равновесия на физиологическом уровне осуществляется посредством механизмов продукции и деструкции красных клеток крови через образование в организме специфических веществ и гормонов, стимулирующих эритропоэз.

В физиологических условиях эритроциты человека находятся в кровообращении около 120 суток. На первой фазе, ретикулоцита, они не несут полную нагрузку гемоглобина, созревание завершается за 1-3 сут, в течении которых клетка выполняет функцию транспорта кислорода. На

второй фазе, зрелого (функционального) эритроцита, клетка полностью выполняет газотранспортную функцию; на третьей фазе, дефицитного (неполноценного) эритроцита с уменьшенной эффективностью, утраченной гибкостью и сниженным метаболизмом, вследствие изнашиваемости ферментов без какой-либо возможности замены, эритроцит стареет. Лишенные способности переносить кислород красные клетки крови теряют свою функциональную ценность. На этой стадии они легко распознаются макрофагами, устраняются из кровообращения, тем самым, открывая путь молодым клеткам, вступающим в функциональный цикл.

Поступление эритроцитов в кровоток осуществляется активными движениями, наподобие процесса диапедеза лейкоцитов и таким образом клетки проходят среди расщелин, образованных фибробластами и эндотелиальными клетками в синусы, откуда поступают в венозную кровь.

Полагают, что выталкивание эритроцитов из костного мозга происходит в порядке собственной непрерывной клеточной пролиферации. Выявленные способности ретикулоцитов самостоятельно передвигаться подтвердило наличие диапедеза и у молодых эритроцитов. Процесс диапедеза начинается отделением оксифильного эритробласта эритробластического островка, за которым следует выталкивание ядра и переход в кровеносную систему. Изгнание ядра может осуществляться одновременно с диапедезом. Диапедез достаточно изучен у ретикулоцита.

Ретикулоцит, который не прошел барьер, образованный стенкой сосудистого эндотелия, созревает в паренхиме, утрачивает способность диапедеза, остается блокированным и фагоцитруется макрофагами. Эти эритроциты входят в состав неэффективного эритропоэза.

Методы определения продолжительности жизни эритроцитов

Первоначально для количественного определения длительности жизни эритроцитов применялась методика переливания животному морфологически гетерогенной крови.

В двадцатых годах двадцатого столетия широкое распространение получил метод дифференциальной агглютинации для определения выживаемости циркулирующих эритроцитов, а начиная с 50-х годов – радиоизотопные методы, позволившие одновременно определять продолжительность жизни и костномозговую продукцию эритроцитов, а также провести сканирование печени и селезенки и, соответственно уточнить место преимущественного разрушения красных клеток крови.

Анализируя известные методы исследования продолжительности жизни эритроцитов, можно прийти к следующим выводам:

1) методы, основанные на искусственном увеличении или уменьшении количества эритроцитов в организме, принципиально непригодны для определения длительности их жизни;

2) методы, основанные на определении в крови, моче и кале количества продуктов распада красных клеток, служат объективным качественным показателем гемолиза, но не отражают количественную меру интенсивности распада эритроцитов;

3) методы, основанные на переливании биологически или радиоактивно меченных эритроцитов, содержат ряд неточностей, снижающих надежность получаемых результатов. К тому же достаточно трудоемки и небезопасны;

4) из методов, основанных на подсчете ретикулоцитов принципиально правильным является определение количества ежесуточно созревающих клеток этой популяции.

Основные понятия клеточной кинетики

Клетки крови представляют собой разнородную цитологическую систему, состоящую из элементов, различающихся как в функциональном и морфологическом, так и в кинетическом отношении; но их объединяет общность гистогенеза; совместная циркуляция в периферической крови, участие в транспорте веществ и в выполнении защитных и регуляторных функций.

Нормальное кроветворение – сбалансированная клеточная система со сложной регуляцией постоянства количественного и качественного состава отдельных ее звеньев. Закономерности жизненного цикла отдельных клеточных генераций, переход клеток из одного цитологически однородного пула в другой, из костного мозга в кровь, из крови в ткань, резервация клеток, регуляция их рождения, движения по жизненному пути, старение и разрушение – составляет сущность процессов клеточной кинетики.

В основе кинетических процессов в системе кроветворения лежат общебиологические закономерности жизни клеток. Клетка крови может находиться в одной из 3-х фаз жизненного цикла: деления (митотический цикл), временного обратимого покоя и фазе конечной дифференцировки (необратимого покоя). Согласно этому основная их масса находится в фазе G0. После деления СКК одна клетка пополняет группу клеток митотического цикла, а другая –

потенциально способна к дифференцировке.

Эритропоэтический росток костного мозга состоит из элементов, основная функция которых – синтез гемоглобина. Количество гемоглобина в цитоплазме в сочетании с определенными признаками зрелости ядра и величиной клетки являются теми признаками, которые позволяют выделить основные стадии дифференцировки эритропоэтических элементов.

Модель эритрона, не утратившая своего значения и в наши дни была создана в 1960 г. английскими учеными L.G. Lajtha.

Сущность ее заключается в следующем. Одна стволовая клетка дифференцируется без деления в родоначальную клетку красного ростка – пронормобласт. В этой стадии развития клетка проходит два митотических цикла, каждый из которых занимает 20 ч. Синтез гемоглобина в этой стадии идет с достаточно высокой скоростью – 0,5 пг на одну клетку в час . К концу второго митотического цикла перед делением клетка содержит 21,6 пг гемоглобина, дочерняя ее генерация – 10,8 пг гемоглобина и по своей морфологии является базофильным нормобластом. В этой стадии скорость синтеза гемоглобина, РНК и ДНК остается высокой, транзитное время соответствует

генерационному циклу и занимает 20 ч. К концу митотического цикла базофильный нормобласт содержит 25,2 пг гемоглобина, количество гемоглобина у его дочерних клеток – ранних полихроматофильных нормобластов составляет 12,6 пг. При таком количестве гемоглобина

синтетические процессы в клетке замедляются: скорость синтеза гемоглобина на клетку в час 0,33 пг, генерационное время 30 ч. Средний полихроматофильный нормобласт (III стадия) содержит 13,5 пг гемоглобина. Такая концентрация специфического белка является критической, при которой синтез ДНК прекращается, что ведет к значительному замедлению синтеза гемоглобина в полихроматофильном нормобласте – 0,2 пг на одну клетку в час, а в стадии костномозгового ретикулоцита – 0,17-0,1 пг. Переход среднего полихроматофильного нормобласта в поздний

полихроматофильный нормобласт происходит без деления, занимает 50 ч (III стадия) и связан с накоплением гемоглобина. В этой стадии пикнотическое ядро выталкивается из клетки или растворяется в ней, и клетки переходят в стадию костномозгового ретикулоцита (IV стадия).

Т. о. эритрон – гомеостатическая система, отражающая сложнейшие интеграции клеток кроветворных органов, эритроидных клеток и их микроокружения, а также эритроцитов, циркулирующих в крови и депонированных. Развитие клеток эритрона из плюрипотентной стволовой клетки – генетически предопределенный процесс, его регуляция возможна лишь на определенных этапах.

Лекция №4