Лекция №3
Морфофункциональная характеристика клеток красной крови в норме. Кинетика эритрона. Эритроцит.
ЭРИТРОЦИТЫ
Основная функция эритроцита – транспорт респираторных газов: кислорода от легких к тканям и двуокиси углерода – от ткани к легочным альвеолам. Выполнению этой задачи подчинены структурные особенности эритроцита: отсутствие ядра; дисковидная, двояковогнутая форма; способность цитоскелета к деформации, что позволяет клетке изменять форму и легко двигаться через тонкие капилляры; низкие энерготраты. Помимо газотранспортной функции эритроциты наделены способностью принимать участие в регуляции кислотно-основного состояния, водно-солевого обмена, микрореологического статуса крови, в иммунных реакциях, связывании и переносе аминокислот, липидов, вирусов, гормонов (инсулин, тироксин), а также лекарственных средств. Основной источник энергии – глюкоза – метаболизируется в ходе анаэробного гликолиза в пути Эмбдена-Мейергофа. Обмен глюкозы в эритроците осуществляется так же по пентозомонофосфатному пути, при этом образуется 2,3-ДФГ, регулирующий сродство гемоглобина к кислороду.
Количественные характеристики и морфологические особенности эритроцитов
Популяция эритроцитов неоднородна по форме и размерам. В крови человека в норме основную массу (80-90%) составляют эритроциты двояковогнутой формы – дискоциты. Кроме того, встречаются планоциты (с плоской поверхностью) и стареющие формы эритроцитов – шиповидные или эхиноциты (~6%), куполообразные, или стоматоциты (~1-3%), и шаровидные,
или сфероциты (~1%). Различают обратимые формы (эхиноциты и стоматоциты), которые могут
возвращаться в дискоциты и необратимо измененные формы (акантоциты и кодоциты – мишеневидные клетки, сфероциты и необратимо измененные стоматоциты). Трансформация формы эритроцита не всегда сопровождается изменением отношения поверхности к объему. Плазменными факторами, вызывающими эхиноцитоз, служат лизолейцин и фермент лецитин-холестерин-ацетилтрансфераза. Преход дискоцита в эхиноцит происходит при некотором
защелачивании среды (рН >9,0), но при этом снижается объем клетки.
При инкубации эритроцитов изменение формы – превращение дискоцита в эхиноцит – осуществляется вследствие понижения в клетках концентрации АТФ и накопления кальция. Заметим, что изменения наружной концентрации кальция не оказывает действия. Следовательно, местом трансформирующего действия кальция является цитоплазма или внутренняя поверхность мембраны эритроцита.
Переход дискоцита в стоматоцит так же происходит при постоянном объеме эритроцита. Стоматоцитогенными факторами являются не проникающие анионы или катионные амфифилы, снижение рН среды ниже 6,0 (при этом изменяется объем клетки).
Механизмы трансформации эритроцита обусловлены мембранными структурами и метаболическими процессами. Установлено, что объем эритроцита определяется преимущественно проницаемостью их плазматической мембраны для пассивной диффузии катионов, содержанием гемоглобина и 2,3-ДФГ (последнее зависит от скорости гликолиза).
Изменение формы эритроцитов (пойкилоцитоз) у человека может наблюдаться при анемии. Тем не менее, некоторые типы эритроцитов специфически характерны для конкретных патологий,
например, наследственный сфероцитоз (микросфероциты) и серповидноклеточная анемия (серповидные клетки). Эхиноциты in vivo могут появляться при уремии, кровоточащей пептической язве, раке желудка, болезнях сердца, некоторых анемиях.
За поддержание формы эритроцита ответственен белковый каркас мембраны, в частности процесс ферментативного фосфорилирования спектрина и, связанное с ним, образование комплекса спектрин – актин. Гибкость и текучесть мембраны эритроцита обусловлена наличием в ней липидного бислоя, обладающего в нативной мембране свойствами жидкого кристалла.
Размеры эритроцитов человека на сухих мазках – 7,2-7,7 мкм. В изотонической среде эритроцит человека имеет диаметр 7,1-9,2 мкм (в среднем 8,0 мкм). Высота утолщенного края около 1,7-2,4 мкм, в центре 0,9-1,2 мкм. Большинство эритроцитов крови человека (до 75%) имеют диаметр
~7,5 мкм (7,2-7,7 мкм) и называются нормоцитами. Остальная часть эритроцитов представлена микроцитами ~12,5% и макроцитами ~12,5 %. При высыхании мазка линейные размеры эритроцитов уменьшаются, по данным разных авторов, на 10-20%. Изменение размеров эритроцитов встречается при заболеваниях крови [64, 208].
Поддержание оптимальной формы эритроцита в виде двояковогнутого диска (дискоцита) обеспечивающей адекватное участие клетки в газообмене обусловлено физико-химическим состоянием мембраны (процессы активного транспорта ионов, особенности функционирования мембран ассоциированных ферментов), а также сбалансированностью молекулярной организации
эритроцита и микроокружения, стабильностью работы катион транспортирующих систем и сохранением ионного гомеостаза.
Что касается методов исследования, то в современной гематологической практике для определения количества и формы клеток используют анализаторы, работающие по принципу
кондуктометрического подсчёта клеток с использованием лазерного светорассеивания. Кроме того, используют анализаторы изображений, позволяющие найти для каждого объекта координаты х и у, определяющие его положение в измеряемом поле, а также положение его центра масс.
Геометрическими характеристиками формы и размеров эритроцитов являются объем и площадь поверхности. В современной гематологии для описания формы эритроцита используют модель цилиндрического тела.
Эритроцит – гибкая эластичная структура, изменяющая свою форму при прохождении через капилляры тела. Эритроцит человека имеет следующий химический состав, %: вода - 70-71; гемоглобин – 25-28%; липиды – 5-7%; углеводы, соли, ферменты – 3%. Важнейший органоид эритроцита – плазматическая мембрана. Она выполняет функции механической оболочки с регулируемыми физическими свойствами и одновременно роль «диспетчера», координирующего работу клетки в зависимости от физических и химических сигналов, поступающих к ней, играя, т о, ключевую роль в детерминации гомеостаза и функциональной способности клетки. Физико-химическое состояние мембраны эритроцита обусловливает процесс активного транспорта ионов, функционирование мембранассоциированных ферментов, характер взаимодействия клетки со
средой, поддержание формы двояковогнутого диска, оптимальной для газообменной функции, сохранение ионного гомеостаза. Эритроцитарная мембрана – композитарная структура; ее основу
составляет липидный бислой с асимметрично встроенными белками. Поверхность биологической мембраны замкнутая, состоит из фиксированного числа молекул и способна существовать в равновесном ненатяженном состоянии. При дезорганизации мембраны клетка утрачивает способность регулировать ионный и антиоксидантный гомеостаз, нарушаются активность мембранных ферментов и метаболизм, что ведет к необратимым изменениям структуры и физиологии эритроцита. При старении эритроцитов мембрана претерпевает структурную и метаболическую модификации, приводящие к их элиминации. Структурной особенностью эритроцитарной мембраны является наличие эластичной белковой сети цитоскелета, локализованного на внутренней поверхности липидного матрикса и связанного с интегральными белками. Взаимодействие белкового цитоскелета с липидным матриксом мембраны обеспечивает ее стабильность. Белковый цитоскелет обусловливает поведение мембраны эритроцита как упругого твердого тела. Основа молекулярной структуры цитоскелета – спектрин-актиновый комплекс, содержащий добавочные белки. Спектрин-актиновое взаимодействие обеспечивают белок аддуцин, тропомиозин, тропомодулин. Основу белковой сети цитоскелета образуют молекулы спектрина.
Критерий зрелости клеток эритроидного ряда – завершение процессов формирования цитоскелета. Молодые ядросодержащие эритроидные клетки лишены некоторых белковых компонентов цитоскелета.
Нестабильную структуру цитоскелета имеют малодифференцированные эритроидные клетки (проэритробласты, базофильные эритробласты). Стабилизация структуры цитоскелета осуществляется на уровне полихроматофильных и оксифильных нормобластов. Завершение процессов самосборки цитоскелета происходит в костном мозге на уровне ретикулоцитов ранней
степени зрелости до их выхода в кровоток.
Как видим, цитоскелет мембраны – сложное структурное образование, локализованное в субмембранном слое и необходимое для нормального функционирования эритроцита.
Деформация эритроцитов. Эритроциты обладают уникальной способностью к изменениям формы и размеров, что обеспечивает их возможность свободно проходить через микроциркуляторное русло. Свойства мембран эритроцитов при деформациях обусловливаются молекулярной организацией мембраны и физико-химическими свойствами образующих ее молекул. Особая роль в обеспечении упругих способностей при сдвиговой деформации и поддержании формы клетки отводится белковому цитоскелету мембран эритроцитов, формирование которого завершается к моменту выхода ретикулоцитов из костного мозга в кровь. Деформация эритроцитов в кровеносном русле осуществляется за счет сил напряжения сдвига со стороны смещающихся слоев плазмы крови. Способность эритроцитов к обратимым изменениям размеров и формы названа деформабельностью. Форма эритроцитов и их реологические свойства (деформабельность и способность к агрегации) играют важную роль в транспорте респираторных
газов.
Метаболизм эритроцита.
Клетки эритроидного ряда в процессе развития претерпевают не только структурные, но и метаболические превращения. Эритроциты при созревании утрачивают митохондрии, а, следовательно, и ферменты системы аэробного окисления пирувата, и, углеводный обмен переключается на анаэробный. Гликолиз в эритроцитах даже в аэробных условиях всегда завершается образованием лактата.
Зрелый эритроцит человека не способен синтезировать белки (т.к. отсутствует ядро и рибосомы), нуклеиновые кислоты и липиды, метаболизировать пируват в цикле лимонной кислоты. Тем не менее, эритроцит метаболически активен. Биохимические реакции, протекающие в зрелых эритроцитах, обеспечивают нормальное функционирование гемоглобина и выполнение основной функции клетки – транспорт кислорода. В процессе метаболизма в эритроцитах происходят генерирование АТФ, образование и разрушение фосфатных эфиров, окисление и восстановление никотинамидадениновых нуклеотидов. В эритроцитах синтезируется ряд веществ, важных для
жизнедеятельности клетки, например, глутатион, который обеспечивает окислительно-восстановительный статус в клетке и поддерживает в активном состоянии ряд ферментных систем. В физиологических условиях эритроциты человека утилизируют как источник энергии только глюкозу. Глюкоза проникает в эритроцит с помощью переносчика, расположенного в мембране и не зависит от инсулина. Концентрация глюкозы во внутриэритроцитарной среде такая же, как и в плазме крови. Диффузия глюкозы в эритроцит не является лимитирующим фактором ее утилизации. Лишенный глюкозы, эритроцит погибает: утрачивает способность поддерживать градиент Na+ и К+на мембране, накапливает метгемоглбин и окисленный глутатион (особенноо
при окислительном стрессе), не генерирует АТФ.
В процессе анаэробного гликолиза из одной молекулы глюкозы в эритроците синтезируются две молекулы АТФ и две молекулы молочной кислоты. Несмотря на малую энергетическую эффективность гликолиза, в эритроцитах он обеспечивает потребность клеток в энергии.
При обеднении среды АТФ изменяется форма эритроцитов: поверхность их покрывается шипами, клетки превращаются в эхиноциты, затем сфероциты и в конечном итоге подвергаются осмотическому лизису.
