Транспорт газов эритроцитами.

Основным белком эритроцитов является гемоглобин. Основными гемоглобинами (Hb) взрослого человека являются: гемоглобин А1 (96–98 %) и гемоглобин А2 (1,5-3,5 %). На долю фетального гемоглобина (HbF – α2γ2) приходится 0,5–1 %. Смена гемоглобина F на гемоглобин А происходит во время рождения ребенка, а к 4–6 месяцам жизни уровень фетального гемоглобина составляет 1 %.

Благодаря гемоглобину 1л. крови может связывать около 210 мл. кислорода. Связывание кислорода гемоглобином происходит за счёт кооперативного функционирования его субъединиц. Гемоглобин тетрамерный белок и состоит из 2а-субъединиц и 2b-субъединиц, каждая из которых содержит небелковую часть – гем. Гемоглобин осуществляет транспорт кислорода из легких к тканям. При присоединении молекулы кислорода к одной из субъединиц этого тетрамера происходит изменение третичной структуры данной субъединицы. В свою очередь это вызывает целый ряд структурных перестроек в соседних субъединицах, которые приводят к изменению четвертичной структуры. Присоединения последующих молекул кислорода к остальным субъединицам происходит намного эффективнее. В результате присоединения кислорода к гемоглобину эритроцитов в легочных капилярах образуется оксигемоглобин. Отдавая молекулы кислорода оксигемоглобин превращается в дезоксигемоглобин. Высвобождение кислорода тканям зависит от аллостерического регулятора 2,3-дифосфоглицерата в аллостерическом центре молекулы дезоксигемоглобина, при этом сродство гемоглобина к кислороду резко снижается. При переходе в оксигемоглобин 2,3-дифосфоглицерат  покидает аллостерический центр.

Транспорт СО_{2 .} У взрослого человека при распаде мономеров в тканях образуется до 500л/сут СО₂ , который поступает в кровь. При прохождении крови по капиллярам легких происходит диффузия растворенного СО₂ из крови через стенки капилляров в просвет легочных альвеол. Только 5-10% СО₂ переносится в физически растворенном виде. Попадая в цитоплазму эритроцита СО₂  может присоединяться к аминогруппам гемоглобина с образованием карбгемоглобина или вступать в реакцию с водой. Эту реакцию ускоряет Zn²⁺ - содержащий фермент карбоангидраза. Образовавшаяся угольная кислота диссоциирует на протон и бикарбонат-ион. Избыток НСО^3- диффундирует по НСО³/CL^- - каналу эритроцита в плазму крови. Протоны, в свою очередь, связываются с оксигемоглобином и облегчают диссоциацию оксигемоглобина с высвобождением кислорода.

  Перенося кислород, эритроциты его сами не потребляют. Однако незначительная его часть идет на оксисление Fe²⁺ гемоглобина до Fe³⁺. В этом случае гемоглобин превращается в метгемоглобин и не способен связывать кислород. В норме в эритроцитах содержится от 0,5 до 3% метгемоглобин. Под воздействием окислителей (метиленового синего и др.) количество метгемоглобина значительно увеличивается (до 30%).

Превращение метгемоглобина в гемоглобин происходит с участием фермента метгемоглобинредуктаза и НАДН(НАДФН).

При взаимодействии оксида углерода с гемоглобином образуется химическое соединение- карбосигемоглбин, которое неспособно связывать кислород.

 

Метаболизм эритроцитов.

Обмен глюкозы. Обменные процессы из-за отсутствия органелл в зрелых эритроцитах очень ограничены. 90% глюкозы в эритроцитах распадается в процессе анаэробного гликолиза  и 10% окисляется в реакциях пентозофосфатного пути.

Конечным продуктом анаэробного гликолиза является молочная кислота, которая выходит в плазму крови и используется другими клетками. Молекулы АТФ, которые образуются в результате анаэробного гликолиза необходимы для активного транспорта ионов через мембрану эритроцита, т.е. для поддержания внутриклеточного градиента концентрации ионов и для поддержания самого гликолиза, требующего затраты АТФ в гексокиназной и фосфофруктокиназной реакциях. Важная особенность анаэробного гликолиза в эритроцитах по сравнению с другими клетками — присутствие в них фермента бисфосфоглицератмутазы, которая катализирует образование 2,3-бисфосфоглицерата из 1,3-бисфосфоглицерата:

                                              

|

2,3-бисфосфоглицерат, образуется только в эритроцитах и служит важным аллостерическим регулятором связывания O₂ с гемоглобином.

В ходе пентозофосфатного цикла вырабатываются восстановленный никотинамидадениндинуклеотид (НАДН+Н⁺), который используется для восстановления метгемоглобина в гемоглобин, и восстановленный никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФН+Н⁺)- для восстановления глутатиона.   

Глутатион – это биологически активный трипептид (γ-глутамил-цистеинил-глицил), способный легко окисляться, защищает от окисления и инактивации ряд важных ферментов, содержащих серу, в частности, ферменты, связанные с молекулой гемоглобина и клеточной мембраной.

    

 

 

COOH – CH – CH₂ – CH₂ – CO – NH – CH – CH₂ – SH

                                |                                  |

                               NH2                           CO

                                                                        |

                                                                       NH

                                                                        |

                                                                       CH2

                    Глутатион                             |                                                                    

                                                                       COOH  

Вследствие снижения скорости синтеза АТФ падает активность Na⁺,K⁺- АТФ-азы, повышается осмотическое давление и возникает осмотический шок. Дефицит НАДН+Н⁺ приводит к накоплению метгемоглобина и увеличению образования активных форм кислорода, вызывающих окисление SН-групп в молекулах гемоглобина.

Большое содержание кислорода в эритроцитах определяет высокую скорость образования супероксидного анион-радикала O₂^-, пероксида водорода Н₂О₂ и гидроксил-радикала ОН'. Постоянным источником активных форм кислорода в эритроцитах является неферментативное окисление железа гемоглобина:

Активные формы кислорода могут вызвать гемолиз эритроцитов. Эритроциты содержат ферментативную систему, предотвращающую токсическое действие радикалов кислорода и разрушение мембран эритроцитов.

Восстановленная форма глутатиона (сокращённое обозначение Г-SH) участвует в реакциях обезвреживания пероксида водорода и органических пероксидов (R-O-OH). При этом образуются вода и окисленный глутатион (сокращённое обозначение Г-S-S-Г).

 

Превращение окисленного глутатиона в восстановленный катализирует фермент глутатионредуктаза.

В эритроцитах имеются также ферменты супероксиддисмутаза и каталаза, осуществляющие следующие превращения:

Антиоксидантные системы имеют для эритроцитов особое значение, так как в эритроцитах не происходит обновления белков путём синтеза.

Нарушение любого звена ферментативной системы обезвреживания активных форм кислорода приводит к снижению скорости этого процесса. При генетическом дефекте глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы и приеме некоторых лекарств, являющихся сильными окислителями, потенциал глутатионовой защиты может оказаться недостаточным. В норме фермент супероксиддисмутаза катализирует образование пероксида водорода, который под действием глутатионпероксидазы превращается в Н₂О. При недостаточной активности ферментов обезвреживания активных форм кислорода происходит окисление SH-групп в остатках цистеина протомеров метгемоглобина и образование дисульфидных связей. Такие структуры называются тельцами Хайнца. Они способствуют разрушению эритроцитов при попадании их в мелкие капилляры. Активные формы кислорода, вызывая перекисное окисление липидов мембран, разрушают мембраны.

Рис.2. Образование и обезвреживание активных форм кислорода в эритроците:

1 - спонтанное окисление Fe²⁺ в теме гемоглобина - источник супероксидного аниона в эритроцитах;

2 - Супероксиддисмутаза превращает супероксидный анион в пероксид водорода и воду: О^2-+ О^2- + 2Н⁺ → Н₂О₂ + О₂;

3 - пероксид водорода расщепляется каталазой: 2Н₂О₂ → 2Н₂О + О₂ или глутатионпероксидазой: 2GSH + Н₂О₂ → GSSG +2Н₂О;

4 - Глутатионредуктаза восстанавливает окисленный глутатион: GSSG + NADPH⁺ + Н⁺ → 2GSH + NADP⁺;

5 - NADPH, необходимый для восстановления глутатиона, образуется на окислительном этапе пентозофосфатного пути превращения глюкозы;

6 - NADH, необходимый для восстановления гемоглобина метгемоглобинредуктазной системой, образуется в глицеральдегидфосфатдегидрогеназной реакции гликолиза.

Гемоглобинопатии.

Известно много генетических вариантов гемоглобина, образование которых приводит к аномалиям эритроцитов или их функции. Среди них наиболее известен гемоглобин S, обусловливающий серповидноклеточную анемию.

  Серповидноклеточная анемия – наследственное заболевание, обусловленное точечной мутацией гена, кодирующего структуру β – цепи гемоглобина. При этой патологии эритроциты в условиях низкого парциального давления кислорода принимают форму серпа. Гемоглобин S, после отдачи кислорода в тканях превращается в плохо растворимую форму и начинает выпадать в осадок в виде веретенообразных кристаллоидов. Они деформируют клетку и приводят к гемолизу. Болезнь протекает остро, и дети погибают в раннем возрасте. Дефект при серповидноклеточной анемии сводится к замене единственной аминокислоты – глутаминовой в 6 – ом положении с N – конца на валин в β – цепях молекулы гемоглобина. Все остальные аминокислоты распологаются в той же последовательности и в таком же количестве, как и в нормальном гемоглобине Hb A:

Hb A: вал – гис – лей - тре – про – глу – глу – лиз……

 Hb S: вал – гис – лей - тре – про – вал – глу – лиз……

При этом заболевании отмечают анемию, прогрессирующую слабость, отставание в развитии и желтуху.

Талассемии – наследственные заболевания, обусловленное снижением скорости синтеза α– или β– цепей гемоглобина. При β – талассемии не синтезируются β– цепи гемоглобина. Это вызывает образование нестабильных тетрамеров, содержащих только α – цепи. При этом заболевании в костном мозге усиливается разрушение эритробластов, а ускорение разрушения эритроцитов приводит к внутрисосудистому гемолизу. Клинически β – талассемия не проявляется до рождения. В случае α – талассемии нарушается синтез α – цепей гемоглобина F у плода.

Наследственный сфероцитоз. Причиной заболевания является дефект белков цитоскелета эритроцитов – спектрина или анкирина, которые обеспечивают поддержание двояковогнутой формы эритроцитов и эластичности мембран. Эритроциты приобретают шарообразную форму, что приводит снижению скорости газообмена. Заболевание сопровождается анемией и желтухой.

 

2. Лейкоциты (белые кровяные тельца) отличаются большим разнообразием, как по строению, так и по функциональному значению. Лейкоциты являются полноценными клетками с большим ядром, митохондриями и высоким содержанием нуклеиновых кислот. Нормальное количество лейкоцитов в периферической крови – 1,9 – 5,7 х109/л.

Регуляция пролиферации стволовой клетки костного мозга в процессе дифференцировки лейкоцитов осуществляется

гранулоцитарно-макрофагальными колониестимулирующими факторами.  Ингибирование процесса дифференцировки осуществляется  клетками, несущими рецепторы к Fc-фрагменту IgG и др.

Основной путь получения энергии – аэробный гликолиз. АТФ образуется также в реакциях β-окисления жирных кислот.

В лейкоцитах сосредоточен весь гликоген крови, который является источником энергии при недостаточном её поступлении.

 В лизосомах лейкоцитов локализована мощная система протеолитических ферментов – протеазы, фосфатазы, эстеразы, ДНК-азы, РНК-азы, что обеспечивает участие этих клеток в защитных реакциях организма. Поглощение бактерий лейкоцитами в процессе фагоцитоза сопровождаются резким увеличением потребления кислорода с образованием супероксидного аниона и пероксида водорода, которые оказывают бактерицидное действие. Это явление называется «распираторным взрывом».

Лейкоциты активно участвуют в борьбе с чужеродными микроорганизмами. Они устремляются к месту повреждения тканей и накапливаются вблизи него, причем эти клетки мигрирует из кровотока через стенки близлежащих кровеносных сосудов. К месту повреждения их привлекают химические вещества, высвобождаемые поврежденными тканями. Эти клетки способны поглощать бактерии и разрушать их своими ферментами. Таким образом, лейкоциты препятствуют распространению инфекции в организме.

Лейкоциты принимают также участие в удалении мертвых или поврежденных тканей.

3.Тромбоциты (кровяные пластинки) - образуются из цитоплазмы мегакариоцитов костного мозга. Это безъядерные фрагменты их цитоплазмы. У здорового человека количество тромбоцитов в периферической крови подвержено значительным колебаниям в течение суток—от 150 до 350 • 109/л. В тромбоцитах протекают основные биохимические процессы: синтез белка, реакции обмена углеводов и липидов, окислительное фосфорилирование