|
|
Лекция 3 Морфофункциональная характеристика клеток красной крови в норме. Кинетика эритрона. Эритроцит
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.
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.
|
|
|
Скачать 56.19 Kb.