Каковы функции эритроцитов в переносе кислорода и углекислого газа благодаря их цитоплазме

Эритроциты способны переносить кислород и углекислый газ благодаря наличию в их цитоплазме гемоглобина — белка, который связывается с кислородом в легких и транспортирует его к клеткам тканей. Гемоглобин также умеет связываться с углекислым газом, что позволяет эффективно удалять этот газ из организма и выводить его через легкие.

Таким образом, именно гемоглобин играет ключевую роль в газообмене, обеспечивая жизненно важные процессы, которые необходимы для нормального функционирования организма. Без этого белка способности эритроцитов к переносу газов были бы значительно ограничены.

Эритроциты: ключевые элементы крови и их роль

В данной статье рассматриваются основные понятия, связанные с эритроцитами. Поговорим о их определении, функциях и характеристиках.

Эритроциты представляют собой красные кровяные клетки. Они не имеют ядра, имеют форму двояковогнутого диска и не могут делиться. Такая форма позволяет им более эффективно поглощать кислород, а также упруго изменять свою форму, что помогает им проходить через капилляры различного диаметра.

Средний размер эритроцита составляет 7,8 микрон. Их нормальная форма – это двояковогнутый диск с диаметром 7,8 микрон. Тонкая часть имеет толщину 0,81 мкм, а края – 2,6 мкм.

Благодаря своей форме эритроциты обладают большой площадью поверхности и эластичностью, что позволяет им адаптироваться по форме. Их площадь поверхности достигает 135 квадратных микрон, объем — 90 кубических микрон, при этом 95% их состава занимает гемоглобин.

Эритроциты способны изменять размер, окраску и форму. Если размеры клеток остаются в пределах физиологических норм, это называется изоцитозом. Клетки с нормальным размером называют нормоцитами.

Если в крови преобладают маленькие эритроциты диаметром 6,5-6,8 микрон, это указывает на микроцитоз. Превалирование эритроцитов с диаметром 8,5-9 микрон считается макроцитозом.

При микроскопии наблюдается, что центральная часть нормального эритроцита светлее, чем края. Это явление известно как нормохромия. Если же центр пустой, это свидетельствует о гипохромии, что указывает на низкий уровень гемоглобина. Гиперхромия проявляется в более интенсивной окраске эритроцита или увеличении его диаметра.

Существует несколько типов гемоглобина. Основным является гемоглобин А, но Выделяют гемоглобин А2 и фетальный гемоглобин. В крови здорового человека можно найти оксигемоглобин, восстановленный гемоглобин и карбгемоглобин, в то время как патологические виды, такие как карбоксигемоглобин и метгемоглобин, нарушают функции транспортировки кислорода.

Эритроциты выполняют три главные функции: транспортную, защитную и регулирующую. Транспортная функция заключается в переносе кислорода, углекислого газа и других активных веществ. Защитная функция связана с образованием иммунитета и механизмами гемостаза.

Информация о клетках крови

Кровь состоит из различных клеток, каждая из которых выполняет свои особые задачи — от транспортировки кислорода до защиты организма. Для более глубокого понимания изменений в составе крови при заболеваниях важно знать функции каждого типа клеток.

Клетки крови делятся на эритроциты и лейкоциты. Эритроциты составляют большинство клеток в крови и занимаются переносом кислорода и углекислого газа. В процессе их созревания они избавляются от «лишних» компонентов и заполняются гемоглобином.

Лейкоциты (белые кровяные клетки) борются с инфекциями и участвуют в поглощении остатков разрушенных клеток, проходя через стенки капилляров в ткани. Лейкоциты можно разделить на три группировки: гранулоциты, моноциты и лимфоциты.

Гранулоциты включают в себя нейтрофилы, эозинофилы и базофилы. Нейтрофилы ликвидируют бактерии, базофилы выделяют гистамины в процессе воспалительных реакций, а эозинофилы помогают бороться с паразитами и аллергиями.

Функции клеток крови

Моноциты, наряду с нейтрофилами, выполняют функцию «санитаров» организма, так как их основная задача – удаление остатков старых и поврежденных клеток, а также инородных веществ. Попадая из крови в ткани, моноциты преобразуются в макрофаги, которые больше по размеру и имеют более продолжительный жизненный цикл, чем нейтрофилы.

Лимфоциты

Лимфоциты являются основными клетками, отвечающими за иммунный ответ. Они делятся на два основных вида:

1. B-лимфоциты, которые вырабатывают антитела,
2. T-лимфоциты, осуществляющие нападение на зараженные вирусами клетки и координирующие работу других лейкоцитов.

Кроме того, существуют естественные (природные) киллеры, которые способны уничтожать раковые клетки.

Тромбоциты

Тромбоциты встречаются в крови в большом количестве. Они не являются полноценными клетками, а представляют собой мелкие фрагменты, отделившиеся от гигантских мегакариоцитов. Эти последние находятся в костном мозге и, отщепляя «клеточные пластинки», образуют тромбоциты. Тромбоциты имеют способность прилипать к поврежденной сосудистой стенке, выступая в роли заплатки и способствуя восстановлению целостности сосуда во время сворачивания крови.

Эритроциты

Эритроциты являются самыми многочисленными и специализированными клетками крови. У здоровых взрослых мужчин в одном микролитре крови содержится около 5,1 миллионов эритроцитов, а у женщин – 4,6 миллиона. Примерно 85% эритроцитов имеют форму двояковогнутых дисков, которые называются нормоцитами. Их диаметр варьируется от 7 до 8 мкм, а центральная часть имеет толщину около 2 мкм.

Благодаря своей форме нормоциты идеально подходят для выполнения функции газового обмена. Площадь поверхности двояковогнутого диска больше, чем у шарику той же массы, и газы проходят меньшее расстояние от наружной мембраны до белков, ответственных за транспортировку. Таким образом, увеличивается площадь диффузии и сокращается расстояние, что в целом дает возможность значительно увеличить площадь поверхности всех эритроцитов у взрослого человека — до 3800 м².

Форма эритроцитов и особенности их мембраны обеспечивают им высокую пластичность, то есть способность к обратимой деформации. Это позволяет им эффективно проходить через капилляры, которые могут быть значительно меньшего диаметра (до 2-3 мкм) и имеют изогнутую форму.

Изменения в мембранной структуре затрудняют нормальное взаимодействие клеточных элементов и приводят к деформации, что может вызвать превращение нормоцитов в сфероциты, что является одной из причин их задержки и разрушения в селезенке.

Уникальная характеристика зрелых эритроцитов заключается в отсутствии ядра и органелл, что стало причиной их неспособности к синтезу белков, липидов и аэробному окислительному фосфорилированию. Главным источником энергии для зрелых эритроцитов по-прежнему остается АТФ.

Основные функции эритроцитов включают транспортировку, гомеостаз и защиту. Их транспортная функция заключается в способности переносить кислород, углекислый газ, питательные вещества (белки и углеводы), биологически активные вещества. Гомеостатическая функция происходит благодаря тому, что гемоглобин в эритроците связывает углекислый газ, снижая уровень угольной кислоты в крови и стабилизируя pH.

Процесс образования эритроцитов (эритропоэз) осуществляется в кроветворных органах: желточном мешке у эмбрионов, печени и селезенке у плода, а В красном костном мозге у детей и взрослых. В этих органах находятся полипотентные стволовые клетки, являющиеся предшественниками всех клеток крови.

Количество эритроцитов значительно увеличивается после потери крови, при патологическом укорочении их жизненного цикла и недостатке кислорода в воздухе. Основным стимулом для быстрого деления и дифференцировки предшественников эритроцитов в костном мозге является гликопротеин эритропоэтин.

В последнее время эритропоэтин стал известен как один из запрещенных видов допинга в спорте. Его применение позволяет спортсменам во время тренировок постепенно увеличивать количество эритроцитов в крови, что дает преимущество во время соревнований, облегчая выполнение физических нагрузок в условиях недостаточного кислорода.

Гемоглобин и его роль

При разрушении эритроцитов (гемолизе) гемоглобин попадает в плазму, где он быстро связывается с белком гаптоглобином, формируя комплекс, который затем нейтрализуется клетками фагоцитирующей системы печени и селезенки. Период полураспада гемоглобина в крови составляет примерно 10 минут. Сохранение гемоглобина внутри эритроцита защищает его от негативного воздействия компонентов плазмы, позволяет сосредоточиться и создать оптимальные условия для функционирования. Гемоглобин также сложным образом взаимодействует с мембраной эритроцита и элементами цитоскелета, что увеличивает его активность.

Молекула гемоглобина состоит из белковой части (глобина), включающей две пары полипептидных цепей, и небелковой части, которая состоит из четырех гемов.

Соединения гемоглобина с кислородом и углекислым газом относятся к «физиологическим» в отличие от «патологических» соединений. Пример патологических соединений — карбоксигемоглобин, который образуется в результате взаимодействия гемоглобина с угарным газом (СО).

Карбоксигемоглобин лишен всех функции, которые выполняет гемоглобин, что обуславливает риски тяжелого отравления при попадании угарного газа в легкие. Другим соединением, негативно влияющим на гемоглобин, является метгемоглобин, в котором железо находится в окисленном трехвалентном состоянии (Fe³⁺). Эта форма гемоглогбина не в состоянии связываться с кислородом в обратимом режиме. В организме небольшое количество метгемоглобина присутствует постоянно. Однако окисляющие агенты, такие как перекисные соединения и свободные радикалы, повышают уровень метгемоглобина, в то время как антиоксиданты, например аскорбиновая кислота, способствуют его снижению.

Недостаток гемоглобина в крови может также быть причиной тяжелых заболеваний, а не только наличие его дефектов. Состояния, сопровождающиеся уменьшением содержания гемоглобина, общепризнано называются «анемией» (или малокровием). Острая потеря крови может выступать катализатором для развития анемии. После такой потери плазма крови восстанавливается в течение одного-трех дней, а уровень эритроцитов нормализуется на протяжении трех-шести недель. В указанный временной промежуток организм будет страдать от анемии.

Анемию также могут вызывать нарушения в функциональной активности красного костного мозга, которые возникли вследствие радиационного или химического воздействия. Этот тип анемии называется апластической. В случае нехватки витамина В12 или фолиевой кислоты процесс образования эритроцитов в костном мозге замедляется, что приводит к образованию крупных и деформированных красных кровяных клеток (мегалобластов). Увеличенные размеры клеток не компенсируют замедление их образования, и эта форма малокровия известна как мегалобластная анемия.

К возникновению анемии может привести и образование «дефектного» гемоглобина, имеющего поврежденные β-цепочки. При низком кислородном содержании такой гемоглобин склонен к кристаллизации, что приводит к удлинению формы эритроцитов и их принятию серпообразного вида. Ненормальная форма красных клеток делает их более уязвимыми к разрушению при прохождении через капилляры, что приводит к серповидно-клеточной анемии.

От этого заболевания страдает от 0,3 до 1,0% коренных жителей Западной Африки. Различные формы эритроцитов при разных формах анемии можно увидеть на изображении 4.5.

Структура и состав

В большинстве групп позвоночных животных эритроциты содержат ядро и другие клеточные органеллы.

В млекопитающих зрелые эритроциты не имеют ядер, внутренних мембран и большинства органелл. Во время эритропоэза ядра удаляются из клеток-предшественников. В основном эритроциты млекопитающих имеют форму двояковогнутого диска и содержат преобладающее количество дыхательного пигмента – гемоглобина. У некоторых животных, так как у верблюдов, эти клетки имеют овальную форму.

Содержимое эритроцитов в первую очередь представляет собой гемоглобин, который и создает красный цвет крови. Однако на ранних этапах развития количество гемоглобина низкое, и на стадии эритробластов клетка имеет синий цвет; по мере созревания цвет изменяется на серый, и только полностью сформировавшись, клетка приобретает красный оттенок.

Клеточная мембрана эритроцитов играет важную роль, обеспечивая транспорт газов (кислорода и углекислого газа), воды и ионов (Na, K). Мембрану покрывают трансмембранные белки-гликофорины, которые благодаря множеству остатков N-ацетилнейраминовой (сиаловой) кислоты формируют примерно 60% отрицательного заряда на поверхности клеток.

На мембране присутствуют специфические антигены гликопротеиновой природы, известные как агглютинины, что являются факторами систем групп крови (по состоянию на сегодня изучено более 15 систем, например AB0, резус-фактор, антиген Даффи, антиген Келл и антиген Кидд). Эти антигены вызывают агглютинацию эритроцитов под воздействием соответствующих агглютининов.

Эффективность работы гемоглобина зависит от площади контакта эритроцитов с окружающей средой. Общая поверхность всех эритроцитов в крови больше при меньших размерах клеток. У низших позвоночных животных эритроциты имеют больший размер (например, у хвостатого земноводного амфиумы — 70 мкм в диаметре), тогда как у более высоких позвоночных клетки мельче (например, у козы — 4 мкм в диаметре). Существующие размеры эритроцитов у человека колеблются от 6,2 до 8,2 мкм в диаметре, толщиной около 2 мкм и объемом от 76 до 110 мкм³.

Нормальные значения содержания эритроцитов в крови:

• для мужчин — от 3,9 до 5,5⋅10¹² на литр (от 3,9 до 5,5 миллионов в 1 мм³),
• для женщин — от 3,9 до 4,7⋅10¹² на литр (от 3,9 до 4,7 миллионов в 1 мм³),
• для новорожденных — до 6,0⋅10¹² на литр (до 6 миллионов в 1 мм³),
• для пожилых людей — около 4,0⋅10¹² на литр (менее 4 миллионов в 1 мм³).

Переливание крови

При процедуре переливания крови от донора к реципиенту существует риск агглютинации (склеивания) эритроцитов, а также их гемолиза (разрушения). Чтобы избежать данных осложнений, необходимо учитывать группы крови, классифицированные Карлом Ландштейнером в 1900 году. Агглютинацию провоцируют белки, расположенные на поверхности эритроцитов — антигены (агглютиногены) и антитела (агглютинины), находящиеся в плазме. В системе AB0, описанной Яном Янским в 1907 году, выделяются 4 группы крови, отличающиеся различными антигенами и антителами. Обычно переливание производится только между людьми одной группы крови.