I. МЕТАБОЛИЗМ ЭРИТРОЦИТОВ
Эритроциты - высокоспециализированные клетки, которые переносят кислород от лёгких к тканям и диоксид углерода, образующийся при метаболизме, из тканей к альвеолам лёгких. Транспорт О2 и СО2 в этих клетках осуществляет гемоглобин, составляющий 95% их сухого остатка. Организм взрослого человека содержит около 251012 эритроцитов, при этом каждые сутки обновляется примерно 1% этого количества клеток, т.е. в течение одной секунды в кровоток поступает около 2 млн эритроцитов.
А. Особенности строения и дифференцировки эритроцитов
Эритроциты - единственные клетки, доторые имеют только клеточную мембрану и цитоплазму. Дифференцировка стволовых клеток в специализированные происходит в клетках костного мозга и заканчивается в кровотоке. Особенности строения эритроцитов соответствуют их функциям: большая площадь поверхности обеспечивает эффективность газообмена, эластичная клеточная мембрана облегчает движение по узким капиллярам, специальная ферментативная сисгема защищает эти клетки от активных форм кислорода.
Дифференцировка эритроцитов. Эритроциты, так же как и другие клетки крови, образуются из полипотентных стволовых клеток костного мозга (рис. 14-1).
Размножение и превращение начальной клетки эритроидного ряда в унипотентную стимулирует ростовой фактор интерлейкин-3. Интерлейкин-3 синтезируется Т-лимфоцитами, а также клетками костного мозга. Это низкомолекулярный белок группы цитокинов - регуляторов роста и дифференцировки клеток.
Дальнейшую пролиферацию и дифференцировку унипотентной клетки эритроидного ряда регулирует синтезирующийся в почках гормон эритропоэтин. Скорость образования эритропоэтина в почках зависит от парциального давления кислорода. При недостатке кислорода скорость образования гормона повышается и, соответственно, количество эритроцитов тоже увеличивается. Хроническая почечная недостаточность сопровождается снижением образования эритропоэтина в почках, что приводит к развитию анемии.
В процессе дифференцировки на стадии эритробласта происходят интенсивный синтез гемоглобина, конденсация хроматина, уменьшение размера ядра и его удаление. Образующийся ретикулоцит ещё содержит глобиновую мРНК и активно синтезирует гемоглобин. Циркулирующие в крови ретикулоциты лишаются рибосом, ЭР, митохондрий и в течение двух суток превращаются в эритроциты. Стволовая клетка превращается в эритроцит за две недели. Эритроциты не содержат ядра и поэтому не способны к самовоспроизведению и репарации возникающих в них повреждений. Эти клетки циркулируют в крови около 120 дней и потом разрушаются макрофагами в печени, селезёнке и костном мозге (см. раздел 13).
Строение эритроцитов. Двояковогнутая форма эритроцитов имеет большую площадь поверхности по сравнению с клетками сферической формы такого же размера. Это облегчает газообмен между клеткой и внеклеточной средой. Кроме того, такая форма, а также особенности строения мембраны и цитоскелета обеспечивают большую пластичность эритроцитов при прохождении ими мелких капилляров.
Важную роль в сохранении формы и способности к обратимой деформации эритроцитов играют липиды и белки плазматической мембраны.
657
Рис. 14-1. Схема дифференцировки стволовых клеток костного мозга в зрелые эритроциты.
Липиды бислоя плазматической мембраны эритроцитов, так же, как плазматические мембраны других клеток, содержат глицерофосфолипиды, сфингофосфолипиды, гликолипиды и холестерол (см. раздел 5). Увеличение содержания холестерола в составе мембраны, которое может наблюдаться при некоторых заболеваниях, снижает её текучесть и эластичность, а следовательно, и способность к обратимой деформации. Это, в свою очередь, затрудняет движение эритроцитов через капилляры и может способствовать развитию гемостаза.
Методом электрофореза в мембране эритроцитов обнаруживают около 15 основных мембранных белков с молекулярной массой от 15 до 250 кД. Около 60% массы мембранных белков приходится на спектрин, гликофорин и белок полосы 3 (называется так по расположению этой белковой фракции на электрофореграмме относительно других белков). Интегральный гликопротеин гликофорин присутствует только в плазматической мембране эритроцитов (рис. 14-2). К N-концевой части белка, расположенной на наружной поверхности мембраны, присоединено около 20 олигосахаридных цепей (см. раздел 5). Олигосахариды гликофорина - антигенные детерминанты системы групп крови АВО (см. раздел 10).
Спектрин - периферический мембранный белок, нековалентно связанный с цитоплазматической поверхностью липидного бислоя мембраны. Он представляет собой длинную, тонкую, гибкую фибриллу и является основным белком цитоскелета эритроцитов. Спектрин состоит из - и -полипептидных цепей, имеющих доменное строение; - и -цепи димера расположены антипараллельно, перекручены друг с другом и нековалентно взаимодействуют во многих точках. Спектрин может прикрепляться к мембране и с помощью белка анкирина. Этот крупный белок соединяется с -цепью спектрина и цитоплазматическим доменом интегрального белка мембраны - белка полосы 3. Анкирин не только фиксирует
658
спектрин на мембране, но и уменьшает скорость диффузии белка полосы 3 в липидном слое. Таким образом, на цитоплазматической поверхности эритроцитов образуется гибкая се-тевидная структура, которая обеспечивает сохранение их формы при прохождении через узкие капилляры сосудов (рис. 14-2).
Интегральный белок полосы 3 - белок-переносчик ионов С1- и НСО3- через плазматическую мембрану эритроцитов по механизму пассивного антипорта. В разделе 1 подробно описана роль эритроцитов в газообмене. Поступающий из тканей в эритроциты СО2 под действием фермента карбоангидразы превращается в слабую угольную кислоту, которая распадается на Н+ и НСО3-. Образующиеся при этом протоны присоединяются к гемоглобину, уменьшая его сродство к О2, а бикарбонаты с помощью белка полосы 3 обмениваются на Cl- и выходят в плазму крови.
Н2О + СО2 Н2СО3 Н+ + НСО3- обмен на Сl- .
В лёгких увеличение парциального давления кислорода и взаимодействие его с гемоглобином приводят к вытеснению протонов из гемоглобина, обмену внутриклеточного Сl- на НСО3- через белок полосы 3, образованию угольной кислоты и её разрушению на СО2 и Н2О.
Мембранный фермент Nа+, К+-АТФ-аза обеспечивает поддержание градиента концентраций Na+ и К+ по обе стороны мембраны. При снижении активности Na+, К+-АТФ-азы концентрация Na+ в клетке повышается, так как небольшие ионы могут проходить через мембрану простой диффузией. Это приводит к увеличению осмотического давления, увеличению поступления воды в эритроцит и к его гибели в результате разрушения клеточной мембраны - гемолизу.
Са2+-АТФ-аза - ещё один мембранный фермент, осуществляющий выведение из эритроцитов ионов кальция и поддерживающий градиент концентрации этого иона по обе стороны мембраны.
Б. Метаболизм глюкозы в эритроцитах
Эритроциты лишены митохондрий, поэтому в качестве энергетического материала они могут использовать только глюкозу. В эритроцитах катаболизм глюкозы обеспечивает сохранение структуры и функции гемоглобина, целостность мембран и образование энергии для работы ионных насосов. Глюкоза поступает в эритроциты путём облегчённой диффузии с помощью ГЛЮТ-2. Около 90% поступающей глюкозы используется в анаэробном гликолизе, а остальные 10% - в пентозофосфатном пути.
Конечный продукт анаэробного гликолиза лактат выходит в плазму крови и используется в других клетках, прежде всего гепатоцитах. АТФ, образующийся в анаэробном гликолизе, обеспечивает работу Nа+, К+-АТФ-азы и поддержание самого гликолиза, требующего затраты АТФ в гексокиназной и фосфофруктокиназной реакциях (см. раздел 7).
Важная особенность анаэробного гликолиза в эритроцитах по сравнению с другими клетками - присутствие в них фермента бисфосфоглицератмутазы. Бисфосфоглицератмутаза катализирует образование 2,3-бисфосфоглицерата из 1,3-бисфосфоглицерата (рис. 14-3). Образующийся только в эритроцитах 2,3-бисфосфоглицерат служит важным аллостерическим регулятором связывания кислорода гемоглобином (см. раздел 1).
Глюкоза в эритроцитах используется и в пентозофосфатном пути, окислительный этап которого обеспечивает образование кофермента NADPH, необходимого для восстановления глу-татиона (рис. 14-4).
В. Обезвреживание активных форм кислорода в эритроцитах
Большое содержание кислорода в эритроцитах определяет высокую скорость образования супероксидного анион-радикала (О2-), пероксида водорода (Н2О2) и гидроксил радикала (ОН.). Эритроциты содержат ферментативную систему, предотвращающую токсическое действие активных форм кислорода и разрушение мембран эритроцитов (рис. 14-4). Постоянный источник активных форм кислорода в эритроцитах - неферментативное окисление гемоглобина в метгемоглобин:
В течение суток до 3% гемоглобина может окисляться в метгемоглобин. Однако постоянно
660
Рис. 14-3. Метаболизм 2,3-бисфосфоглицерата в эритроцитах.
метгемоглобинредуктазная сисгема восстанавливает метгемоглобин в гемоглобин. Метгемоглобинредуктазная сисгема состоит из цитохрома B5 и флавопротеина цитохром B5 редуктазы, донором водорода для которой служит NADH, образующийся в глицеральдегиддегидрогеназной реакции гликолиза (рис. 14-4).
Цитохром B5 восстанавливает Fe3+ метгемог-лобина в Fe2+:
Hb-Fe3+ + цит. b5 восст. HbFe2+ + цит. b5 ок. .
Окисленный цитохром B5 далее восстанавливается цитохром B5 редуктазой:
Цит. B5 ок + NADH цит. B5 восст. + NAD+.
Супероксидный анион с помощью фермента супероксидцисмутазы превращается в пероксид водорода:
O2- + O2- + Н+ H2О2 + O2 .
Пероксид водорода разрушается каталазой и содержащим селен ферментом глутатионпероксидазой. Донором водорода в этой реакции служит глутатион - трипептид глутамилцистеинилглицин (GSH) (см. раздел 12).
2Н2О 2Н2О + О2; 2GSH + 2Н2О2 GSSG + 2Н2О .
Окисленный глутатион (GSSG) восстанавливается NADPH-зависимой глутатионредуктазой. Восстановление NADP для этой реакции обеспечивают окислительные реакции пентозофосфатного пути (см. раздел 7).
Г. Hарушения метаболизма эритроцитов
Энзимопатии, обусловливающие гемолиз эритроцитов. Для эффективного обезвреживания активных форм кислорода, образующихся в эритроцитах, необходимы все перечисленные выше ферментативные системы защиты. Однако у людей обнаружено около 3000 генетических дефектов глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы. Этот фермент катализирует скорость-лимитирующую реакцию пентозофосфатного пути окисления глюкозы, которая обеспечивает образование NADPH + Н+. Как известно, от количества NADP + Н+ зависит активность глутатионредуктазы и глутатионпероксидазы - ферментов, разрушающих пероксид водорода. Не менее 100 млн
661
человек, у которых активность этого фермента снижена, являются носителями дефектных генов глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы. При приёме некоторых лекарств, являющихся сильными окислителями (антималярийного препарата примахина, сульфаниламидов), у пациентов, имеющих генетические дефекты глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы или глутатионредуктазы, глутатионовой защиты может оказаться недостаточно. Активные формы кислорода вызывают образование гидроперекисей ненасыщенных жирных кислот фосфолипидов, входящих в состав клеточных мембран, их разрушение и гемолиз эритроцитов.
Генетический дефект любого фермента гликолиза приводит к уменьшению образования АТФ и NADH + Н+ в этих клетках. Вследствие снижения скорости синтеза АТФ падает активность Nа+, К+-АТФ-азы, повышается осмотическое давление и возникает осмотический шок. Дефицит NADH + H+ приводит к накоплению метгемоглобина и увеличению образования активных форм кислорода, вызывающих окисление SH-групп в молекулах гемоглобина. Молекулы метгемоглобина образуют дисульфидные связи между протомерами и агрегируют с образованием телец Хайнца (рис. 14-5).
Гемоглобинопатии
Серповидноклеточная анемия - тяжёлое наследственное заболевание, обусловленное точечной мутацией гена, кодирующего структуру -цепи гемоглобина (см. раздел 4). В результате в эритроцитах больных присутствует HbS, -цепи которого в шестом положении вместо гидрофильной глутаминовой кислоты содержат гидрофобную аминокислоту валин. Появление гидрофобной аминокислоты недалеко от начала молекулы способствует возникновению нового центра связывания, поэтому при низком парциальном давлении кислорода тетрамеры дезокси-HbS ассоциируют, образуя длинные микротрубчатые образования, которые полимеризуются внутри эритроцитов. Полимеризация приводит к нарушению структуры эритроцитов, они приобретают серповидную форму и легко разрушаются. При этом заболевании отмечают анемию, прогрессирующую слабость, отставание в развитии и желтуху.
Носители гена серповидноклеточной анемии чаще всего встречаются среди африканского населения, так как они приобретают некоторое преимущество при заболевании малярией, часто встречающейся в странах с тропическим климатом. Причина сохранения гена серповидноклеточной анемии в популяции связана с тем, что в эритроцитах гетерозигот хуже развивается малярийный плазмодий, часть жизненного цикла которого проходит в эритроцитах человека. В связи с этим гетерозиготные носители дефектного
Рис. 14-5. Схема образования телец Хайнца-агрегация гемоглобина. В норме супероксиддисмутаза катализирует образование пероксида водорода, который под действием глутатионпероксидазы превращается в Н2О. При недостаточной активности ферментов обезвреживания активных форм кислорода между протомерами метгемоглобина образуются дисульфидные связи, и они агрегируют.
663
гена выживали при эпидемиях малярии, однако четверть их потомства погибала от серповиднок-леточной анемии.
Талассемии - наследственные заболевания, обусловленные отсутствием или снижением скорости синтеза - или -цепей гемоглобина. В результате несбалансированного образования глобиновых цепей образуются тетрамеры гемоглобина, состоящие из одинаковых протомеров. Это приводит к нарушению основной функции гемоглобина - транспорту кислорода к тканям. Нарушение эритропоэза и ускоренный гемолиз эритроцитов и клеток-предшественников при талассемиях приводит к анемии.
При -талассемии не синтезируются -цепи гемоглобина. Это вызывает образование нестабильных тетрамеров, содержащих только -цепи. При этом заболевании в костном мозге из-за преципитации нестабильных -цепей усиливается разрушение эритробластов, а ускорение разрушения эритроцитов в циркулирующей крови приводит к внутрисосудистому гемолизу. Как известно, для образования фетального гемоглобина р-цепи не требуются (см. раздел 4), поэтому клинически -талассемия не проявляется до рождения, после чего происходит переключение синтеза HbF на НBА.
В случае -талассемии недостаток образования -глобиновых цепей приводит к нарушению образования HbF у плода. Избыточные -цепи образуют тетрамеры, называемые гемоглобином Барта. Этот гемоглобин при физиологических условиях имеет повышенное сродство к кислороду и не проявляет кооперативных взаимодействий между протомерами. В результате гемоглобин Барта не обеспечивает развивающийся плод необходимым количеством кислорода, что приводит к тяжёлой гипоксии. При -талассемии отмечают высокий процент внутриутробной гибели плода. Выжившие новорождённые при переключении с - на -ген синтезируют -тетрамеры или НBН, который, подобно гемоглобину Барта, имеет слишком высокое сродство к кислороду, менее стабилен, чем НBА и быстро разрушается. Это ведёт к развитию у больных тканевой гипоксии и к смерти вскоре после рождения.
Наследственный сфероцитоз. Причиной этой патологии чаще всего является дефект белков цитоскелета эритроцитов - спектрина или ан-кирина, которые обеспечивают поддержание двояковогнутой формы клетки и эластичности мембраны. Эритроциты приобретают шарообразную форму, что приводит к уменьшению площади их поверхности и снижению скорости газообмена. Потеря эластичности клеточной мембраны приводит к повышению хрупкости и травматичности клеток и, как следствие, к ускорению их разрушения в сосудистом русле и селезёнке. Заболевание сопровождается анемией и желтухой. Удаление селезёнки (спленэктомия) при наследственном сфероцитозе улучшает состояние больных, так как предотвращает разрушение сфероцитов в селезёнке.
Мегалобластная (макроцитарная) анемия развивается при дефиците фолиевой кислоты или витамина В12.
Фолиевая кислота в виде кофермента (Н4-фолата) участвует в синтезе нуклеотидов. Недостаток фолиевой кислоты приводит к снижению скорости синтеза ДНК в быстроделящихся клетках, и в первую очередь в предшественниках эритроцитов. Клетки дольше пребывают в интерфазе, синтезируя гемоглобин, и становятся крупнее. Кроме того, из-за недостатка нуклеотидов они реже делятся, и количество эритроцитов снижается, а крупные мегалобласты быстрее разрушаются. Всё это в конечном итоге приводит к развитию анемии.
Аналогичная симптоматика развивается при недостатке в организме витамина В12. Этот витамин участвует в переносе метальной группы с N5-метил-Н4-фолата на гомоцистеин с образованием метионина и Н4-фолата (см. раздел 10). Недостаточность витамина В12 приводит к накоплению N5-метил-Н4-фолата в клетках. Дефицит Н4-фолата приводит к нарушению деления клеток и развитию анемии.
664
