Структурно-функциональная характеристика эритрона в норме и при патологии

У здорового человека соотношения объемов отдельных частей эритрона стабильны, что обеспечивается постоянным пополнением истощающегося пула клеток, причем общее число циркулирующих эритроцитов составляет (25 – 30)?1012. При продолжительности жизни эритроцита 120 дней костный мозг должен продуцировать в течение часа 1010 эритроцитов. Для поддержания постоянного количества эритроцитов, циркулирующих в крови, такое же их количество должно выводится из кровотока или разрушаться.

При изменении условий жизнедеятельности общий эритропоэз увеличивается или уменьшается в зависимости от потребностей организма в эритроцитах в данный момент. Количество эритроидных клеток, созревающих до стадии эритроцита, характеризует величину эффективного эритропоэза.

А продуцирование функционально неполноценных эритроцитов и процесс внутримозгового разрушения эритроидных ядросодержащих клеток обозначается неэффективным эритропоэзом. Последний в нормальных условиях представляет собой один из физиологических механизмов регуляции равновесия процессов, происходящих в системе эритрона в условиях меняющихся потребностей организма в эритроцитах. У здоровых людей в костном мозге разрушается 5 – 20% эритроидных предшественников; при анемиях различного происхождения интенсивность неэффективного эритропоэза достигает до 50% и более. При этом разрушаются как старые, функционально неполноценные эритроциты, так и ядросодержащие клетки костного мозга.

Эритроцит – специализированная клетка периферической крови, содержащая важнейший дыхательный пигмент Нb и обеспечивающая доставку кислорода от легочных альвеол ко всем клеткам тела и углекислоты от клеток к легким.

Важным свойством эритроцитов является их способность к деформации: циркулируя с кровью они взаимодействуют друг с другом, со стенками сосуда и без потери нативности могут удлиняться, перегибаться, закручиваться. Форма эритроцитов и их высокая деформируемость играют важную роль в выполняемых ими функциях и имеют непосредственное отношение к газообмену. Объем эритроцита, соответствующий диску, может умеренно изменяться без растяжения клеточной мембраны, что и обусловливает его высокую деформируемость. Поэтому от формы эритроцитов частично зависит их стойкость к осмотическому гемолизу, к аутогемолизу, в меньшей степени – к механической травме. Белки цитоскелета и плазматической мембраны эритроцита (спектрин, анкерит, аддуцин, гликоферин) обеспечивают механические свойства и поддерживают форму его. При дефектах этих белков возникают аномалии формы эритроцитов и укорачивается срок их жизни.

Старение эритроцитов связано со снижением активности их ферментных систем. Начиная с 60-го дня после выхода эритроцитов в периферическую кровь в них прогрессирующе снижается активность глюкозо-6-фосфаткиназы и других ферментов, что приводит к уменьшению энергетического потенциала клетки. Кроме того, нарушается способность эритроцитов поддерживать градиент натрия и калия, существующий в норме на их мембране, в последней накапливается кальций. Увеличивается содержание метгемоглобина и окисленного глутатиона. По мере старения эритроцит принимает сферическую форму. В конце своего жизненного цикла эритроциты характеризуются меньшими размерами, большей концентрацией гемоглобина, сниженным содержанием сиаловой кислоты, липидов в плазматической мембране, экспрессией особого гликопротеина-антигена, не характерного для молодых и зрелых клеток, неспецифического антигена стареющих клеток (АСК).

Разрушению (эритродиерезу) подвергается, кроме стареющих эритроцитов, часть ядросодержащих клеток костного мозга (внутрикостно-мозговой неэффективный эритропоэз), функционально неполноценные эритроциты, вышедшие в периферическую кровь (периферический компонент неэффективного эритропоэза). В нормальных условиях эритродиерез происходит внутри мононуклеарных фагоцитов. Дефектные эритроциты подвергаются диерезу в селезёнке.

Выделяют три основных механизма разрушения эритроцитов.

1. Фагоцитоз (внутриклеточный, внесосудистый гемолиз), который характерен для физиологического гемолиза. Существует порог интенсивности внутриклеточного гемолиза, при котором последний не уравновешивается эритропоэзом – он соответствует сроку жизни эритроцитов менее 18 дней. Таким образом, очень ранняя экспрессия АСК на эритроцитах, совершающаяся при их повреждении, наследственных дефектах, при мегалобластическом кроветворении способствует развитию гемолитических анемий.

2. Фрагментация как способ гибели эритроцитов возникает при механическом воздействии на них в процессе их микроциркуляции; при этом появляются обломки клеток.

3. Внутрисосудистый (внеклеточный) гемолиз связан с воздействием гемолитических ядов, химических и физических факторов, паразитов и т.п. В норме представлен минимально.

Гемоглобин составляет около 95% белка эритроцитов. Он относится к сложным белкам-хромопротеидам. В его состав входит железосодержащая простатическая группа – гем (4 %) и простой белок типа альбумина – глобин (96 %). Синтез Hb происходит на ранних стадиях развития эритробластов. Гем – активная группа гемоглобина, начинает активно синтезироваться позднее. Синтез глобина и гема протекают в эритроидных клетках независимо друг от друга. У всех видов животных гем одинаков; различия свойств Нb обусловлеваются особенностями строения белковой части его молекулы, т.е. глобина. У взрослого человека в норме в крови содержится три типа гемоглобина: НbА (96 – 98 %); НbА2 (2 – 3 %) и НbF (1 – 2 %). Глобин человека состоит из 574 остатков различных аминокислот, образующих четыре попарно одинаковые полипептидные цепи: две a-цепи – по 141 аминокислотному остатку и две b-цепи – по 146 остатков аминокислот. Общая формула молекулы гемоглобина человека – НbА-a2b2, В состав НbА2 входят две a и две y-цепи (a2y2), а НbF-две a - и две y цепи (a2y2). Синтез цепей гемоглобина обусловливается структурными генами, ответственными за каждую цепь, и генами-регуляторами, осуществляющими переключение синтеза одной цепи на синтез другой.

На ранних стадиях эмбриогенеза (с 19-го дня по 6-ю неделю) синтезируются в основном эмбриональные гемоглобины (табл. 1): Гоуэр1 (2?2), Гоуэр2 (?2?2) и Портлад (?2?2).

Таблица 1

Гемоглобины человека

В течение указанного времени кроветворение постепенно переключается с желточного мешка на печень.

Гемоглобины различаются по биохимическим, физико-химическим, иммунобиологическим свойствам. Так, НbF по сравнению с НbА более устойчив к щелочам, менее – к температурным влияниям, обладает более высоким сродством к кислороду и способен быстрее отдавать углекислоту. Благодаря этим особенностям ткани плода и ребенка снабжаются кислородом в различных условиях существования. К моменту рождения у ребенка имеются оба типа Нb (НbF и НbА). Затем «утробный» Нb постепенно сменяется «взрослым» Нb и к концу 2-го года жизеи обычно исчезает. Иногда у взрослых может обнаруживаться минимальное (до 2 %) количество НbF, что не имеет патологического значения.

При мутациях в структурных генах, контролирующих синтез Нb, когда заменяются аминокислоты, в полипептидных цепях глобина образуются аномальные гемоглобины.

Известно более 400 аномальных Нb, для которых характерны нарушения первичной структуры той или иной полипептидной цепи НbА (гемоглобинопатии, или гемоглобинозы). Основными видами таких Hb являются:

- серповидно-клеточный гемоглобин (НbS) – возникает при замене глютаминовой кислоты на валин в b-цепи; в этом случае развивается серповидно-клеточная анемия (см. ниже);

- метгемоглобины (около 5 разновидностей) образуются, если гистидин заменяется на тирозин; в этом случае окисление Нb в метгемоглобин, постоянно происходящее в норме, становится не обратимым, что не характерно для здорового человека; если замена касается b-цепи, то лишь a-цепи могут обратимо связывать кислород, а в b-цепях постоянно присутствует трехвалентное железо, с которым тирозин образует стабильный комплекс; другие аминокислотные замены, происходящие вблизи железа гема, также могут привести к появлению метгемоглобина;

- гемоглобины проявляющие слабое сродство к кислороду, интенсивную отдачу кислорода тканям, репрессию продукции эритропоэтина и вызывающие анемию (Нb Сиэтл, Нb Иошизука); слабым сродством к кислороду обладает и Нb Канзас, в результате того, что b-цепи в положении 102 содержат треонин вместо аспарагина, вследствие чего у больных развивается цианоз без образования метгемоглобина;

- гемоглобины, проявляющие высокое сродство к кислороду приводят к развитию доминантной полицитемии, т.к.

- нестабильные гемоглобины, приводящие к развитию хронической гемолитической анемии, компенсируемой повышенной активностью эритропоэза; при этом различные окисляющие медикаменты (сульфаниламиды и др.) могут вызывать образование метгемоглобина и тяжелые гемолитические кризы;

- термолабильные гемоглобины (15 разновидностей), приводящие к гемолизу;

- очень быстрые гемоглобины, быстро мигрирующие с большой электрофоретической подвижностью; у них лизин заменяется глютаминовой кислотой (НbY, HbN, НbN Сиэтл);

- очень медленные гемоглобины, с низкой электрофоретической подвижностью; у них глютаминовая кислота заменяется лизином (НbF, НbС, НbО);

- полимеризованный гемоглобин (Нb Порте Алегре). В положении 9 на поверхности b-цепи серин заменяется цистеином.

На земном шаре насчитывается около 100х106 человек – носителей указанных аномальных Нb.

В регуляции эритропоэза принимает участие большое количество факторов. По конечному эффекту они делятся на стимуляторы и ингибиторы эритропоэза.

Среди стимуляторов эритропоэза основное место занимает эритропоэтин (ЭРП) – главный физиологический стимулятор эритропоэза. Эритропоэтин – гликопротеид, у плода образуется в печени, где его синтез в минимальном объеме сохраняется после рождения. После рождения он синтезируется, главным образом, в почках, но может появляться в аденогипофизе и кишечнике. Считают, что имеется предшественник эритропоэтина – эритрогенин, который становится активным после вступления в комплекс с a-глобулином плазмы. Период полужизни ЭРП составляет 4 – 13 часов. Основными стимуляторами образования эритропоэтина являются гипоксия, андрогены, продукты гемолиза, монооксид углерода. Действует эритропоэтин только на коммитированные эритропоэтинчувствительные клетки. При хронических заболеваниях почек, нефросклерозе, после гипофизэктомии, гипопитуитаризме уровень ЭРП снижается, что лежит в основе патогенеза соответствующих анемий.

Механизм действия эритропоэтина:

- ускорение и усиление перехода стволовых клеток в эритробласты;

- стимуляция митотической активности клеток эритроидного ряда;

- ускорение созревания неделящихся клеток – нормобластов, ретикулоцитов;

- продление срока жизни незрелых предшественниц клеток эритроидного ряда;

- блокада апоптоза эритроидных клеток-предшественниц в костном мозге, замедление темпов гемолиза после возникновения острого малокровия, и тем самым – уменьшение степени величины «неэффективного» эритропоэза;

- исключение одного или нескольких циклов митотических делений эритроидных клеток в костном мозге в результате чего большее количество делящихся клеток достигает дифференцированной стадии при меньшем числе митозов.

В основе этих эффектов лежит усиление синтеза ДНК, РНК всех классов, усиление транспорта РНК из ядра в цитоплазму с последующим возрастанием синтеза гемоглобина. Концентрация эритропоэтина в крови определяет интенсивность эритропоэза.

Основным физиологическим ингибитором эритропоэза является эритроцитарный кейлон, выделенный из зрелых эритроцитов. Он предотвращает вступление клеток в генерационный цикл, снижая тем самым пролиферативную активность эритрона. В то же время существует и эритроцитарный антикейлон, который стимулирует вступление делящихся клеток в фазу синтеза ДНК. Полагают, что система кейлон-антикейлон регулирует пролиферативную активность эритробластов; при влиянии экстремальных факторов к действию приступает эритропоэтин.

Эритропоэз зависит и от целой группы метаболических факторов, витаминов и микроэлементов. Важнейшими из них являются:

- витамины В12 и фолиевая кислота – необходимы для нормального течения метаболизма нуклеиновых кислот, влияя на синтез тимидилатов и на превращение рибозы в дезоксирибозу; кроме того, витамин В12 необходим для образования метаболически активной формы фолиевой кислоты – тетрагидрофолата;

- внутренний антианемический фактор Касла – гексозамин, содержащий мукопротеин обкладочных клеток фундальной части слизистой желудка; образует с витамином В12 (внешним фактором) комплекс, защищающий витамин В12 от разрушения в кишечнике;

- витамин В2 – участвует в функционировании эритроцитарной глютатионредуктазы, предохраняющей эритроциты от аутоокисления;

- фермент дегидрогеназа g-аминолевулиновой кислоты – участвует в начальных этапах синтеза гема;

- витамин Н-кофермент карбоксилаз и витамин С – компонент редокс-системы глутатиона обусловливают резистентность эритроидных клеток к аутоокислению;

- витамин Е – сдерживает процессы эритродиереза, вызываемого активными кислородными радикалами;

- железо – составная часть активного центра гемоглобина, необходимая для синтеза гемоглобина;

- медь – необходима для эритропоэза, участвует в стимуляции созревания ретикулоцитов, активируя цитохромоксидазу гемопоэтических клеток, модулируя захват железа трансферрином, что необходимо для включения железа в гем, ускоряя тем самым синтез гемоглобина и участвуя в синтезе железопорфиринов.

Определенное значение для клеточного деления и синтеза белка в эритроне имеют никель и кобальт (компоненты витамина В12), молибден (входит в состав ферментов, обеспечивающих некоторые этапы пуринового обмена), марганец (входит в состав амино-ацил-т-РНК-синтетаз), селен (входит в состав антиоксидантной системы клеток), при дефиците последнего элементы эритрона повреждаются активными кислородными радикалами, и сокращается срок жизни эритроцитов.

При дефиците белка, особенно незаменимых аминокислот, также нарушается эритропоэз, в частности возникает недостаток лизина – важного компонента глобина.

Нервная регуляция кроветворения, в частности, эритропоэза, предполагаемая еще С.П. Боткиным (1884) подтверждается результатами экспериментальных и клинических наблюдений. Так, при экспериментальных неврозах развивается анемия и ретикулоцитопения. Стимуляция заднего гипоталамуса стимулирует, а переднего – тормозит эритропоэз, после удаления мозжечка может развиться макроцитарная анемия.

Анемия развивается и при нарушении целостности различных структурных образований нервной системы (денервация синокаротидной рефлексогенной зоны, селезёнки, почек, тонкой кишки и др.). Определенное влияние на эритропоэз оказывает и симпатическая нервная система.

Эритропоэз регулируется также эндокринной системой. В экспериментах на животных установлено, что гипофизэктомия вызывает развитие микроцитарной анемии, ретикулоцитопении; гиперфункция гипофиза сопровождается полицитемией.

АКТГ (адренокортикотропный гормон) – увеличивает содержание эритроцитов и гемоглобина в периферической крови; соматотропин потенцирует реакцию эритропоэтин чувствительных клеток на эритропоэтин; гормоны надпочечников обладают способностью стимулировать эритропоэз; мужские половые гормоны стимулируют, а женские тормозят эритропоэз, чем отчасти и объясняется разное число эритроцитов у мужчин и женщин.

Таким образом, поддержание постоянного уровня гемоглобина и количества эритроцитов в крови обеспечивается как за счет выработки в организме специфических веществ, стимулирующих и угнетающих эритропоэз, так с помощью нейроэндокринных регулирующих механизмов и различных метаболических факторов, включая витамины и микроэлементы.