Учебник для ВУЗОВ

БИОХИМИЯ

>>> Перейти на полный размер сайта >>>

       

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 O2 и СO2 в этих клетках осуществляет гемоглобин, составляющий 95% их сухого остатка. Организм взрослого человека содержит около 25x1012 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, которые 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 система 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).

Рис. 14-1. Схема дифференцировки стволовых клеток костного мозга в зрелые эритроциты

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 эритропо-этина 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. 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 элекгрофореграмме относительно других белков). Интегральный гликопротеин гликофорин присутствует только в плазматической мембране эритроцитов (рис. 14-2).

Рис. 14-2. Строение спектрина (А), околомембранного белкового комплекса (Б) и цитоскелета эритроцитов (В). Каждый димер спектрина состоит из двух антипараллельных, нековалентносвязанных между собой α- и β -полипептидных цепей (А). Белок полосы 4.1 образует со спетрином и актином «узловой комплекс», который посредством белка полосы 4.1 связывается с цитоплазматическим доменом гликофорина. Анкирин соединяет спектрин с основным интегральным белком плазматической мембраны — белком полосы 3 (Б). На цитоплазматической поверхности мембраны эритроцита имеется гибкая сетеобразная структура, состоящая из белков и обеспечивающая пластичность эритроцита при прохождении им через мелкие капилляры (В)

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 α- и β -полипептидных цепей, имеющих доменное строение; α- и β -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 β -цепью спектрина и цитоплазматическим доменом интегрального белка мембраны — белка полосы 3. Анкирин не только фиксирует спектрин на мембране, но и уменьшает скорость диффузии белка полосы 3 в липидном слое. Таким образом, на цитоплазматической поверхности эритроцитов образуется гибкая сетевидная структура, которая обеспечивает сохранение их формы при прохождении через узкие капилляры сосудов (рис. 14-2).

Интегральный белок полосы 3 — белок-переносчик ионов СГ и НСO3- через плазматическую мембрану эритроцитов по механизму пассивного антипорта. В разделе 1 подробно описана роль эритроцитов в газообмене. Поступающий из тканей в эритроциты СO2 под действием фермента карбоангидразы превращается в слабую угольную кислоту, которая распадается на Н+ и НСO3-. Образующиеся при этом протоны присоединяются к гемоглобину, уменьшая его сродство к O2, а бикарбонаты с помощью белка полосы 3 обмениваются на СГ и выходят в плазму крови.

Н2O + СO2 ⇒ Н2СO3 ⇒ Н+ + НСO3- ⇒ обмен на Сl-.

В лёгких увеличение парциального давления кислорода и взаимодействие его с гемоглобином приводят к вытеснению протонов из гемоглобина, обмену внутриклеточного Сl- на НСO3- через белок полосы 3, образованию угольной кислоты и её разрушению на СO2 и Н2O.

Мембранный фермент Na+, K+-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 Na+, 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 бисфосфо-глицератмутазы. 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).

Рис. 14-3. Метаболизм 2,3-бисфосфоглицерата в эритроцитах

Глюкоза в эритроцитах используется и в пентозофосфатном пути, окислительный этап которого обеспечивает образование кофермента NADPH, необходимого для восстановления глутатиона (рис. 14-4).

Рисунок 14-4. Образование и обезвреживание активных форм кислорода в эритроците:
1 — спонтанное окисление Fe2+ в геме гемоглобина — источник супероксидного аниона в эритроцитах;
2 — супероксиддисмутаза превращает супероксидный анион в пероксид водорода и воду: O2- + O2- +2 Н+ ⇒ Н2O2 + O2;
3 — пероксид водорода расщепляется каталазой: 2 Н2O2 ⇒ 2 Н2O + O2 или глутатионпероксидазой: 2 GSH + Н2O2 ⇒ GSSG +2 Н2O;
4 — глутатионредуктаза восстанавливает окисленный глутатион: GSSG + NADPH + Н+ ⇒ 2 GSH + 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

В. Обезвреживание активных форм кислорода в эритроцитах

Большое содержание кислорода в эритроцитах определяет высокую скорость образования супероксидного анион-радикала (O2-), пероксида водорода (Н2O2) 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 постоянгемоглобин. Метгемоглобинредуктазная система состоит из цитохрома Ь5 и флавопротеина цитохром Ь5 редуктазы, донором водорода для которой служит NADH, образующийся в глицеральдегиддегидрогеназ-ной реакции гликолиза (рис. 14-4).

Цитохром Ь5 восстанавливает Fe3+ метгемог-лобина в Fe2+:

Hb-Fe3+ + цит. b5 восст ⇒ HbFe2+ + цит. Ь5 oк

Окисленный цитохром Ь5 далее восстанавливается цитохром Ь5 редуктазой:

Цит. b5 oк + NADH ⇒ цит. b5 восст + NAD+.

Супероксидный анион с помощью фермента супероксидцисмутазы превращается в пероксид водорода:

O2- + O2- +2 Н+ ⇒ Н2O2 + O2.

Пероксид водорода разрушается каталазой и содержащим селен ферментом глутатионперок-сидазой. Донором водорода в этой реакции служит глутатион — трипептид глутамилцистеинил-глицин (GSH) (см. раздел 12).

2O ⇒ 2 Н2O + O2;

2GSH + Н2O2 ⇒ GSSG +2 Н2O.

Окисленный глутатион (GSSG) восстанавливается NADPH-зависимой глутатионредуктазой. Восстановление NADP для этой реакции обеспечивают окислительные реакции пентозофосфатного пути (см. раздел 7).

Г. Нарушения 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 глутатионредук-тазы и глутатионпероксидазы — ферментов, разрушающих пероксид водорода. Не менее 100 млн 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 глутатионредукгазы, 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 Ма+, К+-АТФ-азы, повышается осмотическое давление и возникает осмотический шок. Дефицит NADH + Н+ приводит к накоплению метгемоглобина и увеличению образования активных форм кислорода, вызывающих окисление SH-групп в молекулах гемоглобина. Молекулы метгемоглобина образуют ди-сульфидные связи между протомерами и агрегируют с образованием телец Хайнца (рис. 14-5).

Рис. 14-5. Схема образования телец Хайнца— агрегация гемоглобина. В норме супероксиддисмутаза катализирует образование пероксида водорода, который под действием глутатионпероксидазы превращается в Н2O. При недостаточной активности ферментов обезвреживания активных форм кислорода между протомерами метгемоглобина образуются дисульфидные связи, и они агрегируют

Гемоглобинопатии

Серповидноклеточная анемия — тяжёлое наследственное заболевание, обусловленное точечной мутацией гена, кодирующего структуру β-цепи гемоглобина (см. раздел 4). В результате в эритроцитах больных присутствует HbS, β-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 гена выживали при эпидемиях малярии, однако четверть их потомства погибала от серповидноклеточной анемии.

Талассемии — наследственные заболевания, обусловленные отсутствием или снижением скорости синтеза α- или β-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 β-талассемии не синтезируются β-цепи гемоглобина. Это вызывает образование нестабильных тетрамеров, содержащих только α-цепи. При этом заболевании в костном мозге из-за преципитации нестабильных α-цепей усиливается разрушение эритробластов, а ускорение разрушения эритроцитов в циркулирующей крови приводит к внутрисосудистому гемолизу. Как известно, для образования фетального гемоглобина β-цепи не требуются (см. раздел 4), поэтому клинически β-талассемия не проявляется до рождения, после чего происходит переключение синтеза HbF на НЬА.

В случае α-талассемии недостаток образования α-глобиновых цепей приводит к нарушению образования HbF у плода. Избыточные γ-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 α-талассемии отмечают высокий процент внутриутробной гибели плода. Выжившие новорождённые при переключении с γ- на β-ген синтезируют β-тетрамеры или НЬН, который, подобно гемоглобину Барта, имеет слишком высокое сродство к кислороду, менее стабилен, чем НЬА 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 метильной 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.

 

 

Top.Mail.Ru
Top.Mail.Ru