Эритроциты – как они работают?

Эритроциты – красные кровяные тельца. Именно благодаря этим клеткам наша кровь имеет такой насыщенный красный цвет. Оттенки крови так же зависят от состояния эритроцитов. Темная, венозная кровь является результатом снижения концентрации кислорода, алая кровь говорит о том, что эритроциты обогащены кислородом и вновь способны его нести каждой клетке нашего организма. Наверняка интересно узнать, как на молекулярном уровне происходит процесс переноса кислорода. Потому начнем предметно обсуждать основную функцию эритроцитов – перенос кислорода органам и тканям.

Несколько интересных фактов об эритроцитах

• В одном кубическом миллилитре крови в среднем содержится 4,5 миллионов эритроцитов.
• Площадь поверхности всех красных кровяных телец равна 3000 квадратным метрам.
• Эритроциты, это не многие из самостоятельных клеточных структур организма, которые лишены ядра.
• Длительность жизни каждого эритроцита составляет в среднем 120 дней.
• Цвет эритроцита меняется под воздействием кислорода. При присоединении молекул кислорода к гемоглобину цвет эритроцита приобретает алый оттенок, при отсутствии или снижении количества присоединенного к гемоглобину кислорода цвет приобретает бордовый оттенок.

Каково строение эритроцита?

Эритроцит имеет форму двояковогнутого диска. Эту форму при созревании эритроцит принимает неспроста. Так максимально увеличивается площадь поверхности клетки, повышается ее пластичность при прохождении мельчайших сосудов. Именно эти свойства максимально повышают эффективность газового транспорта эритроцитов. Однако при повреждениях и некоторых генетических заболеваниях эритроциты могут приобретать иную форму – шаровидную, серповидную, овальную.

Стенка эритроцита представлена липидной мембраной, содержащей в толще пронизывающие ее белковые молекулы.

Мембрана обладает рядом очень важных функций:

• Обладает избирательной проницаемостью для электролитов, жидкости, газов, органических веществ.
• На поверхности мембраны имеются структуры, к которым прикрепляются антитела для дальнейшего курирования по кровеносной системе.
• В составе мембраны имеются специальные белковые структуры, которые обеспечивают электролитный баланс – избавляя клетку от излишнего натрия и повышая внутриклеточную концентрацию калия и хлора.
• Высокая пропускная способность для молекул кислорода, углекислого газа и угольной кислоты способствует осуществлению основной функции эритроцита – газообмену.
• Благодаря различиям в концентрации электролитов внутри и вне клетки эритроцита, создается поляризация клеточной мембраны, что препятствует склеиванию эритроцитов между собой и способствует отталкиванию клетки от внутренней стенки сосуда.

В процессе созревания в красном костном мозге предшественники эритроцитов проходят несколько этапов, в результате эритроцит утрачивает ядро и практически все внутриклеточные структуры: митохондрии, аппарат Гольджи, рибосомы и т.д.
Зато большая часть внутреннего пространства эритроцита заполняется гемоглобином. Эта сложная белковая структура обеспечивает основную функцию – присоединение кислорода при прохождении эритроцитом легочной ткани, удерживание кислорода при транспортировке по кровеносному руслу и отдачу кислорода в тканях организма.

Внутреннее пространство эритроцита заполнено так называемой цитоплазмой (жидкостной частью клети). В цитоплазме растворены электролиты (Na,K, Ca,Cl,Mg), имеются в большом количестве белковые молекулы, обеспечивающие некоторые химические реакции, ферменты, раствореные органические вещества. Внутренняя часть эритроцита обладает прочным каркасом, который придает клетке характерную геометрическую форму.

Подробнее о гемоглобине

Гемоглобин – этот термин мы часто слышим, когда забираем результаты анализа крови, когда проводится плановая диагностика протекания беременности или при проведении планового обследования или лечения в стационаре.
Почему этот показатель интересует врачей?
Дело в том, что единственная структура, которая может обеспечить наш организм в достаточном количестве кислородом – это гемоглобин. К сожалению, в крови в свободном состоянии кислород растворяется в ничтожно малых количествах 0,03% от общей кислородной емкости крови. Потому при условии отсутствия гемоглобина наша жизнь невозможна.

Гемоглобин имеет достаточно сложную стриктуру условно его можно представить как конструкцию, собранную воедино из трех видов деталей – 4 молекулы Гема, две альфа цепи глобина и две бета-цепи глобина. Подробнее об этих структурах:

Гем – это сложное органическое соединение, включающее в сою структуру атом железа двухвалентного соединенного с циклическими органическими соединениями.

Глобин – это белковая молекула, образованная посредством объединения 4 белковых цепочек (две альфа цепи и две бета). Данные аминокислотные цепочки отличаются последовательностью аминокислот и их количеством (альфа цепочка состоят из 141 аминокислоты, бета-цепь – из 146).

Структура и состав аминокислотных цепочек определяют их пространственную структуру и биохимические свойства.
Каждая аминокислотная цепь глобина (альфа и бета) соединяется в процессе формирования гемоглобина с молекулой гема. Гемоглобин формируется благодаря слиянию двух альфа цепей (с присоединенными двумя молекулами гемма) и двух бета-цепей (с присоединенными молекулами гема).

Итак, молекула гемоглобина состоит из четырех цепочек аминокислот составляющих глобин с присоединенными (по одной к каждой цепочке глобина) четырьмя молекулами гемма.
Строение гемоглобина достаточно сложное, потому синтез отдельных его частей (цепочки глобина, гем) происходит по отдельности, затем происходит сборка отдельных частей в единое целое.

В производстве гемоглобина не бывает мелочей. К примеру – ошибка в одну аминокислоту - если шестая аминокислота в бета-цепочке глобина будет заменена – (глутаминовая кислота заменит валин) это приведет к такому врожденному заболеванию как серповидно клеточная анемия. А наличие в составе гемоглобина не двухвалентного, а трехвалентного железа лишает данную структуру возможности присоединения кислорода.

Как происходит передача кислорода?

Присоединение кислорода к гемоглобину
Каждая молекула гемоглобина содержит 4 молекулы гема. Каждая молекула гема в состоянии присоединить по одной молекуле кислорода.
Важное значение в этом процессе имеет такие понятия как концентрация кислорода в воздухе легкого и в крови. Чем выше разница в данных концентрациях, тем легче гемоглобин присоединяет кислород.

Так же немаловажным является то, какой по счету атом кислорода присоединяется к молекуле гемоглобина. Как мы знаем, молекула гемоглобина содержит 4 гема, к каждому из которых может быть присоединено по одной молекуле кислорода. Так вот, наибольшие сложности при присоединении к молекуле гемоглобина испытывает первая молекула кислорода, последующие присоединения происходят гораздо легче. Это связано с тем, что присоединение каждой следующей молекулы кислорода сопровождается пространственными изменениями самой молекулы гемоглобина. Это обстоятельство отражается на скорости кислородного насыщения при прохождении кровью микроциркуляторного русла ткани легкого.

Воздухоносные пути легкого оканчиваются так называемыми альвеолами представляющими вид заполненных воздухом тонкостенных мешочков. Альвеолы окутываются разветвленной сетью капилляров. Благодаря многочисленности капилляров, в разы увеличивается емкость кровеносного русла, что значительно снижает скорость прохождения эритроцитами легочной ткани. Стенки альвеол одноклеточны и достаточно тонкие, что не создает препятствий для проникновения кислорода в капилляры. Немаловажным является диаметр капилляра – он таков, что эритроциты в очереди по одному с трудом пробираются сквозь него.
В общем, легочную ткань можно сравнить с конвейером по обогащению эритроцитов кислородом.

Отдача гемоглобином кислорода
По достижению микроциркуляторного русла тканей организма происходит обратный эффект – отдача кислорода тканям для восполнения их дыхательных потребностей. Основная причина, по которой происходит отдача кислорода в тканях и органах, является разность в концентрациях кислорода непосредственно в самом эритроците и в тканях. Повинуясь законам физики, кислород покидает молекулу гемоглобина, эритроцит и проникает сквозь стенку капилляра в клетки организма. Далее молекула кислорода вовлекается во внутриклеточный процесс аэробного дыхания - в митохондриях используется для расщепления органических веществ с целью получения энергии, необходимой для работы клетки.

Эритроцит и углекислый газ
В процессе расщепления органических веществ внутри клетки образуются основные продукты – углекислый газ и вода. Понятно, что вода в организме лишней не бывает, и она может выводиться из организма в составе жидкой части крови или лимфы.

А вот что происходит с огромным количеством углекислого газа?
Естественно, что в виде газа циркулировать по организму данное вещество не может, хотя его растворимость в крови достаточно высока. Частично углекислый газ присоединяется к гемоглобину. В такой форме транспортируется порядка 15% всего образуемого углекислого газа организма. Остальная часть углекислого газа подвергается химической реакции превращения углекислого газа в угольную кислоту.

Внутри эритроцита содержится очень важный фермент – карбоангидраза. При помощи данного фермента происходит химическая реакция: углекислый газ объединяется с молекулой воды, в результате этой нехитрой реакции образуется угольная кислота, которая распадаясь на ион водорода и бикарбонат ион, легко растворяется в воде и может в составе плазмы крови транспортироваться к легким.

По достижению эритроцитом легочной ткани (на уровне микроциркуляторного русла) с угольной кислотой происходит обратный процесс – ее распад на воду и углекислый газ. Эта реакция опять осуществляется посредством фермента карбоангидразы. Вода остается в организме, а углекислый газ охотно, повинуясь законам физики, покидает кровь и переходит в газообразное состояние. После углекислый газ с каждым выдохом выводится во внешнюю среду.

Аналогично обстоят дела и с двуокисью углерода присоединенной к гемоглобину – она отсоединяется и покидает кровеносное русло.
На самом деле в организме при дыхании происходят куда более сложные процессы, нежели представленные в данной статье. Вся представленная информация является лишь «верхушкой айсберга». Но и этот уровень изучения данного процесса приводит в восторг от того насколько тонок и изящно настроен такой сложный процесс газообмена в нашем организме.