ГБОУ ВПО УГМА Минздравсоцразвития России кафедра биохимии Биохимия

ГБОУ ВПО УГМА Минздравсоцразвития России кафедра биохимии Биохимия эритроцитов, гемоглобина и лейкоцитов Лектор зав. каф. биохимии доктор мед. наук профессор Мещанинов Виктор Николаевич Лекция 21 Екатеринбург 2012

План лекции • • • Эритроцит: особенности структуры, химического состава, метаболизма белков, жиров, углеводов. Гемоглобин и миоглобин: строение, функции, обмен, диагностическое значение определения в крови и моче. Производные и виды гемоглобина, особенности состава, строение, функции, биологическое клиническое и диагностическое значение. Эритроцит: пиридинзависимые реакции (НАД, НАДФ), физиологическая роль, биохимические нарушения при их недостатке, клинические проявления. Механизмы транспорта О 2 и СО 2 кровью: реакции, биологическое значение. Эритроцит: пентозофосфатный и 2, 3 -дифосфоглицератный шунты гликолиза (схема); особенности функционирования, причины и последствия нарушений. Эритроцит: система глутатиона, механизм действия, биологическое и клиническое значение. Гемоглобин (Нb. А 2): строение, механизм связывания и отдачи О 2 тканям, аллостерическая регуляция, значение. Эритроцит: пути обмена углеводов (схема), их значение, причины и последствия нарушений. Эритроцит: механизм образования активных форм кислорода, метгемоглобина и антиоксидантной защиты.

Эритроциты o у мужчин 4 -5*1012/л у женщин 3, 9 -4, 7*1012/л o Продолжительность жизни 120 дней. o Форма – двояковогнутые диски o Безъядерные o d 7 мкм

ФУНКЦИИ ЭРИТРОЦИТОВ 1. Газообмен: транспорт О 2 и СО 2 2. Участие в регуляции КОС 3. Адсорбция и транспорт на клеточной мембране аминокислот, антител, токсинов, лекарственных веществ и других веществ

Функции эритроцитов: 1. Перенос кислорода от легких к тканям. 2. Участие в транспорте СО 2 от тканей к легким. 3. Транспорт воды от тканей к легким, где она выделяется в виде пара. 4. Участвуют в свертывании крови, выделяя эритроцитарные факторы свертывания. 5. Переносят аминокислоты на своей поверхности. 6. Участвуют в регуляции вязкости крови, вследствие пластичности. 7. Способности к деформации: вязкость крови в мелких сосудах меньше, чем крупных.

Возрастные категории (генерации) эритроцита • Ретикулоцит – до 3 - 5 дней – имеет остатки ядра и органелл • Молодой эритроцит – 4 дня – 1 месяц • Зрелый эритроцит – 1 - 3 месяца • Старый эритроцит – 3 - 4 месяца • Продолжительность жизни 100 -120 дней

Строение эритроцита I. Цитоплазма эритроцита: 60 % вода 5 % - органические и неорганические вещества 40% сухой остаток 95% гемоглобин

II. Плазмолемма Липиды: Углеводы: Белки: • Внешний слой: • Спектрин • Олигосахариды фосфатидилхолин, • Актин гликолипидов и сфингомиелин, • Белок 3 полосы гликопротеидов гликолипиды. • Гликофорин образуют • Внутренний слой: • Белок полосы 4. 1 гликокаликс фосфатидилсерин и • Анкирин фосфатидилэтанолами • Na+/K+-АТФ-аза н • Са 2+-АТФ-аза

ЦИТОСКЕЛЕТ ЭРИТРОЦИТА • - группа фибриллярных и глобулярных белков, пронизывающих мембрану. Способны под влиянием АТФ изменять конформацию своих молекул и в целом - форму эритроцита в зависимости от условий внешней и внутренней среды

Спектрин основной белок цитоскелета эритроцитов ( 25% массы всех белков), имеет вид фибриллы, состоящей из двух перекрученых друг с другом цепей α-спектрина и β-спектрина. Белок полосы 3 трансмембранный гликопротеид, полипептидная цепь много раз пересекает бислой липидов, является компонентом цитоскелета и анионным каналом, который обеспечивает трансмембранный транспорт НСО 3 - и Сl-

Гликофорин трансмембранный гликопротеин, пронизывает плазмолемму в виде спирали. С наружной поверхности эритроцита к нему присоединены цепи олигосахаридов, которые несут отрицательные заряды. Формирует цитоскелет и выполняют рецепторные функции.

Углеводы олигосахариды (сиаловая кислота и антигенные олигосахариды) гликолипидов и гликопротеидов, на внешней поверхности плазмолеммы образуют гликокаликс. На поверхности эритроцитов имеется агглютиноген - резус-фактор (Rhфактор). Он присутствует у 86% людей, у 14% - отсутствует.

Особенности обмена углеводов Анаэробный гликолиз 2, 3 дифосфоглице- ПФШ ратный шунт

2, 3–дифосфоглицератный шунт • ↓ Кислорода ↑ дифосфоглицератмутазы ↓ 1, 3–ФГК 2, 3–ФГК (в обход фосфоглицераткиназной реакции гликолиза). • 2, 3–ФГК ↓ сродство гемоглобина к кислороду ↑ переход кислорода из гемоглобина в ткани. 2, 3–дифосфоглицератфосфатаза: 2, 3–ФГК гликолиз.

• В 2, 3–дифосфоглицератном шунте в гликолизе АТФ не синтезируется, а свободная энергия 1, 3–ФГК, рассеивается в форме теплоты. • За счет этого в случае, когда потребности в АТФ минимальны, гликолиз может продолжаться.

Активный транспорт - это процесс переноса химических веществ через биологическую мембрану против градиента его концентрации, сопряжен с расходованием энергии и протекает in vivo в одном направлении. Первичный активный транспорт - энергия макроэргов (АТФ) непосредственно расходуется на перемещение молекулы или иона через мембрану. Ионные насосы: Na+/K+ АТФ-аза; Са 2+ АТФ-аза; Н+/К+ АТФ-аза; Н+ АТФ-аза. Вторичный активный транспорт состоит из двух структурно разделенных транспортных механизмов: первичной активно-транспортной системы, например транспорта Na +, нуждающейся в АТФ, и сопряженного процесса каталитической диффузии другого вещества в противоположном направлении, например транспорт сахаров или аминокислот. Каталитическая (облегченная) диффузия : перенос вещества через мембрану осуществляется по градиенту концентрации. После уравнивания концентрации вещества по обе стороны мембраны процесс транспорта прекращается. В отличие от простой диффузии, облегченная осуществляется с большей скоростью, для нее характерна насыщаемость и структурная специфичность. Этот процесс также связан с расходованием энергии. Процесс поступления глюкозы в эритроциты происходит по этому механизму.

Транспорт глюкозы в эритроциты Каталитическая (облегченная) диффузия : энергозависимый перенос вещества по градиенту концентрации через мембрану эритроцита с большей скоростью, характеризующаяся насыщаемостью и структурной специфичностью. После уравнивания концентрации вещества по обе стороны мембраны процесс транспорта прекращается.

• ГЛЮТ-1 (эритроцитарный тип) – в эритроцитах Инсулиннезависим. глюкоза цитоплазма эритроцита ---------- АТФ <--> АДФ --------- Na+ плазма крови • (ГЛЮТ-4 является инсулинозависимым и находится в мембранах клеток скелетных мышц, миокарда, жировой ткани)

Энзимы мембраны — Ка+/К+-зависимая АТФаза обеспечивает активный транспорт Na+ из эритроцита и К+ в его цитоплазму. Са 2+-зависимая АТФаза выводит Са 2+ из эритроцита. Карбоангидраза катализирует реакцию: Са 2+ Н 20 <-> Н 2 С 03 о Н+ + НСО 3, поэтому эритроцит транспортирует часть углекислого газа от тканей к легким в виде бикарбоната, до 30 % С 02 переносится гемоглобином эритроцитов в форме карбаминового соединения с радикалом NH 2 глобина.

Са 2+-АТФ-аза - мембранный фермент, выводит из эритроцитов кальций и поддерживает трансмембранный градиент [Са 2+] Na+/K+-АТФ-аза - мембранный фермент поддерживает градиент концентраци Na+ и К+ Патология (сфероцитоз): ↓Na+/K+-АТФ-азы ↑ Na+ в клетке ↑осмотического давления ↑ воды в эритроците ↑ гемолиз Ионные насосы: Н+/К+ АТФ-аза; Н+ АТФаза (? )

Обмен метгемоглобина В течение суток до 3% гемоглобина может спонтанно окисляться в метгемоглобин: Н 2 О 2 b (Fe 2+) Met. Hb (Fe 3+) + e

Восстановление метгемоглобина до гемоглобина осуществляет метгемоглобинредуктазная система. Она состоит из цитохрома b 5 и цитохром b 5 редуктазы (флавопротеин), донором водорода служит НАДН 2, образующийся в гликолизе

Цитохром b 5 восстанавливает Fe 3+ метгемоглобина в Fe 2+ гемоглобина: Met. Hb(Fe 3+) + цит b 5 восст → Hb(Fe 2+) + цит b 5 окисл Окисленный Цитохром b 5 восстанавливается цитохром b 5 редуктазой: цит b 5 окисл + НАДН 2 → цит b 5 восст + НАД+

Восстановление метгемоглобина может осуществляться неферментативным путём за счёт витамина В 12, аскорбиновой кислоты или глутатиона

Структура трипептида глуатиона фармпрепарат – антиоксидант и детоксикант

ГЛУТАТИОН (Lглутамил-Lцистеинилглицин, GSH),

Биосинтез • Глутатион является заменимым веществом и может быть синтезирован из аминокислот L-цистеина, Lглутаминовой кислоты и глицина. • Синтез происходит в две АТР-зависимые стадии: • 1. синтезируется гамма-глутамилцистеин из Lглутамата и цистеина, фермент - гаммаглутамилцистеин синтетазой (или глутаматцистеин лигазой). Реакция является лимитирующей в синтезе глутатиона. • 2. глутатион синтетаза присоединяет остаток глицина к С-концевой группе гамма-глутамилцистеина.

Антиоксидантные ферменты эритроцита

метгемоглобинобразователи анилин и его производные, аминофенолы и аминофеноны, хлораты, некоторые местные анестетики (например, бензокаин), нитриты и нитраты, нафталин, нитробензол, окиси азота, примахин.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН Анаэробный гликолиз работа цитоскелета синтез глутатиона Функционирование транспортных АТФаз

Лабораторно-диагностические (референтные) показатели минерального обмена Кальций сыворотки 4, 5 — 6 мэкв/л 2, 3 — 3, 0 ммоль/л Кальций эритроцитов 0, 7 – 0, 8 ммоль/л Магний сыворотки 1, 5 — 2, 0 мэкв/л 0, 70 — 0, 99 ммоль/л Магний эритроцитов 1, 4— 2, 5 ммоль/л Mg 2+/Са 2+ эритроцитов 3, 11+0, 27 Калий плазмы 3, 5 - 5, 3 мэкв/л, 3, 5 - 5, 3 ммоль/л Калий эритроцитов 78 - 96 мэкв/л, 78 — 96 ммоль/л Натрий плазмы 130 - 156 мэкв/л, 130 - 156 ммоль/л Натрий эритроцитов 14 - 22 мэкв/л, 14 — 22 ммоль/л Хлор сыворотки 95 — 110 мэкв/л 96 — 110 ммоль/л Неорг. фосфор сыв-ки 1, 2 — 2, 3 мэкв/л, 0, 65 — 1, 30 ммоль/л Железо сыворотки 70 — 170 мкг %, 13 — 30, 4 мкмоль/л Общий трансферрин 0, 0030 — 0, 0040 г/л Медь сыворотки 70 — 140 мгк %, 11 — 22 мкмоль/л АР – анионная разность. АР=[Na+]+[K+]-[Cl-]-[НСО 3 -]=12 ммоль/л. Анионная разность определяется по разности концентраций катионов и анионов.

Особенности липидного обмена • В зрелом эритроците липиды не синтезируются, эритроцит может обмениваться липидами с липопротеинами крови. • Катаболизм липидов неферментативный, повреждение и разрушение липидов происходит в реакциях ПОЛ.

Особенности белкового обмена • В зрелом эритроците белки не • синтезируются, т. к. у него нет рибосом, но в цитоплазме синтезируется пептид глутатион Катаболизм белков неферментативный, происходит под действием неблагоприятных факторов: СРО, взаимодействия с тяжёлыми металлами и токсинами

Особенности обмена нуклеотидов 1. из рибозо-5 ф и аденина синтезируется АМФ 2. АМФ с участием АТФ превращается в АДФ 3. В реакциях субстратного фосфорилирования (гликолиз) АДФ превращается в АТФ 4. В гликолизе НАД+ восстанавливается в НАДН 2 - используется для регенерации гемоглобина из метгемоглобина 5. В ПФШ НАДФ+ восстанавливается в НАДФН 2, который используется для функционирования антиоксидантной системы

Особенность метаболизма при старении эритроцитов q ↓ образование АТФ q. Нарушаются энергозависимые процессы восстановления формы эритроцитов q↓ антиокислительная защита (АОЗ) ↓ содержание полиненасыщенных жирных кислот гемолиз q ↓ 2, 3 ДФГ и ↑ сродство Hb к кислороду q↓ транспортная функция Hb

Особенность метаболизма при консервировании эритроцитов Во время хранения крови в эритроцитах в процессе гликолиза происходит непрерывный синтез АТФ и постоянное образование лактата, что приводит к снижению p. H и ухудшению биохимического статуса клеток.

виды гемолиза По месту возникновения: • 1. Эндогенный, т. е. в организме. • 2. Экзогенный, вне его. Например во флаконе с кровью, аппарате искусственного кровообращения. По характеру: • 1. Физиологический. Он обеспечивает разрушение старых и патологических форм эритроцитов. Внутриклеточный гемолиз происходит в макрофагах селезенки, костного мозга, клетках печени. Внутрисосудистый - в мелких сосудах. • 2. Патологический.

По механизму возникновения • 1. Химический. Возникает при воздействии на эритроциты веществ, растворяющих липиды мембраны ( спирты, эфир, хлороформ, щелочи кислоты и т. д. ) • 2. Температурный. При низких температурах в эритроцитах образуются кристаллики льда, разрывающие их оболочку. • 3. Механический. Наблюдается при механических разрывах мембраны. • 4. Биологический. Происходит при действии биологических факторов. Это гемолитические яды бактерий, насекомых, змей. В результате переливания несовместимой крови. • 5. Осмотический. Возникает в том случае, если эритроциты попали в среду с осмотическим давлением ниже, чем у крови. Вода входит в эритроциты, они набухают и лопаются.

Гемоглобин • Тетрамерный хромопротеин • 4 гема и 4 глобина • Масса – 65 к. Да • У мужчин 130 -160 г/л У женщин 120 -140 г/л Функции Hb: 1. Обеспечивают перенос кислорода от легких к тканям. В сутки 600 л; 2. Участвует в переносе углекислого газа и протонов от тканей к легким; 3. Образует гемоглобиновый буфер, регулирует КОС крови

ГИДРОФОБНАЯ СВЯЗЬ Fe+2 ГИС ИОННАЯ СВЯЗЬ Fe+2 ГИС

Виды гемоглобина физиологические • Эмбриональный: 1. Gover I -4 , Gover II -2 2 2. Фетальный - 2 2 • Hb Взрослого: 1. Гемоглобин А 1 - 2 2 2. Гемоглобин А 2 - 2 2 3. Гемоглобин А 3 - 2 2 4. Гемоглобин А 1 с аномальные • Более 100 видов: 1. СКА 2. Талассемия

Синтезируется в 1 недели развития плода Синтезируется в 1 -2 месяц развития плода Синтезируется к 3 месяцу развития плода, к моменту рождения составляет 50%-80% У взрослого человека 98 %. Синтезируется с 8 месяца развития плода У взрослого человека 2 %

Норма 50% Биосинтез гемоглобина Биосинтез α α α Hb β β Биосинтез 50% β Талассемия 100% α β β β Патологический Hb

СТРОЕНИЕ ГЕМА

СИНТЕЗ ГЕМА

Железо восстановленное, Ferrum reductum мелкий серый порошок. • назначают внутрь по 1 г 3 раза в день во время или после еды в капсулах либо таблетках. • Формы выпуска: порошок; таблетки, покрытые оболочкой, по 0, 2 г. • ферроплекс, сорбифер дурулес; феррум лек, ферковен.

Эритростим® (Erythrostim) • эритропоэтин человека рекомбинантный (500 МЕ) – АКТИВАТОР СИНТЕТАЗЫ АМИНОЛЕВУЛИНОВОЙ КИСЛОТЫ

Талассемия - генетическое заболевание, обусловленное отсутствием или снижением синтеза одной из цепей гемоглобина. Выделяют α, β, γ, ε талассемии; гомо- и гетерозиготные. Общие закономерности талассемий: • нарушаются пропорции в составе гемоглобина крови • Эритроциты ненормальной формы (мишеневидной или каплевидной)

Аллостерическая регуляция насыщения гемоглобина кислородом На насыщение гемоглобина О 2 влияют: • Температура • р. H – эффект Бора • Давление • Концентрация 2, 3 -ДФГ • р. СО 2

Кривая диссоциации О 2 для Hb ↑t◦ p. H p. CO 2

Механизм связывания кислорода Эритроцит плазма альвеолярный воздух

Механизм транспорта кислорода в ткани Эритроцит плазма клетка

Почки Сердце О 2 Fe+2 гис Головной мозг Fe+2 2, 3 -ФГК гис О 2 Fe+2 гис Мышцы

Виды гемоглобина Гемоглобин А 1 Эмбриональный Фетальный - Hb. F Гемоглобин А 1 с Гемоглобин А 2 Производные гемоглобина Оксигемоглобин Карбоксигемоглобин Hb. O (Fe 2+) Hb. CO(Fe 2+) Карбгемоглобин Нb. CO 2 Цианметгемоглобин Метгемоглобин Hb. CN(Fe 3+) Hb. OH(Fe

Производные гемоглобина • • • Оксигемоглобина Карбогемоглобин Карбоксигемоглобин Метгемоглобин Цианметгемоглобин Дезоксигемоглобин

Производные гемоглобина: Карбоксигемоглобин Hb. СО (Fe 2+) Связь гема с СО в двести раз прочнее, чем с О 2. В норме содержится 1% Hb. СО. У курильщиков концентрация Hb. СО - до 20%. При отравлении СО, из-за недостаточного снабжения тканей кислородом может наступить смерть

Цианметгемоглобин Hb. СN (Fe 3+) образуется присоединении СN - к метгемоглобину. Эта реакция спасает организм от смертельного действия цианидов. Поэтому для лечения отравлений цианидами применяют метгемоглобинообразователи (нитрит Na)

метгемоглобин Мt. Hb (Fe 3+) Образуется при воздействии на гемоглобин окислителей (оксидов азота, хлоратов). В норме в крови содержится <1%. Накопление метгемоглобина при некоторых заболеваниях (недостаточность Гл-6 фосфат. ДГ), метгемоглобин не способен к переносу кислорода

оксигемоглобин Hb. О 2 (Fe 2+) - соединение молекулярного кислорода с гемоглобином. Процесс называется оксигенацией, обратный процесс дезоксигенацией

О 2 CO +3 Fe+2 ГИС OHCNẽ

CO 2 Fe+2 ГИС NH 2 +

О 2 ВАЛ О 2

ОБРАЗОВАНИЕ ТЕЛЕЦ ХА ПРИ СЕРПОВИДНОКЛЕТОЧ НОЙ АНЕМИИ

Обмен веществ в лейкоцитах • - полноценные клетки, содержат все органеллы. • - присущи все виды обмена (кроме глюконеогенеза). • Метаболизм быстро реагирует на изменение условий среды – в кровотоке клетка становится аэробом, в ткани - анаэробом

АФК • АФК используются фагоцитами для разрушения вирусов, онкоклеток оксидаза • НАДФН 2 + 2 О 2 -------> НАДФН+ + 2 О 2² • О 2²¯ + 2 Н+ = Н 2 О 2 миелопероксидаза • Н 2 О 2 + Cl¯ -------------> Н 2 О + Cl. О¯ гипохлорид и пероксид разрушают стенку бактерий

Образование NO НАДФН О 2 L-АРГИНИН =(NO-СИНТАЗА)= L-ЦИТРУЛЛИН НАДФ+ NO

ФАГОЦИТОЗ • Фагоцитоз-процесс активного поглощения и переваривания клетками организма попавших в него живых и убитых микробов или других инородных частиц. • Фагоцитоз осуществляется макрофагами и нейтрофилами, но присущ и другим лейкоцитам.

Стадии фагоцитоза • Хемотаксис- целенаправленное передвижение фагоцитов в направлении химического градиента хемоаттрактантов. • Адгезия (прикрепление) водородными связями и на основе разности зарядов • Эндоцитоз-АТФ-зависимое впячивание миофиламентами мембраны с образованием фагоцитарных вакуолей- фагосом. • Лизис - Внутриклеточное переваривание гидролитическими ферментами (амилазы, липазы, протеазы, нуклеазы и др. )

Этапы фагоцитоза

БЛАГОДАРЮ ЗА ВНИМАНИЕ !