Главная страница
Образовательный портал Как узнать результаты егэ Стихи про летний лагерь 3агадки для детей
qrcode

методичка МЕТАБОЛИЗМ ЭРИТРОЦИТОВ. Биохимия крови метаболизм эритроцитов. Свертывающая система крови. Метаболизм железа в организме


НазваниеБиохимия крови метаболизм эритроцитов. Свертывающая система крови. Метаболизм железа в организме
Анкорметодичка МЕТАБОЛИЗМ ЭРИТРОЦИТОВ.doc
Дата25.09.2017
Размер374 Kb.
Формат файлаdoc
Имя файламетодичка МЕТАБОЛИЗМ ЭРИТРОЦИТОВ.doc
ТипДокументы
#19467
КаталогОбразовательный портал Как узнать результаты егэ Стихи про летний лагерь 3агадки для детей
Образовательный портал Как узнать результаты егэ Стихи про летний лагерь 3агадки для детей

Биохимия обмена веществ

Тема: Биохимия крови: метаболизм эритроцитов. Свертывающая система крови. Метаболизм железа в организме.

I. МЕТАБОЛИЗМ ЭРИТРОЦИТОВ

I Научно-методическое обоснование темы:

Эритроциты (Er) - 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 25×1012 эритроцитов, при этом каждые сутки обновляется примерно 1% этого количества клеток, т.е. в течение одной секунды в кровоток поступает около 2 млн Er.

А. Особенности строения и дифференцировки эритроцитов

Er - 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 Er. Er, так же как и другие клетки крови, образуются из полипотентных стволовых клеток костного мозга (рис.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.

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, обеспечивает большую пластичность эритроцитов при прохождении ими мелких капилляров.

Важную роль в сохранении формы играют липиды и белки плазматической мембраны.



Рис.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. Увеличение содержания холестерола в составе мембраны (при некоторых заболеваниях), снижает её текучесть и эластичность, а следовательно, и способность к обратимой деформации. Что затрудняет движение Er через капилляры и может способствовать развитию гемостаза.

Мембрана Er содержит около 15 основных белков с молекулярной массой от 15 до 250 кДа. 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.2). К N-концевой части белка, расположенной на наружной поверхности мембраны, присоединено около 20 олигосахаридных цепей. Олигосахариды гликофорина - антигенные детерминанты системы групп крови АВО.

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.








Рис. 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).

Таким образом, на цитоплазматической поверхности эритроцитов образуется гибкая сетевидная структура, которая обеспечивает сохранение их формы при прохождении через узкие капилляры сосудов (рис.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

Er лишены митохондрий, поэтому в качестве энергетического материала они могут использовать только глюкозу. В Er 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 (ПФЦ, обеспечивает образование кофермента NADPH, необходимого для восстановления глутатиона (рис. 3)).

Конечный продукт анаэробного гликолиза лактат выходит в плазму крови и используется в других клетках (гепатоцитах). АТФ, образующийся в анаэробном гликолизе, обеспечивает работу Nа+, К+-АТФ-азы и поддержание самого гликолиза, требующего затраты АТФ в гексокиназной и фосфофруктокиназной реакциях.

Важная особенность анаэробного гликолиза в эритроцитах по сравнению с другими клетками - присутствие в них фермента бисфосфоглицератмутазы. Бисфосфоглицератмутаза катализирует образование 2,3-бисфосфоглицерата (важного аллостерического регулятора связывания О2 гемоглобином) из 1,3-бисфосфоглицерата (рис.3).

В. Обезвреживание активных форм кислорода (АФК) в Er

Большое содержание О2 в Er определяет высокую скорость образования супероксидного анион-радикала (О2-), пероксида водорода (Н2О2) и гидроксил радикала (ОН.). Er содержат ферментативную систему, предотвращающую токсическое действие АФК и разрушение мембран Er. Постоянный источник АФК в Er - неферментативное окисление Hb в метгемоглобин:



В течение суток до 3% Hb может окисляться в метгемоглобин. Однако постоянно 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. 4).


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

Цитохром B5 восстанавливает Fe3+ метгемоглобина 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 СОД превращается в H2О2:

O2- + O2- + Н+ → H2О2 + O2 .

H2О2 разрушается каталазой и содержащим селен ферментом глутатионпероксидазой (ГПО). Донором водорода в этой реакции служит глутатион - трипептид глутамилцистеинилглицин (GSH).

2О → 2Н2О + О2; 2GSH + 2Н2О2 → GSSG + 2Н2О .

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

Г. Hарушения метаболизма Er

Энзимопатии, обусловливающие гемолиз Er. Для эффективного обезвреживания АФК, образующихся в Er, необходимы все перечисленные выше ферментативные системы защиты. Однако у людей обнаружено около 3000 генетических дефектов глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы (катализирует скорость-лимитирующую реакцию ПФЦ окисления глюкозы, которая обеспечивает образование NADPH + Н+). От количества NADP+Н+ зависит активность глутатионредуктазы и глутатионпероксидазы (ГПО) - ферментов, разрушающих Н2О2. Не менее 100 млн человек, у которых активность этого фермента снижена, являются носителями дефектных генов глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы.


Рисунок 4. Образование и обезвреживание активных форм кислорода в эритроците:

1 - спонтанное окисление Fe2+ в теме гемоглобина - источник супероксидного аниона в эритроцитах;

2 - Супероксиддисмутаза превращает супероксидный анион в пероксид водорода и воду: О2-+ О2- + 2Н+ → Н2О2 + О2; 3 - пероксид водорода расщепляется каталазой: 2 Н2О22 Н2О + О2или глутатионпероксидазой: 2 GSH + Н2О2 → GSSG +2 Н2О; 4 - Глутатионредуктаза восстанавливает окисленный глутатион: GSSG + NADPH + Н+ → 2GSH + 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.

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. АФК вызывают образование гидроперекисей ненасыщенных жирных кислот фосфолипидов, входящих в состав клеточных мембран, их разрушение и гемолиз Er.

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 АФК, вызывающих окисление SH-групп в молекулах Hb. Молекулы метгемоглобина образуют дисульфидные связи между протомерами и агрегируют с образованием телец Хайнца (рис. 5).

Гемоглобинопатии

Серповидноклеточная анемия (СКА) - тяжёлое наследственное заболевание, обусловленное точечной мутацией гена, кодирующего структуру β-цепи гемоглобина. В результате в Er 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 О2 тетрамеры дезокси-HbS ассоциируют, образуя длинные микротрубчатые образования, которые полимеризуются внутри Er. Полимеризация приводит к нарушению структуры Er, они приобретают серповидную форму и легко разрушаются. При этом заболевании отмечают анемию, прогрессирующую слабость, отставание в развитии и желтуху.

Носители гена СКА 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 СКА в популяции связана с тем, что в эритроцитах гетерозигот хуже развивается малярийный плазмодий, часть жизненного цикла которого проходит в Er человека. В связи с этим гетерозиготные носители дефектного гена выживали при эпидемиях малярии, однако четверть их потомства погибала от СКА.





Рис. 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.


Талассемии - наследственные заболевания, обусловленные отсутствием или снижением скорости синтеза α- или β-цепей гемоглобина. В результате несбалансированного образования глобиновых цепей образуются тетрамеры Hb, состоящие из одинаковых протомеров. Это приводит к нарушению основной функции Hb - транспорту О2 к тканям. Нарушение эритропоэза и ускоренный гемолиз Er 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 Er в циркулирующей крови приводит к внутрисосудистому гемолизу. Как известно, для образования фетального гемоглобина β -цепи не требуются, поэтому клинически β-талассемия не проявляется до рождения, после чего происходит переключение синтеза HbF на НBА.

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 О2 и не проявляет кооперативных взаимодействий между протомерами. В результате гемоглобин Барта не обеспечивает развивающийся плод необходимым количеством О2, 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 НbН, который, подобно гемоглобину Барта, имеет слишком высокое сродство к О2, 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 Er - спектрина или анкирина, которые обеспечивают поддержание двояковогнутой формы клетки и эластичности мембраны. Er 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. При ее недостатке наблюдается снижение скорости синтеза ДНК в быстро делящихся клетках (ретикулоцитах). Клетки дольше пребывают в интерфазе, синтезируя Hb, и становятся крупнее, реже делятся, и количество Er снижается, а крупные мегалобласты быстрее разрушаются. Всё это в конечном итоге приводит к развитию анемии.

При недостатке в организме витамина В12 (участвует в переносе метильной группы с N5-метил-Н4-фолата на гомоцистеин с образованием метионина и Н4-фолата), наблюдается накопление N5-метил-Н4-фолата в клетках. Дефицит Н4-фолата приводит к нарушению деления клеток и развитию анемии.

II Цель деятельности студентов на занятии

Студент должен знать:

  1. Особенности строения и дифференцировки эритроцитов;

  2. Состав мембраны эритроцитов;

  3. Основные белки мембраны эритроцитов (гликофорин, спектрин, белок полосы 3, анкерин);

  4. Ферменты мембраны эритроцитов (Nа+, К+-АТФ-аза, Са2+-АТФ-аза);

  5. Особенности метаболизма глюкозы в эритроцитах;

  6. Чем и как регулируется пролиферация и дифференцировка унипатентной клетки эритроидного ряда ( роль эритропоэтина);

  7. Как осуществляется защита Er от АФК;

  8. Из чего состоит метгемоглобинредуктазная система;

  9. Энзимопатии, связанные с гемолизом эритроцитов (дефект фермента глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы);

  10. Гемоглобинопатии (серповидно-клеточная анемия, причина развития);

Студент должен уметь:

  1. Объяснить роль эритропоэтина на этапах пролиферации и дифференцировки клеток эритроидного ряда;

  2. Особенности фукнционирования метгемоглобинредуктазной системы защиты Er от АФК;

  3. Уметь написать реакции метгемоглобинредуктазной системы.

  4. Значение анаэробного гликолиза для Er;

  5. Роль 2,3-бисфосфоглицерата в Er;

IIIСодержание обучения:

Основные вопросы:

  1. Эритроциты, строение, функции;

  2. Состав мембраны эритроцитов;

  3. Основные белки мембраны эритроцитов (гликофорин, спектрин, белок полосы 3, анкерин);

  4. Ферменты мембраны эритроцитов (Nа+, К+-АТФ-аза, Са2+-АТФ-аза);

  5. Особенности метаболизма глюкозы в эритроцитах;

  6. Роль эритропоэтина;

  7. Защита Er от АФК;

  8. Метгемоглобинредуктазная система, строение;

  9. Энзимопатии, связанные с гемолизом эритроцитов (дефект фермента глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы);

  10. Гемоглобинопатии (серповидно-клеточная анемия, причина развития);

IV Перечень лабораторных работ, наглядных пособий и средств ТСО.

Наглядные пособия:

Таблицы названия

Рисунки: 1.Схема дифференцировки стволовых клеток костного мозга в зрелые эритроциты; 2. Строение спектрина (А), околомембранного белкового комплекса (Б) и цитоскелета эритроцитов (В);3. Метаболизм 2,3-бисфосфоглицерата в эритроцитах; 4. Образование и обезвреживание активных форм кислорода в эритроците; 5. Схема образования телец Хайнца-агрегация гемоглобина.

VII Перечень вопросов для проверки конечного уровня знаний:

  1. Особенности строения и дифференцировки эритроцитов;

  2. Состав мембраны эритроцитов;

  3. Основные белки мембраны эритроцитов (гликофорин, спектрин, белок полосы 3, анкерин);

  4. Ферменты мембраны эритроцитов (Nа+, К+-АТФ-аза, Са2+-АТФ-аза);

  5. Особенности метаболизма глюкозы в эритроцитах;

  6. Чем и как регулируется пролиферация и дифференцировка унипатентной клетки эритроидного ряда ( роль эритропоэтина);

  7. Как осуществляется защита Er от АФК;

  8. Из чего состоит метгемоглобинредуктазная система;

  9. Энзимопатии, связанные с гемолизом эритроцитов (дефект фермента глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы);

  10. Гемоглобинопатии (серповидно-клеточная анемия, причина развития);

VIII Хронокарта учебного занятия:

  1. Общий бюджет времени: 3 (125);

  2. Перекличка 5 минут;

  3. Разбор основных вопросов темы 60 минут;

  4. Тестовый опрос 20 минут;

  5. Проведение лабораторной работы;

  6. Оформление протоколов 10 минут

IX Самостоятельная работа студентов:

Вопросы для самостоятельного обучения:

  1. Талассемии, причины, особенности проявления;

  2. наследственный сфероцитоз;

  3. мегалобластная макроцитарная анемия.

Составление тестов, кроссворда, задач по данной теме.
X Список используемой литературы:

Обязательная:

  1. Березов Т.Т., Коровкин Б.Ф. Биологическая химия. Москва, 2004. 740 с.

  2. Конспект лекций.

Дополнительная:

  1. Северин Е.С., Алейникова Т.Л., Осипов Е.В. Биохимия. М.: Медицина, 2004,164 с.

  2. Интернет- источник.

перейти в каталог файлов

Образовательный портал Как узнать результаты егэ Стихи про летний лагерь 3агадки для детей

Образовательный портал Как узнать результаты егэ Стихи про летний лагерь 3агадки для детей