Anatomie a fyziologie II

Erytrocyt, obecně známý jako červená krvinka (nebo RBC), je zdaleka nejčastěji tvořeným prvkem: Jediná kapka krve obsahuje miliony erytrocytů a jen tisíce leukocytů. Konkrétně u mužů připadá na jeden mikrolitr (µl) krve přibližně 5,4 milionu erytrocytů a u žen přibližně 4,8 milionu na µl. Ve skutečnosti se odhaduje, že erytrocyty tvoří přibližně 25 % všech buněk v těle. Jak si jistě dokážete představit, jedná se o poměrně malé buňky, jejichž průměr je jen asi 7-8 mikrometrů (µm) (obrázek 1). Hlavní funkcí erytrocytů je zachycovat vdechovaný kyslík z plic a dopravovat ho do tělesných tkání a zachycovat část (asi 24 procent) odpadního oxidu uhličitého v tkáních a dopravovat ho do plic k vydechnutí. Erytrocyty zůstávají v cévní síti. Ačkoli leukocyty obvykle opouštějí cévy, aby plnily své obranné funkce, pohyb erytrocytů z cév je abnormální.

Tvar a struktura erytrocytů

Když erytrocyt dozrává v červené kostní dřeni, vytlačuje své jádro a většinu ostatních organel. Během prvního dne nebo dvou dnů, kdy je v oběhu, nezralý erytrocyt, známý jako retikulocyt, obvykle ještě obsahuje zbytky organel. Retikulocyty by měly tvořit přibližně 1-2 % počtu erytrocytů a poskytují hrubý odhad rychlosti produkce RBC, přičemž abnormálně nízké nebo vysoké hodnoty ukazují na odchylky v produkci těchto buněk. Tyto zbytky, především sítě (retikulum) ribozomů, se však rychle vylučují a zralé, cirkulující erytrocyty mají jen málo vnitřních buněčných strukturálních komponent. Chybí jim například mitochondrie a jsou odkázány na anaerobní dýchání. To znamená, že nevyužívají žádný kyslík, který přenášejí, takže ho mohou veškerý dopravit do tkání. Chybí jim také endoplazmatická retikula a nesyntetizují bílkoviny. Erytrocyty však obsahují některé strukturální bílkoviny, které krevním buňkám pomáhají udržovat jejich jedinečnou strukturu a umožňují jim měnit tvar, aby se protlačily kapilárami. Patří mezi ně protein spektrin, cytoskeletální bílkovinný prvek.

Erytrocyty jsou bikonkávní disky; to znamená, že jsou na obvodu baculaté a ve středu velmi tenké (obrázek 2). Protože jim chybí většina organel, je uvnitř více místa pro přítomnost molekul hemoglobinu, které, jak brzy uvidíte, transportují plyny. Bikonkávní tvar také poskytuje větší plochu povrchu, přes kterou může probíhat výměna plynů, v poměru k objemu; koule podobného průměru by měla menší poměr plochy povrchu k objemu. V kapilárách může kyslík přenášený erytrocyty difundovat do plazmy a poté se přes stěny kapiláry dostat k buňkám, zatímco část oxidu uhličitého produkovaného buňkami jako odpadní produkt difunduje do kapilár, aby byl zachycen erytrocyty. Kapilární řečiště je velmi úzké, což zpomaluje průchod erytrocytů a poskytuje delší možnost výměny plynů. Prostor v kapilárách však může být tak malý, že se erytrocyty navzdory své malé velikosti mohou skládat do sebe, pokud si chtějí prorazit cestu. Naštěstí jsou jejich strukturální bílkoviny, jako je spektrin, pružné, což jim umožňuje ohnout se přes sebe do překvapivé míry a po vstupu do širší cévy zase pružit. V širších cévách se erytrocyty mohou skládat podobně jako mince a vytvářet rouleaux, což je odvozeno od francouzského slova pro „rohlík“.

Hemoglobin

Hemoglobin je velká molekula složená z bílkovin a železa. Skládá se ze čtyř složených řetězců bílkoviny zvané globin, označovaných alfa 1 a 2 a beta 1 a 2 (obrázek 3a). Na každou z těchto molekul globinu je navázána molekula červeného barviva zvaná hem, která obsahuje ion železa (Fe2+) (obrázek 3b).

Každý ion železa v hemu se může vázat na jednu molekulu kyslíku; každá molekula hemoglobinu proto může přenášet čtyři molekuly kyslíku. Jednotlivý erytrocyt může obsahovat asi 300 milionů molekul hemoglobinu, a proto se na něj může vázat a přenášet až 1,2 miliardy molekul kyslíku (viz obrázek 3b).

V plicích hemoglobin zachycuje kyslík, který se váže na ionty železa a vytváří oxyhemoglobin. Jasně červený okysličený hemoglobin putuje do tělesných tkání, kde uvolňuje část molekul kyslíku a stává se z něj tmavší červený deoxyhemoglobin, někdy označovaný jako redukovaný hemoglobin. Uvolňování kyslíku závisí na potřebě kyslíku v okolních tkáních, takže hemoglobin zřídkakdy, pokud vůbec, zanechává všechen kyslík. V kapilárách se do krevního oběhu dostává oxid uhličitý. Asi 76 % se rozpustí v plazmě, část zůstane jako rozpuštěný CO2 a zbytek tvoří hydrogenuhličitanový ion. Asi 23-24 procent z něj se váže na aminokyseliny v hemoglobinu a vytváří molekulu známou jako karbaminohemoglobin. Z kapilár odvádí hemoglobin oxid uhličitý zpět do plic, kde jej uvolňuje pro výměnu kyslíku.

Změny v hladinách RBC mohou mít významný vliv na schopnost organismu účinně dodávat kyslík do tkání. Neúčinná krvetvorba má za následek nedostatečný počet RBC a vede k jedné z několika forem anémie. Nadprodukce RBC vede ke stavu zvanému polycytemie. Hlavní nevýhodou polycytemie není přímá neschopnost dodat tkáním dostatek kyslíku, ale spíše zvýšená viskozita krve, která ztěžuje cirkulaci krve srdcem.

U pacientů s nedostatečným množstvím hemoglobinu nemusí tkáně dostávat dostatek kyslíku, což vede k další formě anémie. Při určování okysličení tkání je ve zdravotnictví nejzajímavější hodnotou procentuální saturace; to znamená procento míst hemoglobinu obsazených kyslíkem v krvi pacienta. Klinicky se tato hodnota běžně označuje jednoduše jako „procento saturace“.

Procento saturace se obvykle sleduje pomocí přístroje známého jako pulzní oxymetr, který se přikládá na tenkou část těla, obvykle na špičku prstu pacienta. Přístroj funguje tak, že vysílá dvě různé vlnové délky světla (jednu červenou, druhou infračervenou) skrz prst a měří světlo pomocí fotodetektoru při jeho výstupu. Hemoglobin absorbuje světlo různě v závislosti na jeho nasycení kyslíkem. Přístroj kalibruje množství světla přijatého fotodetektorem proti množství světla absorbovaného částečně okysličeným hemoglobinem a prezentuje údaje jako procento nasycení. Normální hodnoty pulzního oxymetru se pohybují v rozmezí 95-100 %. Nižší procenta odrážejí hypoxemii neboli nízkou hladinu kyslíku v krvi. Pojem hypoxie je obecnější a jednoduše označuje nízkou hladinu kyslíku. Hladina kyslíku se také sleduje přímo z volného kyslíku v plazmě obvykle po arteriálním vpichu. Při použití této metody se množství přítomného kyslíku vyjadřuje jako parciální tlak kyslíku nebo jednoduše pO2 a obvykle se zaznamenává v jednotkách milimetrů rtuti, mm Hg.

Ledviny přefiltrují u průměrného dospělého člověka denně asi 180 litrů (~380 půllitrů) krve, což je asi 20 % celkového klidového objemu, a slouží tak jako ideální místo pro receptory, které určují saturaci kyslíkem. V reakci na hypoxemii odchází z cév zásobujících ledviny méně kyslíku, což vede k hypoxii (nízké koncentraci kyslíku) v tkáňovém moku ledvin, kde se koncentrace kyslíku skutečně sleduje. Intersticiální fibroblasty v ledvině vylučují EPO, čímž zvyšují produkci erytrocytů a obnovují hladinu kyslíku. V klasické smyčce negativní zpětné vazby se s rostoucí saturací kyslíkem snižuje sekrece EPO a naopak, čímž se udržuje homeostáza. Populace žijící ve vysokých nadmořských výškách s přirozeně nižší hladinou kyslíku v atmosféře si přirozeně udržují vyšší hematokrit než lidé žijící na úrovni moře. V důsledku toho mohou lidé cestující do vysokých nadmořských výšek pociťovat několik dní po příjezdu příznaky hypoxémie, jako je únava, bolest hlavy a dušnost. V reakci na hypoxemii vylučují ledviny EPO, aby zvýšily produkci erytrocytů, dokud není opět dosaženo homeostázy. Aby se horolezci vyhnuli příznakům hypoxémie nebo výškové nemoci, obvykle několik dní až týden nebo déle odpočívají v řadě táborů umístěných ve stále větších nadmořských výškách, aby se zvýšila hladina EPO a následně i počet erytrocytů. Při výstupech na nejvyšší vrcholy, jako je Mount Everest a K2 v Himálaji, se mnoho horolezců spoléhá na balený kyslík, když se blíží k vrcholu.

Životní cyklus erytrocytů

Tvorba erytrocytů v kostní dřeni probíhá ohromující rychlostí více než 2 miliony buněk za sekundu. Aby tato produkce mohla probíhat, musí být v dostatečném množství přítomna řada surovin. Patří mezi ně stejné živiny, které jsou nezbytné pro tvorbu a udržení každé buňky, jako je glukóza, lipidy a aminokyseliny. Výroba erytrocytů však vyžaduje také několik stopových prvků:

• Železo. Řekli jsme, že každá hemová skupina v molekule hemoglobinu obsahuje ion stopového minerálu železa. V průměru se vstřebává méně než 20 % železa, které přijímáme. Hemové železo z živočišných potravin, jako je maso, drůbež a ryby, se vstřebává účinněji než nehemové železo z rostlinných potravin. Po vstřebání se železo stává součástí celkové zásoby železa v těle. Kostní dřeň, játra a slezina mohou železo ukládat do bílkovinných sloučenin feritinu a hemosiderinu. Ferroportin transportuje železo přes plazmatické membrány střevních buněk a ze zásobních míst do tkáňového moku, odkud se dostává do krve. Když EPO stimuluje tvorbu erytrocytů, železo se uvolňuje ze zásob, váže se na transferin a přenáší se do červené dřeně, kde se váže na prekurzory erytrocytů.
• Měď. Měď, stopový minerál, je součástí dvou plazmatických bílkovin, hefaistinu a ceruloplazminu. Bez nich by nemohl být dostatečně produkován hemoglobin. Hephaestin, který se nachází ve střevních klcích, umožňuje vstřebávání železa střevními buňkami. Ceruloplazmin přenáší měď. Oba umožňují oxidaci železa z Fe2+ na Fe3+, což je forma, ve které může být navázáno na svůj transportní protein, transferin, pro transport do tělesných buněk. Ve stavu nedostatku mědi se snižuje transport železa pro syntézu hemu a železo se může hromadit v tkáních, kde může nakonec vést k poškození orgánů.
• Zinek. Stopový minerál zinek funguje jako koenzym, který usnadňuje syntézu hemové části hemoglobinu.
• B vitaminy. Vitamíny skupiny B folát a vitamin B12 fungují jako koenzymy, které usnadňují syntézu DNA. Oba jsou tedy rozhodující pro syntézu nových buněk, včetně erytrocytů.

Erytrocyty žijí v oběhu až 120 dní, poté jsou opotřebované buňky odstraněny typem myeloidní fagocytární buňky zvané makrofág, která se nachází především v kostní dřeni, játrech a slezině. Složky hemoglobinu rozložených erytrocytů se dále zpracovávají takto:

• Globin, bílkovinná část hemoglobinu, se rozkládá na aminokyseliny, které mohou být odeslány zpět do kostní dřeně, kde se použijí při výrobě nových erytrocytů. Hemoglobin, který není fagocytován, se rozkládá v oběhu a uvolňuje alfa a beta řetězce, které jsou z oběhu odstraňovány ledvinami.
• Železo obsažené v hemové části hemoglobinu může být uloženo v játrech nebo slezině, především ve formě feritinu nebo hemosiderinu, nebo může být krevním řečištěm přeneseno transferinem do červené kostní dřeně k recyklaci na nové erytrocyty.
• Neželezná část hemu se rozkládá na odpadní produkt biliverdin, zelené barvivo, a poté na další odpadní produkt, bilirubin, žluté barvivo. Bilirubin se váže na albumin a putuje krví do jater, která ho využívají při výrobě žluči, sloučeniny uvolňované do střev, která pomáhá emulgovat tuky ve stravě. V tlustém střevě bakterie odštěpí bilirubin ze žluči a přemění jej na urobilinogen a poté na sterkobilin. Z těla je pak vyloučen ve stolici. Širokospektrá antibiotika obvykle eliminují i tyto bakterie a mohou změnit barvu stolice. Ledviny také odstraňují veškerý cirkulující bilirubin a další související vedlejší metabolické produkty, jako jsou urobiliny, a vylučují je do moči.

Rozkladné pigmenty vzniklé destrukcí hemoglobinu lze pozorovat v různých situacích. V místě poranění vytváří biliverdin z poškozených RBC některé dramatické barvy spojené s modřinami. Při selhání jater nemůže být bilirubin účinně odstraněn z oběhu a způsobuje, že tělo získává žlutavý nádech spojený se žloutenkou. Sterkobiliny ve stolici vytvářejí typickou hnědou barvu spojenou s tímto odpadem. A žlutá barva moči je spojena s urobiliny.

Životní cyklus erytrocytů je shrnut na obrázku 4:

Poruchy erytrocytů

Velikost, tvar a počet erytrocytů a počet molekul hemoglobinu mohou mít zásadní vliv na zdraví člověka. Při nedostatku počtu krvinek nebo hemoglobinu se celkový stav nazývá anémie. Existuje více než 400 typů anémie a tímto stavem trpí více než 3,5 milionu Američanů. Anémii lze rozdělit do tří hlavních skupin: anémie způsobené ztrátou krve, anémie způsobené chybnou nebo sníženou tvorbou krvinek a anémie způsobené nadměrnou destrukcí krvinek. Lékaři při diagnostice často používají dvě skupiny: Kinetický přístup se zaměřuje na hodnocení produkce, destrukce a odstraňování krvinek, zatímco morfologický přístup zkoumá samotné krvinky a klade zvláštní důraz na jejich velikost. Běžným testem je střední objem tělísek (MCV), který měří velikost. Buňky normální velikosti se označují jako normocytární, buňky menší než normální se označují jako mikrocytární a buňky větší než normální se označují jako makrocytární. Důležitý je také počet retikulocytů, který může odhalit nedostatečnou produkci RBC. Účinky různých anémií jsou rozsáhlé, protože snížený počet RBC nebo hemoglobinu vede k nižšímu množství kyslíku dodávaného do tělesných tkání. Protože kyslík je nezbytný pro fungování tkání, způsobuje anémie únavu, letargii a zvýšené riziko infekce. Nedostatek kyslíku v mozku zhoršuje schopnost jasného myšlení a může vyvolat bolesti hlavy a podrážděnost. Nedostatek kyslíku způsobuje, že se pacient zadýchává, i když srdce a plíce v reakci na tento nedostatek pracují intenzivněji.

Anémie způsobené ztrátou krve jsou poměrně jednoduché. Kromě krvácení z ran nebo jiných poranění mohou být tyto formy chudokrevnosti způsobeny vředy, hemoroidy, zánětem žaludku (gastritidou) a některými druhy rakoviny trávicího traktu. Nadměrné užívání aspirinu nebo jiných nesteroidních protizánětlivých léků, jako je ibuprofen, může vyvolat vředy a gastritidu. Potenciálními příčinami jsou také nadměrná menstruace a ztráta krve při porodu.

Mezi anémie způsobené chybnou nebo sníženou tvorbou krevních krvinek patří srpkovitá anémie, anémie z nedostatku železa, anémie z nedostatku vitamínů a onemocnění kostní dřeně a kmenových buněk.

• U srpkovité anémie (označované také jako srpkovitá anémie) se projevuje charakteristická změna tvaru erytrocytů. Jedná se o genetickou poruchu, která je způsobena produkcí abnormálního typu hemoglobinu, tzv. hemoglobinu S, který dodává tkáním méně kyslíku a způsobuje, že erytrocyty nabývají srpkovitého (nebo srpkovitého) tvaru, zejména při nízkých koncentracích kyslíku (obrázek 5). Tyto abnormálně tvarované buňky pak mohou uvíznout v úzkých kapilárách, protože se nedokážou složit do sebe, aby se protlačily, blokují průtok krve tkáněmi a způsobují řadu závažných problémů od bolestivých kloubů přes opožděný růst až po slepotu a cévní mozkové příhody (mrtvice). Srpkovitá anémie je genetické onemocnění, které se vyskytuje zejména u jedinců afrického původu.
• Anémie z nedostatku železa je nejčastějším typem a vzniká tehdy, když množství dostupného železa neumožňuje tvorbu dostatečného množství hemu. Tento stav se může vyskytnout u jedinců s nedostatkem železa ve stravě a je častý zejména u dospívajících a dětí a také u veganů a vegetariánů. Kromě toho může být anémie z nedostatku železa způsobena buď neschopností vstřebávat a transportovat železo, nebo pomalým, chronickým krvácením.
• Anémie z nedostatku vitamínů obvykle zahrnují nedostatek vitamínu B12 a folátů.
  • Megaloblastická anémie zahrnuje nedostatek vitamínu B12 a/nebo folátů a často zahrnuje stravu s nedostatkem těchto základních živin. Nedostatek masa nebo vhodného alternativního zdroje a převařování nebo konzumace nedostatečného množství zeleniny mohou vést k nedostatku folátů.
  • Perniciózní anémie je způsobena špatným vstřebáváním vitaminu B12 a často se vyskytuje u pacientů s Crohnovou chorobou (závažné střevní onemocnění často léčené operací), chirurgickým odstraněním střev nebo žaludku (běžné při některých operacích na snížení hmotnosti), střevními parazity a AIDS.
  • Těhotenství, některé léky, nadměrná konzumace alkoholu a některá onemocnění, jako je celiakie, jsou také spojeny s nedostatkem vitamínů. V časných fázích těhotenství je nezbytné zajistit dostatečné množství kyseliny listové, aby se snížilo riziko neurologických vad, včetně rozštěpu páteře, což je neuzavření neurální trubice.
• Různé chorobné procesy mohou také narušovat tvorbu a tvorbu krevních destiček a hemoglobinu. Pokud jsou myeloidní kmenové buňky defektní nebo nahrazené nádorovými buňkami, vzniká nedostatečné množství RBC.
  • Aplastická anémie je stav, při kterém je nedostatečný počet kmenových buněk RBC. Aplastická anémie je často dědičná nebo může být vyvolána ozařováním, léky, chemoterapií nebo infekcí.
  • Talasemie je dědičné onemocnění, které se typicky vyskytuje u jedinců z Blízkého východu, Středomoří, Afriky a jihovýchodní Asie a při kterém zrání RBC neprobíhá normálně. Nejzávažnější forma se nazývá Cooleyova anémie.
  • K destrukci červené kostní dřeně může vést také expozice olovu z průmyslových zdrojů nebo dokonce prach z úlomků barev obsahujících železo nebo z keramiky, která nebyla řádně glazována.
• K anémiím mohou vést také různé chorobné procesy. Patří mezi ně chronická onemocnění ledvin často spojená se sníženou produkcí EPO, hypotyreóza, některé formy rakoviny, lupus a revmatoidní artritida.

Na rozdíl od anémie se zvýšený počet krevních krvinek nazývá polycytemie a zjišťuje se při zvýšeném hematokritu pacienta. Může se přechodně vyskytnout u dehydratovaného člověka; při nedostatečném příjmu vody nebo nadměrných ztrátách vody dochází k poklesu objemu plazmy. V důsledku toho se zvyšuje hematokrit. Z výše uvedených důvodů je mírná forma polycytemie chronická, ale normální u lidí žijících ve vysokých nadmořských výškách. Někteří elitní sportovci trénují ve vysokých nadmořských výškách speciálně proto, aby tento jev vyvolali. A konečně typ onemocnění kostní dřeně zvaný polycytémie vera (z řeckého vera = „pravý“) způsobuje nadměrnou tvorbu nezralých erytrocytů. Polycytemia vera může nebezpečně zvýšit viskozitu krve, zvýšit krevní tlak a ztížit srdci pumpování krve do celého těla. Jedná se o poměrně vzácné onemocnění, které se častěji vyskytuje u mužů než u žen a častěji se vyskytuje u starších pacientů těch, kterým je více než 60 let.

Přehled kapitol

Nejhojněji tvořené prvky v krvi, erytrocyty, jsou červené, bikonkávní disky naplněné sloučeninou hemoglobinu, která přenáší kyslík. Molekula hemoglobinu obsahuje čtyři globinové bílkoviny vázané na molekulu barviva zvanou hem, která obsahuje ion železa. Železo v krevním řečišti zachycuje kyslík v plicích a odvádí ho do tkání; aminokyseliny v hemoglobinu pak přenášejí oxid uhličitý z tkání zpět do plic.

Erytrocyty žijí v průměru pouze 120 dní, a proto musí být neustále obměňovány. Opotřebované erytrocyty jsou fagocytovány makrofágy a jejich hemoglobin se rozkládá. Produkty rozkladu jsou recyklovány nebo odstraněny jako odpad: Globin se rozkládá na aminokyseliny pro syntézu nových bílkovin, železo se ukládá v játrech nebo slezině nebo se využívá v kostní dřeni pro tvorbu nových erytrocytů a zbytky hemu se přeměňují na bilirubin nebo jiné odpadní produkty, které jsou vychytávány játry a vylučovány žlučí nebo odstraňovány ledvinami. Anémie je nedostatek krevních destiček nebo hemoglobinu, zatímco polycytemie je nadbytek krevních destiček.

Samokontrola

Odpovězte na níže uvedené otázky, abyste zjistili, jak dobře rozumíte tématům probíraným v předchozí části.

Slovníček

anemie: nedostatek červených krvinek nebo hemoglobinu

bilirubin: nažloutlé žlučové barvivo, které vzniká při odstraňování železa z hemu a jeho dalším rozkladu na odpadní produkty

biliverdin: V játrech se přeměňuje na bilirubin

karbaminohemoglobin: sloučenina oxidu uhličitého a hemoglobinu a jeden ze způsobů přenosu oxidu uhličitého v krvi

deoxyhemoglobin: molekula hemoglobinu bez navázané molekuly kyslíku

erytrocyt: (také červená krvinka) zralá myeloidní krevní buňka, která se skládá převážně z hemoglobinu a funguje především při přenosu kyslíku a oxidu uhličitého

ferritin: zásobní forma železa obsahující bílkoviny, která se nachází v kostní dřeni, játrech a slezině

globin:

hem: červené barvivo obsahující železo, na které se v hemoglobinu váže kyslík

hemoglobin: sloučenina přenášející kyslík v erytrocytech

hemosiderin:

hypoxémie: nasycení krve kyslíkem pod normální úrovní (obvykle <95 procent)

makrofág: fagocytující buňka myeloidní linie; zralý monocyt

oxyhemoglobin:

polycytemie: zvýšená hladina hemoglobinu, ať už adaptační nebo patologická

retikulocyt: nezralý erytrocyt, který může ještě obsahovat fragmenty organel

sickle cell disease: (také srpkovitá anémie) dědičná porucha krve, při níž jsou molekuly hemoglobinu deformovány, což vede k rozpadu RBC, které nabývají charakteristického srpkovitého tvaru

thalasemie: dědičná porucha krve, při níž zrání RBC neprobíhá normálně, což vede k abnormální tvorbě hemoglobinu a destrukci RBC

transferrin: plazmatická bílkovina, která reverzibilně váže železo a rozvádí ho po celém těle

transferin: plazmatická bílkovina, která váže železo a rozvádí ho po celém těle

transferin: plazmatická bílkovina, která reverzibilně váže železo a rozvádí ho po celém těle