学習目標
このセクションの終わりまでに、あなたはできるようになります。
- 赤血球の解剖学的構造を説明する
- 赤血球のライフサイクルにおけるさまざまなステップを説明する
- ヘモグロビンの組成と機能を説明する
赤血球は一般に赤血球（RBC）として知られており、最も一般的に形成されている要素であり、赤血球は、一般に、血液を供給するために使用される。 一滴の血液に含まれる赤血球は数百万、白血球はわずか数千である。 具体的には、男性は血液1マイクロリットルあたり約540万個、女性は1マイクロリットルあたり約480万個の赤血球が存在する。 また、赤血球は体内の全細胞の約25%を占めるといわれています。 赤血球は、平均直径が約7〜8マイクロメートル（μm）と非常に小さな細胞であることはご想像の通りです（図1）。 赤血球の主な働きは、肺から吸入した酸素を拾って体の組織に運び、組織で一部（約24%）の二酸化炭素の老廃物を拾って肺に運び、息を吐き出すことである。 赤血球は血管網内にとどまる。 白血球は通常、防御機能を果たすために血管を離れるが、赤血球の血管からの移動は異常である。
Figure 1. 血液中の形成要素の概要
赤血球の形と構造
赤血球は赤色骨髄で成熟すると、核とその他の小器官のほとんどを押し出す。 赤血球が循環している最初の1日か2日の間、網状赤血球として知られている未熟な赤血球は、典型的にはまだ器官の残骸を含んでいるであろう。 網状赤血球は赤血球数の約1〜2％を占め、赤血球の産生速度の目安になり、異常に低い、あるいは高い場合は、これらの細胞の産生に狂いがあることを示す。 しかし、これらの残骸は、主にリボソームのネットワーク（網状体）であり、すぐに排出されるため、成熟した循環赤血球は、細胞内部の構造要素をほとんど持っていない。 例えば、ミトコンドリアを持たない赤血球は、嫌気性呼吸に依存している。 つまり、輸送する酸素を一切利用しないので、組織へ酸素をすべて送り込むことができる。 また、小胞体もなく、タンパク質を合成することもない。 しかし、赤血球には、血球がその独特の構造を維持し、毛細血管を通るために形状を変化させることを可能にする構造タンパク質がいくつか含まれています。 これには、細胞骨格タンパク質であるスペクトリンというタンパク質が含まれる。
図2. 赤血球の形状 赤血球は中央が非常に浅い両凹型の円盤状である。 この形状は、表面積と体積の比率を最適化し、ガス交換を容易にする。
赤血球は両凹型の円盤状で、周辺部はふっくらとしているが、中心部は非常に薄くなっている（図2）。 赤血球には小器官がほとんどないため、内部に空間があり、まもなく見るように、気体を運ぶヘモグロビン分子が存在することができます。 また、両凹型のため、体積に対してガス交換が可能な表面積が大きく、同じ直径の球体では、表面積と体積の比率が低くなる。 毛細血管では、赤血球によって運ばれた酸素が血漿中に拡散し、毛細血管壁を通って細胞に到達する。一方、細胞から老廃物として発生した二酸化炭素の一部は毛細血管に拡散し、赤血球に取り込まれる。 毛細血管は非常に狭いので、赤血球の通過が遅くなり、ガス交換の機会が長くなる。 しかし、毛細血管内の空間は非常に狭いため、赤血球は小さいにもかかわらず、自ら折り重なって通らなければならないことがある。 しかし、赤血球の構造タンパク質であるスペクトリンは柔軟性があるため、赤血球は驚くほど折り畳まれ、広い血管に入るとまた元に戻る。
ヘモグロビン
ヘモグロビンはタンパク質と鉄からなる大きな分子である。 グロビンというタンパク質が4本折り重なってできており、α1、2、β1、2と呼ばれています（図3a）。 これらのグロビン分子には、それぞれ鉄のイオン（Fe2+）を含むヘムという赤い色素分子が結合している（図3b）
図3. (a）ヘモグロビンの分子には4つのグロビンタンパク質があり、それぞれが鉄を含む色素のヘム1分子に結合している。 (b)赤血球1個には3億個のヘモグロビン分子があり、10億個以上の酸素分子が含まれている。
ヘム中の鉄イオン1個は酸素分子1個と結合できるため、ヘモグロビン1分子は4個の酸素分子を輸送できることになる。 赤血球1個には約3億個のヘモグロビン分子が含まれるため、最大12億個の酸素分子と結合して運搬できる（図3b参照）。
肺の中でヘモグロビンは酸素を取り込み、鉄イオンと結合してオキシヘモグロビンを形成する。 真っ赤な酸素化ヘモグロビンは体内組織に移動し、そこで酸素分子の一部を放出し、暗赤色のデオキシヘモグロビン（還元ヘモグロビンとも呼ばれる）となる。 酸素の放出は周囲の組織の酸素の必要性に応じて行われるため、ヘモグロビンがすべての酸素を取り残すことはほとんどない。 毛細血管では、二酸化炭素が血流に入る。 約76％が血漿中に溶け込み、一部は溶存二酸化炭素として残り、残りは重炭酸イオンを形成する。 約23〜24％はヘモグロビンのアミノ酸と結合し、カルバミノヘモグロビンと呼ばれる分子を形成する。
赤血球のレベルの変化は、酸素を効果的に組織に供給する体の能力に大きな影響を与える。 造血がうまくいかないと、赤血球の数が不足し、いくつかの貧血の形態のうちの1つが生じる。 赤血球が過剰に生成されると、多血症と呼ばれる状態になる。 多血症の主な欠点は、組織に十分な酸素を直接供給できないことではなく、むしろ血液の粘度が高くなり、心臓が血液を循環させるのが難しくなることである。
ヘモグロビンが不足している患者では、組織が十分な酸素を供給できず、別の形の貧血になることがある。 組織の酸素化を判断する上で、医療現場で最も関心の高い値は飽和率である。つまり、患者の血液中の酸素が占めるヘモグロビンの部位の割合のことである。 臨床的には、この値は一般に単に「飽和度」と呼ばれています。
飽和度は通常、パルスオキシメータとして知られる装置を使用して監視されます。この装置は、身体の細い部分、通常は患者の指先に装着されます。 この装置は、2つの異なる波長の光（1つは赤、もう1つは赤外線）を指に通して、指から出た光を光検出器で測定することで機能します。 ヘモグロビンは酸素の飽和度によって光の吸収が異なる。 光検出器は、部分的に酸素化されたヘモグロビンが吸収する光量に対して受光量を調整し、データを飽和率として表示します。 パルスオキシメーターの正常な測定値は95～100％である。 これより低い数値は低酸素血症、つまり血液中の酸素が少ないことを表しています。 低酸素症という用語はより一般的で、単に酸素濃度が低いことを意味する。 酸素レベルは、通常、動脈スティックの後に血漿中の遊離酸素から直接モニターすることもできる。 9991>
腎臓は、平均的な成人の1日あたり約180リットル（～380パイント）の血液、すなわち安静時総血液量の約20％をろ過しており、酸素飽和度を決定する受容体の理想的な部位として機能している。 低酸素血症になると、腎臓に供給されている血管から出る酸素が少なくなり、実際に酸素濃度がモニターされている腎臓の組織液では低酸素（酸素濃度が低い）状態となる。 腎臓内の間質性線維芽細胞はEPOを分泌し、赤血球の産生を増加させ、酸素濃度を回復させる。 酸素飽和度が上がるとEPOの分泌が減り、逆に下がると酸素飽和度が下がるという典型的な負のフィードバックループにより、恒常性が保たれる。 高地に住む人々は、大気中の酸素濃度がもともと低いため、海面に住む人々よりも当然ヘマトクリットが高く維持される。 そのため、高地に旅行した人は、到着後数日間、疲労感、頭痛、息切れなどの低酸素血症の症状を経験することがある。 この低酸素血症に対して、腎臓はEPOを分泌して赤血球の産生を高め、再びホメオスタシス（恒常性）を取り戻す。 低酸素血症や高山病の症状を避けるため、登山者は通常、標高の高いキャンプ地で数日から1週間以上休息し、EPOの濃度、ひいては赤血球の数を上昇させる。
赤血球のライフサイクル
骨髄における赤血球の生産は、1秒間に200万個以上という驚異的な速度で行われている。 この生産が行われるためには、多くの原材料が十分な量で存在しなければならない。 この原料には、グルコース、脂質、アミノ酸など、あらゆる細胞の生産と維持に不可欠な栄養素が含まれています。 しかし、赤血球の生成には、いくつかの微量元素も必要です：
- 鉄。 ヘモグロビン分子の各ヘム基には、微量ミネラルである鉄のイオンが含まれていると述べました。 平均して、摂取した鉄の20％以下しか吸収されません。 肉、鶏肉、魚などの動物性食品に含まれるヘム鉄は、植物性食品に含まれる非ヘム鉄よりも効率よく吸収されます。 吸収された鉄は、体内の全鉄分プールの一部となります。 骨髄、肝臓、脾臓は、フェリチンやヘモジデリンというタンパク質化合物で鉄を貯蔵することができます。 フェロポルティンは、鉄を腸管細胞の細胞膜を通過させ、貯蔵部位から組織液に輸送し、血液に流入させる。 EPOが赤血球の産生を刺激すると、鉄は貯蔵場所から放出され、トランスフェリンと結合し、赤血球前駆体に付着して赤髄に運ばれる。 微量ミネラルである銅は、ヘファースチンとセルロプラスミンという2つの血漿タンパク質の構成要素である。 これらがなければ、ヘモグロビンを十分に生成することができない。 ヘパエスティンは腸の絨毛に存在し、鉄を腸の細胞に吸収させる働きがあります。 セルロプラスミンは銅を輸送する。 どちらも鉄をFe2+からFe3+に酸化し、トランスフェリンという輸送タンパク質と結合させ、体細胞に輸送することができる。 銅が不足すると、ヘム合成のための鉄の輸送が減少し、鉄が組織に蓄積され、最終的に臓器障害につながる可能性があります
- 亜鉛。 微量ミネラルの亜鉛は、ヘモグロビンのヘム部分の合成を促進する補酵素として機能します。
- ビタミンB群 ビタミンB群の葉酸とビタミンB12は、DNA合成を促進する補酵素として機能する。 赤血球は循環系で120日ほど生き、その後、主に骨髄、肝臓、脾臓に存在するマクロファージと呼ばれる骨髄系貪食細胞の一種によって、消耗した細胞は除去される。 ヘモグロビンのタンパク質であるグロビンはアミノ酸に分解され、骨髄に戻され新しい赤血球を作るために使われます。 ヘモグロビンのヘム部分に含まれる鉄は、主にフェリチンやヘモジデリンの形で肝臓や脾臓に貯蔵されるか、トランスフェリンによって血流に乗って赤色骨髄に運ばれ、新しい赤血球に再利用されます。
- ヘムの非鉄部分は、緑色の色素である廃棄物ビリベルジンに分解され、さらに黄色の色素である別の廃棄物ビリルビンに分解される。 ビリルビンはアルブミンと結合し、血液に乗って肝臓に運ばれ、肝臓で胆汁の製造に使われる。胆汁は、食事の脂肪を乳化させるために腸内に放出される化合物である。 大腸では、細菌が胆汁からビリルビンを分解し、ウロビリノーゲン、ステルコビリンに変化させる。 そして、便として体外に排出される。 広域抗生物質がこれらの細菌を除去し、便の色を変化させることがあります。 腎臓はまた、循環しているビリルビンやウロビリンなどの関連代謝副産物を除去し、尿中に分泌する。
ヘモグロビンが破壊されてできる分解色素は、さまざまな状況で見ることができる。 傷害部位では、損傷した赤血球からのビリベルジンが、打撲に関連した劇的な色のいくつかを作り出す。 肝臓の機能が低下すると、ビリルビンを効果的に除去することができなくなり、黄疸のような黄色味を帯びるようになる。 便の中のステルコビリンは、この老廃物に関連した典型的な褐色を生成する。
赤血球のライフサイクルは図4にまとめられている：
Figure 4.赤血球のライフサイクルは図4にまとめられている。 赤血球は骨髄で産生され、循環器系に送り込まれる。 ライフサイクルの最後にはマクロファージによって破壊され、その成分は再利用される。
赤血球の障害
赤血球の大きさや形、数、そしてヘモグロビン分子の数は、人の健康に大きな影響を与えることがあります。 赤血球やヘモグロビンの数が不足した場合、一般に貧血と呼ばれる状態になります。 貧血の種類は400以上あり、350万人以上のアメリカ人がこの症状に苦しんでいます。 貧血は大きく分けて、出血によるもの、赤血球の生産不良や減少によるもの、赤血球の過剰な破壊によるものの3つに分けられる。 臨床医は診断に際して、2つのグループ分けを用いることが多い。 赤血球の産生、破壊、除去を評価する運動学的アプローチと、赤血球の大きさに着目して赤血球そのものを検査する形態学的アプローチである。 一般的な検査は、大きさを測定する平均赤血球容積（MCV）である。 正常な大きさの細胞を正常細胞性、正常より小さい細胞を小球性、正常より大きい細胞を大球性と呼ぶ。 網状赤血球数も重要であり、赤血球の産生が不十分であることを示すことがある。 赤血球やヘモグロビンの数が減少すると、体内組織に供給される酸素濃度が低下するため、様々な貧血の影響は広範囲に及ぶ。 酸素は組織の機能に必要であるため、貧血は疲労、無気力、および感染症のリスクの増加をもたらす。 脳の酸素不足は、思考力を低下させ、頭痛やイライラを引き起こすことがあります。
失血性貧血は、かなり単純なものである。 傷や他の病変からの出血に加えて、潰瘍、痔、胃の炎症（胃炎）、および消化管の一部の癌が原因で、これらの形態の貧血が起こることがある。 アスピリンやイブプロフェンなどの非ステロイド性抗炎症薬の過剰使用は、潰瘍や胃炎の引き金になることがあります。 過度の月経や出産時の出血も原因となりうる。
赤血球産生の異常や減少によって起こる貧血には、鎌状赤血球貧血、鉄欠乏性貧血、ビタミン欠乏性貧血、骨髄や幹細胞の病気がある。
図5. 鎌状赤血球 鎌状赤血球貧血は、ヘモグロビン遺伝子のひとつに変異があるために起こる。 赤血球が異常なヘモグロビンを産生するため、細胞が鎌状または三日月状になる。 (credit: Janice Haney Carr)
- 鎌状赤血球症（鎌状赤血球貧血とも呼ばれる）では、赤血球の形状に特徴的な変化が見られる。 このヘモグロビンSは、組織への酸素供給量が少なく、特に酸素濃度が低いときに赤血球が鎌状（または三日月状）になります（図5）。 この異常な形をした細胞は、狭い毛細血管内で折り重なって押し流すことができないため、組織への血流を妨げ、関節の痛みから成長の遅れ、さらには失明や脳血管障害（脳卒中）に至るまで、さまざまな深刻な問題を引き起こすことになる。 鉄欠乏性貧血は、最も一般的なタイプで、利用可能な鉄の量が不足して、十分なヘムが生成されない場合に起こります。 この状態は、食事中の鉄分が不足している人に起こる可能性があり、特に10代の若者や子供、菜食主義者によく見られます。 さらに、鉄欠乏性貧血は、鉄の吸収および輸送ができないか、または遅い慢性的な出血によって引き起こされることがある。
- ビタミン欠乏性貧血は、一般にビタミンB12および葉酸の不足を伴う。
- 巨赤芽球性貧血にはビタミンB12および/または葉酸の欠乏があり、しばしばこれらの必須栄養素の欠乏による食事が含まれる。 肉類または実行可能な代替源の不足、および野菜の過剰調理または不十分な量の食事は、葉酸の不足につながる可能性がある。
- 悪性貧血は、ビタミンB12の吸収不良が原因で、クローン病（手術によってしばしば治療する重度の腸疾患）、腸または胃の外科的切除（一部の減量手術でよく見られる）、腸の寄生虫およびエイズの患者でしばしば見られる。
- 妊娠、一部の薬剤、過度のアルコール摂取、セリアック病などの病気も、ビタミン不足に関連しています。
- また、さまざまな病気の過程で、赤血球やヘモグロビンの生成や形成に支障をきたすことがあります。 骨髄幹細胞に欠陥があるか、またはがん細胞によって置き換えられた場合、生産される赤血球の量が不足します。
- 再生不良性貧血は、赤血球幹細胞の数が欠乏している状態です。 また、放射線、薬物、化学療法、感染症が引き金となることもあります。
- サラセミアは、中東、地中海沿岸、アフリカ、東南アジアの人々によく見られる遺伝性の疾患で、赤血球の成熟が正常に進みません。 最も重症の型はクーリー貧血と呼ばれる。
- 工業的な原因による鉛の暴露、あるいは鉄を含む塗料や適切に施釉されていない陶器の破片による塵も赤髄の破壊につながる可能性がある。 貧血とは対照的に、赤血球数の増加は多血症と呼ばれ、患者のヘマトクリット値の上昇で検出される。 脱水状態の人に一過性に起こることがあり、水分摂取が不足したり、水分喪失が過剰になると、血漿量が低下する。 その結果、ヘマトクリットが上昇する。 先に述べた理由により、高地に住む人々には軽度の多血症が慢性的に存在するが、正常である。 エリートアスリートの中には、この現象を誘発するために高地で特別なトレーニングをする人もいる。 最後に、ヴェラ多血症（ギリシャ語のヴェラ＝「真実」に由来）と呼ばれる骨髄疾患の一種は、未熟な赤血球が過剰に産生されるものである。 真性多血症は血液の粘度を危険なほど高め、血圧を上昇させ、心臓が血液を全身に送り出すことを困難にします。
Chapter Review
血液中の最も豊富な成分である赤血球は、ヘモグロビンという酸素運搬化合物が詰まった赤い二つ折りの円盤状のものである。 ヘモグロビン分子は、4つのグロビンタンパク質とヘムという色素分子が結合したもので、ヘムは鉄のイオンを含んでいる。 赤血球は平均して120日しか生きられないので、絶えず交換されなければならない。 消耗した赤血球はマクロファージに貪食され、そのヘモグロビンは分解される。 分解されたものは再利用されるか、老廃物として除去される。 グロビンはアミノ酸に分解されて新しいタンパク質の合成に使われ、鉄は肝臓や脾臓に貯蔵されるか、骨髄で新しい赤血球の生成に使われる。ヘムの残りはビリルビンやその他の老廃物に変換されて、肝臓に取り込まれて胆汁中に排泄されるか腎臓で除去される。 貧血は赤血球またはヘモグロビンの欠乏であり、多血症は赤血球の過剰である。
セルフチェック
以下の質問に答えて、前のセクションで取り上げたトピックをどの程度理解しているかを確認します。
Critical Thinking Questions
- 若い女性には数年前から異常に重い生理の出血が見られるようになった。 彼女は厳格な菜食主義者（動物性食品を食べない）である。 彼女はどのような疾患のリスクがあるか，またその理由は何か？
- 患者はサラセミア（グロビン蛋白の異常合成と赤血球の過剰破壊を特徴とする遺伝性疾患）である。 この患者は黄疸があり、血中のビリルビンが過剰であることが判明している。 その関連性を説明せよ。
答えを表示用語解説
貧血：赤血球またはヘモグロビンの不足
ビリルビン：ヘムから鉄が取り除かれて、さらに老廃物に分解されるとできる黄色っぽい胆汁色素
ビリルビン：ヘムから鉄が除かれて、さらに老廃物に分解されたもの。 ヘムの非鉄部分が老廃物として分解されてできる緑色の胆汁色素で、肝臓でビリルビンに変換される
carbaminohemoglobin: 二酸化炭素とヘモグロビンの化合物で、血液中で二酸化炭素が運ばれる方法の一つ
deoxyhemoglobin: 酸素分子が結合しないヘモグロビン分子
erythrocyte: 赤血球。 (赤血球）成熟した骨髄性の血液細胞で、ほとんどがヘモグロビンから成り、主に酸素と二酸化炭素の輸送に機能する
フェリチン：骨髄、肝臓、脾臓に見られる鉄のタンパク質含有貯蔵形態
グロービン：ヘモグロビン。 ヘム：ヘモグロビンの構成要素であるヘム含有球状タンパク質
ヘム：ヘモグロビンで酸素が結合する赤色の鉄含有色素
ヘモグロビン：赤血球中の酸素運搬物質
ヘモシデリン：。 骨髄、肝臓、脾臓に見られる鉄のタンパク質含有貯蔵型
低酸素症：血液の酸素飽和度の正常レベル以下（通常<95%）
マクロファージ：ミエロイド系の食細胞、成熟単球
酸素ヘモグロビン：ヘモグロビンは酸素と結合する。
多血症：適応的または病的なヘモグロビンレベルの上昇
網状赤血球：器官の断片を含む未熟な赤血球
鎌状赤血球症：臓器不全の状態。 (9991>
サラセミア：赤血球の成熟が正常に行われず、ヘモグロビンの形成異常や赤血球の破壊を引き起こす遺伝性血液疾患。