СОСТАВ И ФУНКЦИИ КРОВИ
Л. И. Иржак
Сыктывкарский государственный университет, Сыктывкар
ВВЕДЕНИЕ
Кровь - река жизни, по представлениям древних, относится к тканям внутренней среды организма человека и животных. С 30-х годов XX века кровь по предложению профессора Г. Ф. Ланга рассматривают как систему, в которую входят образование компонентов крови, их разрушение, нормальное функционирование в кровеносных сосудах и регуляция этих процессов.
До середины XVII века кровь представлялась только как смесь жидкой и плотной частей. Естественно, что и функции крови оставались загадкой. Только в 1658 году голландский натуралист Ян Сваммердам с помощью примитивных микроскопов того времени увидел в крови крошечные тельца, названные почти столетие спустя эритроцитами за их красноватый цвет. Еще через 100 лет в крови были обнаружены бесцветные клетки - лейкоциты, которые удалось увидеть под микроскопом благодаря тому, что мазки крови научились окрашивать. Существенный вклад в эти исследования внес немецкий ученый, Нобелевский лауреат Пауль Эрлих, предложивший не только способы окрашивания клеток, но и названия для различных форм лейкоцитов. Примерно в то же время (1864) немецкий биохимик Эрнст Хоппе-Зейлер описал состав красящего вещества эритроцитов и предложил для него название "гемоглобин".
С середины XIX века кровь становится объектом пристального внимания ученых, работающих в разных областях биологии. Наука о крови - гематология развивалась в значительной степени под влиянием запросов медицины, которая имеет дело с большим числом болезней крови, таких, как анемии разного происхождения, гемофилия, лейкозы. Кроме того, развитие гематологии, как и других наук, было стимулировано развитием новых методов исследования, достижениями физики и химии.
Благодаря тому что кровь для исследований гораздо легче получить, чем другие ткани, различные ее компоненты используют во многих экспериментах для выяснения общих закономерностей жизнедеятельности организма на клеточно-молекулярном уровне. Например, изучение мембран эритроцитов позволило уточнить картину общего строения мембран животных клеток. В середине XX века благодаря трудам Нобелевского лауреата Лайнуса Полинга и других ученых сложилось представление о молекулярных болезнях. Толчком для этого послужило открытие механизма развития серповидноклеточной анемии, которая, как оказалось, возникает при замене всего лишь одного аминокислотного остатка в молекуле гемоглобина.
КОМПОНЕНТЫ КРОВИ
Масса крови у взрослых млекопитающих и человека составляет 6,5-7,0% массы тела, у новорожденных - до 10%. Количество крови увеличивается от 200-350 мл при рождении до 3500-5000 мл в зрелом возрасте. Оно может значительно увеличиться при напряженной физической работе и уменьшиться при длительном ограничении подвижности (гиподинамии). Примерно 80% всей крови быстро циркулирует по кровеносным сосудам, совершая полный оборот в теле взрослого человека за 50 с. Меньшая часть (около 20%) движется медленно, задерживаясь в сосудах кожи, печени, селезенки, называемых депо крови. В капиллярах, где происходят основные процессы обмена между кровью и окружающими тканями, скорость движения крови не превышает 3 мм/с. В каждый момент времени примерно 75% крови находится в венах и венулах, а около 20% - в артериях и артериолах.
Плазма крови. Если свежую кровь предохранить от свертывания с помощью веществ, называемых антикоагулянтами, то уже через несколько минут можно видеть, как она расслаивается на верхнюю часть соломенно-желтого цвета (плазму) и нижнюю часть, оседающую на дно сосуда, - массу форменных элементов, клеток крови. Если же дать крови свернуться, то в течение часа она также расслаивается на две части, но иного вида: прозрачную сыворотку и плавающий в ней плотный сгусток. Показатель гематокрита, то есть отношение массы клеток к общей массе крови, равен у взрослого человека примерно 42-45%, у детей - 55%.
В 3 л плазмы или сыворотки (3 л - это количество плазмы, содержащееся в крови взрослого человека) содержится 2,7 л воды, около 200 г белков и примерно 60 г низкомолекулярных веществ. В состав крови входят как электролиты, так и неэлектролиты. Электролиты (в мг/дл): катионы (натрий - 328, калий - 18, кальций - 10, магний - 2), анионы (хлор - 365, бикарбонат - 60, фосфат - 4, белки - до 8000); неэлектролиты (в мг/дл): глюкоза - до 100, мочевина - около 40, небелковый азот - 25, жиры - до 900, стероиды - около 400, фосфолипиды - до 250.
В плазме и сыворотке содержится около 50 различных гормонов, ферментов и витаминов, в большом количестве присутствуют продукты обмена веществ, такие кислоты, как молочная, пировиноградная, угольная, а также мочевина, СО2 , О2 и микроэлементы - медь, иод, кобальт, железо и др. В сыворотке в отличие от плазмы почти полностью отсутствует белок фибриноген, который участвует в свертывании крови.
Электролиты образуют определенное соотношение водородных (Н+) и гидроксильных (ОН-) ионов, так что активная реакция крови (рН) равна примерно 7,35 (слабощелочная). Такое кислотно-основное состояние крови (КОС) является оптимальным для всех процессов обмена веществ, прежде всего для активности ферментов. КОС крови поддерживается благодаря наличию в крови специальных буферных систем.
Белки плазмы в силу их способности присоединять воду создают онкотическое, а электролиты и другие молекулы - коллоидно-осмотическое давление крови, притягивающее воду из тканей. Благодаря значительной молекулярной массе (от 70 до 1300 кД) белки придают крови определенную вязкость, замедляющую скорость движения крови по сосудам, а ионизация аминокислотных остатков в полипептидных цепях придает белкам определенные буферные свойства, необходимые для поддержания КОС на оптимальном уровне. Кроме того, каждый белок выполняет важную специальную функцию: альбумин (53% всех белков) обеспечивает транспорт веществ; глобулины (40%) - транспорт липидов, железа, меди, оксидазную и иммунную активность; фибриноген (5%) - свертывание крови; ферритин - транспорт железа, необходимого для синтеза гемоглобина и цитохромов; церулоплазмин - транспорт меди; эритропоэтин - активацию кроветворения; альфа-амилаза - расщепление углеводов; 12 белков системы комплемента - иммунную активность.
Содержание белков служит показателем здоровья, оно уменьшается при длительном голодании, когда исчерпан собственный жировой запас. Содержание фибриногена возрастает во время беременности, так как этот белок нужен для свертывания крови при родах. Увеличение уровня некоторых разновидностей (изоферментов) лактатдегидрогеназы, обычно находящихся в мышечных клетках, служит для врача сигналом повреждения сердечной мышцы, например при ее инфаркте. Уровень амилазы весной снижается по сравнению с другими сезонами года, возможно, под влиянием явлений геомагнетизма.
В организме взрослого человека происходит постоянное обновление белков крови: за сутки разрушается и вновь синтезируется около 17 г альбумина и 5 г глобулинов. Половина альбумина обновляется за 10-15 дней, а глобулина - за 5 дней. Процессы ускоряются в несколько раз при усиленном распаде белков - в состоянии эмоционального и физического стресса, во время борьбы организма с инфекциями, при беременности. В растущем организме биосинтез белков превышает их распад, это называют положительным азотистым балансом. К старости азотистый баланс меняет знак на обратный.
Клетки крови. Составляя примерно половину объема всей крови, форменные элементы крови - клетки обеспечивают важнейшие ее функции. Эритроциты - наиболее многочисленная фракция клеток (рис. 1), их количество в 1 мкл крови около 5 млн, общее число в крови взрослого человека до 25 " 1012. В крови низших позвоночных эритроциты обладают всем комплексом внутриклеточных органоидов, в том числе ядром (рис. 1, б ), и делятся путем митоза или амитоза. У млекопитающих во время созревания эритроциты теряют внутриклеточные органоиды и ядро (рис. 1, а; рис. 2), при этом они приобретают двояковогнутую форму и утрачивают способность к делению (рис. 2). Средний диаметр эритроцитов взрослого человека около 7 мкм, новорожденного до 10 мкм. Форма эритроцитов изменяется благодаря эластичности их мембраны, что позволяет им проходить через капилляры, большинство которых имеют диаметр 5 мкм. Известны примерно пять нормальных форм эритроцитов и до 10 патологических. Поддержание формы клеток обеспечивается за счет энергии содержащейся в них АТФ, которая образуется в процессе гликолиза, поэтому эритроциты активно потребляют глюкозу.
По сравнению с мембранами других клеток мембраны эритроцитов изучены наиболее полно. Белки занимают около 1/4 поверхности мембраны, "плавая" на двойном слое липидов и частично или полностью его пронизывая (рис. 3). Общая площадь мембраны одного эритроцита достигает 140 мкм2, ее масса 10-12 г. Липиды (холестерин, нейтральные липиды, лецитин) составляют около 40% сухого остатка мембраны, 10% приходится на углеводы. Один из белков мембраны - спектрин располагается на ее внутренней стороне, непосредственно над цитоплазмой, образуя упругую выстилку, благодаря которой эритроцит не разрушается, изменяя форму при движении в узких капиллярах и при колебаниях рН, температуры, осмотических показателей. В одном эритроците насчитывается около 200 000 молекул спектрина. Другой белок - гликофорин, представляющий собой гликопротеид, пронизывает липидные слои мембраны и выступает наружу. К его полипептидным цепям присоединены группы моносахаридов, связанные, в свою очередь, с молекулами сиаловой кислоты. Общее число молекул этого белка до 500 000 в одном эритроците.
Сложность структуры мембраны этим не ограничивается. Белки, ее пронизывающие, например, белок полосы III (рис. 3, б), служат каналами, через которые происходит обмен ионами между цитоплазмой и внеклеточной средой. Используя энергию АТФ, активно действуют системы откачивания из клетки ионов натрия и удержания в клетке ионов калия: К,Na-насосы. Разница (градиент) между уровнем ионов в клетке и вне ее создает определенный электрический заряд, отрицательный внутри и нейтральный снаружи. Разность потенциалов в эритроцитах разных видов животных и человека составляет 10-30 мВ.
В гипотонической среде (при снижении концентрации электролитов, солей), а также при старении эритроциты разбухают, приобретая шаровидную форму, и подвергаются разрушению (гемолизу), высвобождая содержащиеся в них вещества, главным образом гемоглобин, который составляет до 30% массы этих клеток. В каждом эритроците содержится 200-300 млн молекул гемоглобина, различающихся по аминокислотному составу полипептидных цепей. Во время созревания клеток в органах кроветворения вначале ядро диктует рибосомам синтез полипептидных цепей гемоглобина типа F, а позже начинается биосинтез гемоглобина типа А, имеющего полипептидные цепи с несколько иным составом и чередованием аминокислотных остатков. Содержание гемоглобина в 1 л крови взрослых людей равно в среднем 145 г, отклонения зависят от пола, состояния здоровья, условий питания. Содержание гемоглобина F в крови взрослого человека составляет около 1%.
Продолжительность жизни эритроцитов до 120 сут. Это значит, что ежесуточно разрушается 1/120 их общего количества, ежеминутно около 108 клеток и столько же образуется им на смену. Обновление ускоряется в условиях недостатка кислорода (гипоксии), после кровопотерь, при разного рода анемиях. Эритроциты по мере старения фагоцитируются лейкоцитами и макрофагами (рис. 4) селезенки, которую называют кладбищем эритроцитов.
Лейкоциты, число которых в 1 мкл крови колеблется от 4 до 9 тыс., представлены несколькими формами, различающимися по наличию или отсутствию зернистости в цитоплазме (гранулоциты и агранулоциты), по сродству к основным или кислым красителям (базофилы, окси- или эозинофилы, нейтрофилы), по форме ядра (сегменто- или палочкоядерные), по величине (малые, средние, большие). Некоторые из этих форм представлены на рис. 1. Исследуя мазок крови, составляют лейкоцитарную формулу - соотношение разных форм лейкоцитов в капле крови. Если в 1 мкл крови пациента содержится 7000 лейкоцитов, то соотношение между разными их формами может быть таким: гранулоциты (нейтрофилы - 4150, эозинофилы - 165, базофилы - 44), агранулоциты (лимфоциты - 2185, моноциты - 456).
Количество лейкоцитов в крови в значительной степени колеблется из-за их способности мигрировать из крови в ткани и обратно (последнее характерно для лимфоцитов), а также за счет выхода депонированных клеток из кроветворных органов, селезенки, легких. Известны явления "физиологического" увеличения количества лейкоцитов (лейкоцитоза): пищеварительного (после еды), миогенного (после тяжелой физической работы), эмоционального и болевого. Известны явления снижения числа лейкоцитов ниже нормы (лейкопении) по причинам генетическим или в результате повреждения стромы кроветворных органов, например вследствие облучения.
Современные гематология (наука о крови) и цитология (наука о клетке) не ограничиваются исследованием лейкоцитов на мазке крови, применяют сложные методы их выращивания на искусственных средах, а также биохимические анализы веществ, которые выделяются клетками. С помощью этих методов выявлены такие формы, как Т- и В-лимфоциты, клетки-киллеры (убийцы), хелперы (помощники), супрессоры (угнетатели). Исследуются лимфокины - активаторы функций, синтезируемые этими клетками.
Тромбоциты, или кровяные пластинки (рис. 1, 5 ), - самые мелкие форменные элементы крови, их диаметр не превышает 4 мкм. В 1 мкл крови содержится до 400 000 тромбоцитов. Они содержат массу биологически активных веществ: 11 факторов свертывания крови, ферменты гликолиза, запас АТФ и др. Тромбоциты проявляют удивительную способность к адгезии - прилипанию к клеткам эндотелия в местах повреждения стенки сосуда, а также к агрегации. Продолжительность жизни тромбоцитов 5-11 сут.
Процесс кроветворения представляет собой постепенное образование (через несколько промежуточных этапов с дифференцировкой) зрелых клеток из клеток-родоначальников - так называемых стволовых клеток. В течение жизни стволовые клетки размножаются и перемещаются с потоком крови из одной кости в другую. Этим обеспечиваются высокий уровень выживаемости стволовых клеток и необходимая интенсивность кроветворения. В опытах на мышах путем последовательных пересадок стволовых клеток с одной питательной среды на другую удавалось проследить самоподдержание таких клеток в течение пяти лет, тогда как предельное время жизни самих мышей не превышает двух лет.
Дифференцировка дочерних клеток, происходящих от материнской стволовой, определяется микроокружением стволовых и дочерних клеток, прежде всего остеогенными клетками в костном мозге. Дифференцировку направляют также гуморальные факторы: эритропоэтин, лейкопоэтин и др. Нарушение дифференцировки служит главной причиной болезней крови: эритроцитоза и эритропении, лейкоцитоза (нефизиологического), лейкоза и лейкопении, а также других, связанных с дефектами форменных элементов крови.