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Erythrozyten

Abstract

Erythrozyten (rote Blutzellen) sind die häufigsten Zellen im Blut. Zu ihren wichtigsten Aufgaben gehören der Atemgastransport von Sauerstoff und Kohlenstoffdioxid. Sie haben im Rahmen ihrer Reifung alle Zellorganellen verloren und bestehen zu einem großen Teil aus dem Protein Hämoglobin. Deswegen weist der Erythrozytenstoffwechsel einige Besonderheiten auf: Durch das Fehlen der Zellorganellen können viele Stoffwechselwege in ihnen nicht mehr ablaufen, weswegen die anaerobe Glykolyse und der Hexosemonophosphatweg für sie essentiell sind.

In diesem Kapitel geht es um den allgemeinen Aufbau von Erythrozyten, ihre Produktion und ihren Stoffwechsel. Der genaue Ablauf des Gastransports im Blut sowie der Aufbau und die Funktionsweise von Hämoglobin werden in den entsprechenden Kapiteln gesondert erläutert.

Steckbrief

Erythrozyten machen den größten Teil der Blutzellen aus. Es handelt sich bei ihnen um kleine Zellen, die fast alle Organellen verloren haben und zu einem großen Teil aus dem Protein Hämoglobin bestehen.

  • Maße
    • Durchmesser: ca. 7,5 μm
    • Volumen: ca. 90 fL
  • Erythrozyten im Blut
    • Konzentration im Blut: ca. 5×1012/L Blut (: 4,5–5,9×1012/L Blut, : 4–5,5×1012/L Blut)
    • Gesamtzahl im Blut: 24–30×1012
      • Täglich werden ca. 2×1011 Erythrozyten neu produziert
    • Hämoglobingehalt (Hb) des Blutes: ca. 15 g/dL
  • Funktionen
  • Lebensdauer: ca. 120 Tage

"3er-Regel": Erythrozyten pro Liter mal drei ergibt den Hämoglobingehalt pro Deziliter, mal drei ergibt den Hämatokrit. Bei Männern können alle Werte etwas höher, bei Frauen etwas niedriger liegen.

Aufbau

Allgemeiner Aufbau

Erythrozyten imponieren lichtmikroskopisch als rote Scheiben, die in der Mitte blasser sind als am Rand . Die rote Farbe entsteht durch den extrem hohen Gehalt an Hämoglobin: Es macht etwa ein Drittel der Erythrozytenmasse aus.

  • Form: Bikonkave Scheibe (Dicke am Rand: ca. 2 μm, im Zentrum: ca. 1 μm)
    • Stark verformbar

Durch das Hämoglobin sind Erythrozyten extrem eisenhaltig mit etwa 0,5 g pro Liter Blut – damit enthalten sie über 50% der gesamten Eisenvorräte des Körpers (ca. 5–7 g)!

Erythrozytenmembran

Defekte der Erythrozytenmembran
Angeborene Defekte der Membranproteine können die Verformbarkeit und/oder die osmotische Resistenz verändern. Dies kann zu hämolytischen Anämien führen, darunter auch die hereditäre Sphärozytose und die hereditäre Elliptozytose, bei der meist ein erblicher Defekt des Ankyrins vorliegt. Typische Folgen sind eine hämolytische Anämie und eine Eisenüberladung.

Blutgruppen

Die verschiedenen Blutgruppen basieren auf Oberflächenantigenen (sog. Blutgruppenantigenen) in der Erythrozytenmembran, die Immunreaktionen hervorrufen können. Ausführlich besprochen werden sie in dem Kapitel Blut und Blutzellen

Besonderheiten

Erythrozytenindices

Die Erythrozytenindices beschreiben Größe (MCV), Hämoglobingehalt (MCH), Hämoglobinkonzentration (MCHC) und die Abweichung der mittleren Erythrozytengröße (RDW). Sie sind Routineparameter in der Klinik und erlauben z.B. eine Einteilung von Anämien. Für weitere Informationen zu den Erythrozytenindices als klinische Parameter siehe: Grundlagen der Hämatologie.

Hämatokrit (Hkt)

  • Hkt: Anteil der festen Bestandteile des Blutes am Gesamtvolumen ≈ 45%

Normalerweise entspricht der Hämatokrit näherungsweise dem Anteil der Erythrozyten am Blutvolumen, da die weißen Blutkörperchen weniger als 5% ausmachen. Ein niedriger Hämatokrit deutet auf eine Anämie hin!

MCV

90 fl entspricht normozytären Erythrozyten. Weicht dieser Wert um mindestens 10% nach oben beziehungsweise nach unten ab, so spricht man von makrozytären respektive mikrozytären Erythrozyten!

MCH

  • MCH: Mittleres korpuskuläres Hämoglobin30 pg
  • Bedeutung: Durchschnittlicher Hämoglobingehalt der Erythrozyten
  • Berechnung: MCH = Hb-Konzentration/Erythrozytenzahl

30 pg entspricht normochromen Erythrozyten. Weicht dieser Wert um mindestens 10% nach oben beziehungsweise nach unten ab, so spricht man von hyperchromen respektive hypochromen Erythrozyten!

MCHC

Da die MCHC aus dem Verhältnis MCH/MCV abgeleitet wird, bleibt sie bei vielen Krankheitsbildern normal. Beispiel: Bei einer Eisenmangelanämie wird weniger Hämoglobin hergestellt (MCH↓), gleichzeitig sinkt auch das erythrozytäre Volumen (MCV ↓). Die MCHC wäre hier also im Normbereich. Sie wird zwar meistens mit angegeben, ist aber deutlich weniger wichtig als die MCV und MCH!

RDW

Die RDW ist ein unspezifischer Parameter für Erythrozytenbildungsstörungen. Eine Erhöhung bezeichnet man als Anisozytose; eine häufige Ursache hierfür ist eine Eisenmangelanämie!

Beispielrechnung: Wie viele Erythrozyten enthält der menschliche Körper?

  • Vorgaben
    • Bei normalgewichtigen Personen (beispielhaft 70 kg) ist der Anteil des Blutes 7% des Körpergewichts
    • Ein Mikroliter (bzw. mm3) enthält 5 Millionen (= 5×106) Erythrozyten, ein Liter (= 106 μL bzw. mm3) Blut enthält folglich 5×1012 Erythrozyten
  • Rechnung
    • 70 kg × 7% ≈ 5 L Blut
    • Geht man nun von 5 Litern Blut aus und von 5×1012 Erythrozyten pro Liter Blut, so lässt sich die Gesamtzahl der Erythrozyten folgendermaßen berechnen:
      • 5×1012 Erythrozyten/L × 5 L = 25×1012 Erythrozyten

Einteilung von Anämien

Eine Anämie (Blutarmut) liegt vor, wenn im Blut zu wenig Erythrozyten (Erythrozytenzahl↓) oder zu wenig Hämoglobin (Hämoglobin-Konzentration↓) vorhanden ist. Das kann viele verschiedene Ursachen haben, aber schon allein die Werte der MCV und MCH lassen eine grobe Unterteilung zu.

Mikrozytär hypochrom (MCV↓, MCH↓) Normozytär normochrom (MCV→, MCH→) Makrozytär hyperchrom (MCV↑, MCH↑)

Lebenszyklus

Erythropoese

Die Produktion von Erythrozyten bezeichnet man als Erythropoese, die Produktion von Blutzellen allgemein als Hämatopoese. Die Produktion eines einzelnen Erythrozyten dauert ca. 8 Tage, nach etwa 120 Tagen verliert er seine Funktion und wird abgebaut. Im Folgenden wird der genaue Ablauf beschrieben.

Ort

Nach der Geburt findet die Erythropoese hauptsächlich im roten Knochenmark statt , während der Embryonalentwicklung verlagert sie sich allerdings mehrfach:

3. bis 8. SSW 6. SSW bis Geburt 10. bis 28. SSW ab 18. SSW
Dottersack Leber Milz Knochenmark

Young liver synthesizes blood – yolk sac, liver, spleen, bone marrow!

Extramedulläre Hämatopoese
Bei stark erhöhtem Verbrauch von Erythrozyten (z.B. bei einer Thalassämie) oder bei Erkrankungen des Knochenmarks (wie Leukämien) kann es auch bei Erwachsenen zu einer Blutbildung außerhalb des Knochenmarks, d.h. im Wesentlichen in der Leber, kommen – dies bezeichnet man als extramedulläre Hämatopoese.

Ablauf

Erythrozyten entstehen aus multipotenten Stammzellen im roten Knochenmark. Die Synthese verläuft grob in drei Schritten.

  1. Verdoppelung der einzelnen Stammzellen
  2. Hämoglobinsynthese
  3. Freisetzung von Reticulozyten in die Peripherie

Reife Erythrozyten haben ihre Zellorganellen verloren, um Platz für Hämoglobin zu schaffen!

Reticulozyten sind die einzigen Zellen der Erythropoese, die physiologisch im peripheren Blut vorkommen. Eine Erhöhung der Reticulozytenzahl weist auf eine verstärkte, eine Verminderung auf eine gestörte Erythropoese hin!

Retikulozytenzahl
Der prozentuale Anteil von Erythrozytenvorläufern an der Gesamtheit der Erythrozyten im Blut wird als Retikulozytenzahl bezeichnet. Die Retikulozytenzahl ist kompensatorisch erhöht, wenn vermehrt Erythrozyten zerstört werden (bspw. bei einer hämolytischen Anämie) oder durch Blutverlust verloren gehen. Ist hingegen die Blutbildungsfähigkeit des Knochenmarks selbst eingeschränkt (bspw. im Rahmen einer aplastischen Anämie), so ist die Retikulozytenzahl vermindert.

Regulation

Die Erythropoese wird vom spezifischen Hormon Erythropoetin sowie von einigen anderen Hormonen beeinflusst. Zu letzteren gehören Schilddrüsenhormone (T3/T4), Interleukine (z.B. Interleukin-3), Stammzellfaktoren (SCF, Stammzellfaktor), CSF (koloniestimulierender Faktor) und Geschlechtshormone (Testosteron, Östrogen, Progesteron, etc). Im Bedarfsfall kann die Erythropoese verzehnfacht werden .

Fibroblasten der Niere messen den Sauerstoffpartialdruck des Blutes. Fällt dieser ab, so wird die Transkriptionsrate durch den Transkriptionsfaktor HIF gesteigert und es werden mehr Erythrozyten produziert!

EPO und Anämie
Bei einer Anämie, also einer Erniedrigung das Hämoglobinwertes, ist der EPO-Spiegel im Blut normalerweise kompensatorisch erhöht. Eine Ausnahme ist die renale Anämie, die durch einen EPO-Mangel bedingt ist. Bei dieser Anämieform kommt es zu einer normochromen normozytären Anämie.

Erythropoetin als Medikament
Erythropoetin kann rekombinant hergestellt und zur Therapie von Anämien benutzt werden. Insbesondere in der Therapie der renalen Anämie stellte dies eine Revolution dar. Vorher war eine Behandlung nur durch regelmäßige Transfusionen mit den daraus folgenden Komplikationen möglich gewesen.

Erythrozytenabbau

Nach ca. 120 Tagen werden die Erythrozyten vom mononucleären Phagozytensystem (MPS) abgebaut.

  • Orte des Erythrozytenabbaus
  • Ablauf
    • Das genaue Abbausignal ist noch nicht abschließend geklärt, jedoch spielt eine verminderte Verformbarkeit der alten Erythrozyten eine entscheidende Rolle .
    • Neben alten Erythrozyten wird vom MPS auch aus der Peripherie antransportiertes Hämoglobin abgebaut.

Lebensdauer und Synthese der Erythrozyten können stark variieren. Beispielsweise kann nach einem hohen Blutverlust die Synthesedauer verkürzt werden!

Glucosestoffwechsel von Erythrozyten

Reife Erythrozyten besitzen keine Zellorganellen. Daraus ergibt sich, dass die meisten Stoffwechselvorgänge in den Erythrozyten nicht stattfinden , weshalb sie auf Glucose als Energieträger angewiesen sind. Darüber hinaus dient Glucose über den Hexosemonophosphatweg auch der Erzeugung von NADPH und der Synthese vom 2,3-Bisphosphoglycerat (2,3-BPG).

Aufnahme und Stoffwechselwege

Erythrozyten nehmen Glucose insulinunabhängig auf. Der größte Teil (ca. 80%) wird zur ATP-Erzeugung verwendet, jeweils 10% dienen aber der Generierung von NADPH.

Anaerobe Glykolyse

Die anaerobe Glykolyse dient der Energiegewinnung in Form von ATP und der Gewinnung des Erythrozyten-spezifischen Moleküls 2,3-BPG.

Hexosemonophosphatweg (= Pentosephosphatweg)

Der Hexosemonophosphatweg dient prinzipiell der Gewinnung von Reduktionsäquivalenten in Form von NADPH+H+ sowie Ribosen. Letzteres spielt in den Erythrozyten keine Rolle, da sie weder DNA noch RNA besitzen. Ist der Hexosemonophosphatweg defekt, kann dies zu hämolytischen Krisen führen (Favismus).

Der Hexosemonophosphatweg ist die einzige NADPH+H+-Quelle der Erythrozyten. NADPH+H+ wird für die Glutathionregeneration und den Abbau von Peroxiden benötigt!

Glucose-6-Phosphat-Dehydrogenase-Mangel
Glucose-6-Phosphat-Dehydrogenase ist das Schlüsselenzym des Hexosemonophosphatwegs. Ein Mangel dieses Enzyms macht sich insbesondere in Erythrozyten bemerkbar, die auf die in diesem Stoffwechselweg gebildeten Reduktionsäquivalente zum Schutz vor reaktiven Sauerstoffverbindungen angewiesen sind. Der NADPH-Mangel führt zu einer verminderten Regenerationsfähigkeit von reduziertem Glutathion, das wiederum damit nicht für den Schutz z.B. von Hämoglobin vor Oxidation zur Verfügung steht. Unter zellulären Stressbedingungen, wie sie u.a. nach dem Genuss von Favabohnen entstehen, kommt es zur Bildung von Peroxiden. Ohne ausreichende Mengen an reduziertem Glutathion können diese nicht unschädlich gemacht werden. Die Hämoglobinmoleküle vernetzen sich untereinander und bilden Aggregate (sog. Heinz-Körper). In der Folge entstehen Deformationen und Schäden an der Zellmembran bis hin zur Zelllyse. Klinisch kann dies zu einer lebensbedrohlichen hämolytischen Krise (akute hämolytische Anämie) führen.

2,3-Bisphosphoglycerat

2,3-Bisphosphoglycerat (2,3-BPG) dient im Erythrozyten der Regulierung der Sauerstoffaffinität. Es entstammt zwar der Glykolyse, dient aber vorrangig als Modulator der O2-Bindung durch Hämoglobin (= allosterischer Effektor) und nicht der Energiegewinnung.

Synthese von 2,3-BPG

In der Glykolyse entsteht im siebten Reaktionsschritt 3-Phosphoglycerat aus 1,3-Bisphosphoglycerat (1,3-BPG) unter Bildung eines Moleküls ATP. Zur Synthese von 2,3-BPG wird dieser Schritt spezifisch in Erythrozyten umgangen: 1,3-Bisphosphoglycerat wird von der Glykolyse abgezweigt und in 2,3-BPG umgewandelt. Es kann später über 3-Phosphoglycerat (3-PG), bzw. auch als 2-Phosphoglycerat (2-PG), wieder in die Glykolyse einfließen, wobei jedoch kein ATP entsteht.

Die Bildung von 2,3-Bisphosphoglycerat aus 1,3-Bisphosphoglycerat wird von der Bisphosphoglyceratmutase katalysiert!

Funktionsweise

2,3-BPG kann in den zentralen Kanal des Hämoglobins, der zwischen zwei β-Ketten entsteht, binden. Dieser Kanal ist im wenig sauerstoffaffinen T-Zustand des Hämoglobins deutlich größer als im sauerstoffaffinen R-Zustand, sodass die Bindung hauptsächlich an desoxygeniertes Hämoglobin im T-Zustand erfolgt. Dadurch wird das Hämoglobin im T-Zustand stabilisiert und die Sauerstoffaffinität herabgesetzt (Rechtsverschiebung der Sauerstoffbindungskurve ).

  • Bindung
  • Folge
    • Im O2-armen Gewebe wird Hämoglobin im T-Zustand stabilisiert (geht nicht in sauerstoffaffinen R-Zustand über)
    • Senkung der O2-Affinität des Hämoglobins
    • Gleichzeitig wird im CO2-reichen Gewebe die O2-Abgabe auch durch den niedrigen pH-Wert erleichtert

Glutathion

Glutathion (GSH) ist ein Tripeptid. Es kommt in allen Körperzellen vor und kann auch durch reife Erythrozyten synthetisiert werden, obwohl diese weder Zellkern noch raues endoplasmatisches Reticulum besitzen. Seine besonders hohe Konzentration in den Erythrozyten (ca. 2,5mol/L) unterstreicht seine Bedeutung im dortigen Zellstoffwechsel.

Reaktionsschritte bei der Synthese von Glutathion
Reaktion Substrat Enzym Produkt Besonderheiten
1. Verknüpfung von Glutamat und Cystein über die γ-Carboxylgruppe von Glutamat
  • Verbrauch von einem Molekül ATP
  • Bildung einer Isopeptidbindung
2. Addition von Glycin
  • Glutathionsynthetase
  • Verbrauch von einem Molekül ATP

Wiederholungsfragen zum Kapitel Erythrozyten

Steckbrief

Welchen ungefähren Durchmesser hat ein Erythrozyt? Wie nennt man eine Vergrößerung, wie eine Verkleinerung des Durchmessers?

Wieviele Erythrozyten befinden sich durchschnittlich in einem μL Blut eines gesunden Erwachsenen?

Wie lang ist die durchschnittliche Lebensdauer eines Erythrozyten?

Aufbau

Beschreibe die Form der Erythrozyten. Wie wird sie aufrechterhalten?

Wieviel Eisen enthält ein Liter Blut eines erwachsenen Menschens durchschnittlich? Wie groß ist der Anteil des an Hämoglobin gebundene Eisens am Gesamteisen?

Weshalb kann es bei Bluttransfusionen im Gegensatz zu Organtransplantationen nicht zu einer klassischen Abstoßungsreaktion kommen?

Erythrozytenindices

Was ist der Hämatokrit und wie hoch ist er normalerweise?

Wie ist eine Anämie definiert?

Nenne die zwei wichtigsten Erythrozytenindices für die Anämieklassifikation und die Formeln für ihre Berechnung!

Wie verändern sich die Erythrozytenindices bei einer Eisenmangelanämie und wie lässt sich diese Anämieform noch beschreiben?

Wodurch wird eine makrozytäre Anämie verursacht und wie verändern sich die Erythrozytenindices?

Bei welcher Form der Anämie bleiben MCV und MCH unverändert? Welche Ursachen gibt es?

Lebenszyklus

Worum handelt es sich bei Erythropoetin (EPO) biochemisch? Wo wird es gebildet und wo wirkt es?

Über welchen Mechanismus kann die EPO-Konzentration bei Bedarf gesteigert werden?

Was sind Retikulozyten und wann ist ihre Anzahl erhöht?

Glucosestoffwechsel von Erythrozyten

Wie erfolgt die Energiegewinnung in den Erythrozyten und wie gelangt der dafür benötigte Ausgangsstoff in die Zelle?

Was ist das Ziel des Hexosemonophosphatwegs (= Pentosephosphatweg) in den Erythrozyten?

Welches ist das Schlüsselenzym des Hexosemonophosphatwegs und welche Auswirkungen hat ein Mangel in den Erythrozyten?

In den Erythrozyten wird in ca. 10% der Fälle der ATP-gewinnende Schritt der Glykolyse umgangen. Welche Reaktion erfolgt stattdessen und mit welchem Ziel?

Glutathion

Aus welchen drei Aminosäuren besteht Glutathion (GSH)? Über welche Aminosäure können sich zwei Moleküle GSH verbinden?

Welche elektronische Ladung trägt ein Glutathion-Molekül insgesamt?

Was ist die Funktion des Glutathions? Nenne ein Beispiel für eine Reaktion, an der es beteiligt ist!

Welche weitere Funktion hat Glutathion außerhalb der Erythrozyten?