Rode bloedcellen

Deze lessen gaan over rode bloedcellen. Aan de hand van de bouw, de eigenschappen en de levenscyclus wordt een beeld geschetst van de functie van rode bloedcellen. We zien echter ook beperkingen in hun functioneren.

Om van deze lessen een geheel te maken is de specifieke stof afgewisseld met informatie die tot de basisstof voor het VWO behoort.

inleiding

eigenschappen van rode bloedcellen

levensloop van rode bloedcellen

vragen over de tekst

begeleidende tekst voor docenten

De functie en samenstelling van het bloed

In een mens bevindt zich zo'n 5,5 liter bloed, dat in de bloedvaten wordt rondgepompt. Vanaf het hart bereikt het bloed via steeds fijnere vertakkingen van de bloedvaten alle weefsels van het lichaam. Bij gewervelde dieren, zoals de mens, heeft het bloed vele functies. Omdat het bloed bijna overal komt in het lichaam, zorgt het voor transport; van voedingsstoffen, afvalstoffen, zuurstof, kooldioxide, hormonen en natuurlijk ook water . Ook verdeelt het bloed de warmte over het lichaam, enerzijds om oververhitting van warmteproducerende organen (bijv. spieren) te voorkomen, maar ook om de lichaamstemperatuur op peil te houden. Een heel belangrijke functie van het bloed is de afweer: het bloed verdedigt het lichaam tegen schadelijke micro-organismen.

Het bloed bestaat uit bloedplasma en bloedcellen. Bloedplasma is een gelige vloeistof waarin bloedeiwitten en allerhande voedingsstoffen, afvalstoffen, hormonen en ook zuurstof en koolzuur zijn opgelost. Daarnaast zitten er witte en rode bloedcellen, en bloedplaatjes. De witte bloedcellen spelen een belangrijke rol bij de afweer. De bloedplaatjes helpen bij de stolling van het bloed. Het grootste deel van de bloedcellen zijn echter rode bloedcellen. (ook erythrocyten genoemd). Sterker nog: de rode bloedcellen nemen meer dan 50% van het bloedvolume in beslag. Per milliliter zijn het er ongeveer 5,4 miljard.De afbeelding hierboven is een opname gemaakt met een scanning-electronenmicroscoop (SEM) van rode bloedcellen met in het centrum een groepje witte bloedcellen. Onder de witte bloedcellen is een grote macrofaag zichtbaar.


eigenschappen van rode bloedcellen

 

De bouw en de mechanische eigenschappen van rode bloedcellen.

Rode bloedcellen zijn schijfvormige, celkernloze cellen met een doorsnee van 7 a 8 micrometer en een dikte van 2 micrometer. Het midden van de cel is aan beide kanten hol.

Om hun typische vorm te behouden hebben rode bloedcellen een cytoskelet. Zonder zo'n skelet zouden de cellen knalrond zijn. Het cytoskelet is een stevig netwerk dat aan de binnenkant van de celmembraan ligt en zorgt voor vormvastheid. Maar om door de kleinste haarvaten te kunnen, die smaller zijn dan hun diameter, moeten rode bloedcellen toch kunnen vervormen of zelfs dubbelvouwen. Daarom is hun cytoskelet erg elastisch. Bij rode bloedcellen bestaat het cytoskelet voornamelijk uit de eiwitten spectrine en actine. Via verbindingseiwitten is het skelet gekoppeld aan eiwitten in de celmembraan. Door te klikken op de bovenstaande afbeelding krijg je een filmpje te zien over hoe rode bloedcellen zich door een aantal haarvaten wringen. Let wel op dat het filmpje 1Mb groot is en dat je browser Quicktime-movies kan bekijken.

metingen van de elasticiteit van rode bloedcellen

Met recent ontwikkelde methoden kan de elasticiteit van rode bloedcellen goed gemeten worden. Eén methode maakt gebruik van laser-micromanipulatietechnieken. Hiermee wordt de cel vervormd, waarna de tijd wordt gemeten die de cel nodig heeft om weer terug te veren in z'n oude vorm. Het bleek dat 'jonge' rode bloedcellen die net gevormd zijn, een veel hogere elasticiteit hebben dan 'oude' cellen, die bijna uit de bloedbaan verwijderd gaan worden. Deze lage elasticiteit van oude cellen heeft uiteindelijk het gevolg dat ze haarvaten gaan verstoppen. De verwijdering van oude cellen in de lever en de milt is waarschijnlijk mede gebaseerd op hun lage elasticiteit..Hoe dit precies gaat is echter nog niet bekend.

Metingen aan mensen met een bepaalde vorm van diabetes lieten zien dat een gedeelte van hun rode bloedcellen een lagere elasticiteit hebben dan bij gezonde personen het geval is. Doordat deze cellen versneld uit de bloedbaan worden verwijderd, leiden deze mensen aan een lichte vorm van bloedarmoede (verlaagde zuurstofcapaciteit van het bloed, wordt ook anemie genoemd).

Bij de erfelijke ziekte sikkelcelanemie leidt een puntmutatie in het gen voor hemoglobine tot een veranderd eiwit dat een verhoogde neiging tot uitkristallisatie vertoont. Tijdens een crisis-stadium van de ziekte kan een substantieel deel van de rode bloedcellen bij deze patiënten 'sikkelen'; dan verandert de vorm van de rode bloedcellen door uitkristallisatie van het hemoglobine. Deze niet meer elastische cellen worden continu door de lever en milt verwijderd, maar ondertussen raken ook haarvaten ermee verstopt. Er treedt dus zware bloedarmoede op.

 

Rode bloedcellen spelen een rol bij het zuurstoftransport en de CO2-uitscheiding

Zuurstof lost maar matig op in water. Ons metabolisme zou maar op een laag pitje staan als we moesten leven van het beetje zuurstof dat in het bloedplasma oplost. Rode bloedcellen van gewervelden zitten daarom tjokvol met hemoglobine (Hb), een eiwit waaraan zuurstof kan binden. Zuurstofgebonden hemoglobine geeft het bloed een helderrode kleur. Hemoglobine zonder zuurstof is veel donkerder rood. In één rode bloedcel zitten 2,8·108 moleculen hemoglobine. Door de aanwezigheid van zoveel hemoglobine kan het bloed wel veertig keer zoveel zuurstof bevatten dan er in alleen plasma kan worden opgelost. Een liter bloed kan evenveel zuurstof binden als in een liter lucht zit. Zonder hemoglobine zouden wij en de andere grotere gewervelde dieren, die een heel actief leven leiden, niet bestaan.

Hemoglobine bevat vier ijzerbevattende heemgroepen (zie de afbeelding hierboven). Aan elke heemgroep kan een zuurstofmolecuul binden, er passen dus vier O2-moleculen op een hemoglobine-molecuul. Als de eerste O2 gebonden is, treedt een verandering van de structuur van het hemoglobine-molecuul op zodat elke volgende O2 gemakkelijker bindt. Dit heeft sterke gevolgen voor de bindingskinetiek van zuurstof aan het bloed, die we hier niet zullen behandelen.

Er is een goede reden waarom hemoglobine verpakt is in cellen en niet los in het bloedplasma zit. Het bloedplasma zou door deze hoeveelheid eiwitten een drie keer zo hoge osmotische waarde krijgen. Het weefselvocht en de cellen zouden dan ook veel meer opgeloste deeltjes moeten bevatten dan voor het functioneren nodig zou zijn, alleen maar om isotoon te blijven met het bloed en daardoor fatale osmose-verschijnselen te voorkomen.

andere manieren om zuurstof te transporteren bij dieren

Alle gewervelde dieren hebben rode bloedcellen met hemoglobine, hoewel bijvoorbeeld vissenhemoglobine twee heemgroepen bevat in plaats van vier. Ongewervelden maken vaak ook gebruik van hemoglobine. Hiervan houden echter maar enkele soorten er rode bloedcellen op na. Het hemoglobine zit doorgaans gewoon los in het bloedplasma, maar in lagere concentratie dan bij gewervelden.

Veel weekdieren en geleedpotigen hebben een alternatief zuurstofbindend eiwit opgelost in het bloed, namelijk hemocyanine, dat als metaalion koper bevat in plaats van ijzer. In de zuurstofgebonden toestand is hemocyanine blauw van kleur.

Insecten zijn zo klein dat diffusie van zuurstof vanuit het tracheeënstelsel de weefsels in snel genoeg is om het metabolisme in stand te houden. Ze hebben helemaal geen zuurstoftransporteiwit nodig. Dit stelt natuurlijk wel een limiet aan hoe groot insecten kunnen worden.

Behalve hemoglobine bevatten rode bloedcellen ook het enzym koolzuuranhydrase, dat de omzetting van kooldioxide in koolzuur en vice versa katalyseert. Dit is één van de snelste enzymen die bestaan, één molecuul koolzuuranhydrase kan per seconde 100.000 moleculen CO2 omzetten in HCO3-, waardoor de reactie 10 miljoen keer versneld wordt ten opzichte van spontane omzetting. Maar een klein gedeelte van het kooldioxide dat uit de weefsels komt lost op in het bloed, de rest wordt in de vorm van koolzuur van de weefsels naar de longen vervoerd, waar het weer wordt omgezet in CO2 en uitgescheiden.

 

rode bloedcellen kunnen aggregaten vormen

Bij een rustige bloedstroming, zoals die in de aders plaatsvindt, kunnen bloedcellen gaan samenklonteren. Ze vormen dan stapeltjes van enkele tot tientallen cellen, die als geheel in de bloedbaan meegevoerd worden. Dit heeft niets met bloedstolling te maken; fibrine en bloedplaatjes spelen hierin geen rol, en als het bloed sneller gaat stromen, breken de aggregaten weer op. Een vermoedelijke functie is dat de aggregaten tijdens de bloedstroming automatisch naar het centrum van de bloedbaan gaan, waardoor de witte bloedcellen in verhoogde hoeveelheden bij de vaatwand aanwezig zijn, waar ze hun bijdrage aan de afweer leveren (bij infecties gaan ze door de wand heen naar de infectiehaard toe). Verdere functies van aggregatie zijn echter nog niet bekend. De afbeelding toont aggregaten van rode bloedcellen gezien door een fasecontrast-lichtmicroscoop.

recent onderzoek naar aggregatie

Naar het mechanisme van aggregatie is onderzoek gedaan. Het is gebleken dat na verwijdering van grote macromoleculen uit het bloedplasma (dat zijn voornamelijk de bloedeiwitten, zoals fibrinogeen en albumine) aggregatie niet optreedt. Aggregatie vindt echter wel plaats als de verwijderde bloedeiwitten worden vervangen door dextraan (een groot polymeer). Er zijn twee theorieën over het mechanisme. De eerste theorie stelt dat er een zwakke binding optreedt tussen de rode bloedcellen en de macromoleculen zodat de bloedcellen aan elkaar gaan zitten. De tweede theorie stelt dat als de afstand tussen twee rode bloedcellen op een goed moment zo klein wordt dat er geen macromoleculen meer tussen passen, de osmotische waarde in die nauwte dus lager is dan daarbuiten. Hierdoor treedt osmose op van water vanuit de nauwte naar de omgeving zodat de cellen tegen elkaar aan worden gezogen. Proeven waarbij twee cellen tegen elkaar aangelegd zijn met behulp van optische micromanipulatie, laten zien dat de binding sterker wordt als de cellen langer tegen elkaar aan zitten. Dit pleit voor de directe bindingstheorie (na langere tijd kunnen meer bindingen zijn ontstaan), maar het osmose-effect kan natuurlijk tegelijkertijd ook optreden.

De levensloop van rode bloedcellen

De rode bloedcellen worden gemaakt in het rode beenmerg. Dit is aanwezig in de platte botten en in de uiteinden van de ronde botten in ons lichaam. Er worden maar liefst 2,4 miljoen rode bloedcellen per seconde geproduceerd in een mens. Ook de witte bloedcellen worden in het rode beenmerg gemaakt. Het is zelfs zo dat alle bloedcellen afkomstig zijn uit gemeenschappelijke stamcellen in het beenmerg. Tijdens de verdere delingen differentiëren ze zich in de verschillende typen cellen. Na de laatste deling en vóórdat de rode bloedcellen in de bloedstroom worden losgelaten, produceren ze grote hoeveelheden hemoglobine en verliezen daarna hun kern (zie illustratie). Het afgesplitste deel met de kern wordt vervolgens opgeruimd door macrofagen. Na twee dagen in de bloedbaan hebben de cellen ook hun mitochondriën en ribosomen verloren. De afsplitsing van de kern vindt trouwens alleen plaats bij zoogdieren; alle andere gewervelden hebben rode bloedcellen mét een kern. De afbeelding boven is een electronenmicroscopische opname van rood beenmerg. Merk op dat voorlopers van allerlei bloedceltypen dwars door elkaar heen liggen, hoewel er wel clusters zijn van steeds enkele cellen van hetzelfde type. Onderstaande afbellding laat de afsplitsing van de kern zien bij onvolgroeide rode bloedcellen

Eenmaal in het bloed aangekomen hebben rode bloedcellen een gemiddelde levensduur van 120 dagen. In deze periode wordt continu zuurstof van de longen naar de weefsels getransporteerd, kooldioxide uit de weefsels omgezet in koolzuur, en in de longen het koolzuur weer omgezet in kooldioxide.

Oude en beschadigde cellen worden uiteindelijk in de lever en milt opgeruimd door macrofagen. Dit zijn grote amoebe-achtige bloedcellen die gespecialiseerd zijn in de fagocytose (het opslokken) van ongewenste deeltjes en cellen die al dan niet zijn gebonden met antilichamen. Ook rode bloedcellen die per ongeluk door de vaatwanden in de weefsels terechtkomen ondergaan hetzelfde lot. De herkenning van de cellen die verwijderd moeten worden is een nog grotendeels onopgehelderd proces. Men denkt dat in veel gevallen antilichamen binden aan beschadigde cellen, waarna herkenning en fagocytose door macrofagen volgt. Geoxideerde rode bloedcellen kunnen echter ook in een antilichaam-onafhankelijke manier herkend worden door macrofagen. Hoe dan ook, er worden 2,4 miljoen bloedcellen per seconde geproduceerd in het beenmerg, dus eenzelfde aantal wordt weer per seconde verwijderd uit de bloedbaan door lever en milt. De voedingsstoffen die daarbij vrijkomen worden weer afgegeven aan het bloed. Met name het ijzer uit het hemoglobine wordt grotendeels weer hergebruikt voor de aanmaak van nieuw hemoglobine.


tot slot

We hebben gezien wat rode bloedcellen zijn, wat de eigenschappen zijn en waarom ze zo uitermate geschikt zijn voor hun functie in het zuurstoftransport. Maar de korte levensduur en de essentie van een grote flexibiliteit van de rode bloedcellen kunnen ook tot allerlei problemen leiden en maken omvangrijke regelmechanismen noodzakelijk. De gewervelde dieren hebben hiervoor 'gekozen' omdat ze een voor hun omvang zeer hoog metabolisme hebben. De rode bloedcel is echter in het dierenrijk maar één van vele manieren waarop de zuurstof in een organisme getransporteerd kan worden.

 

vragen over de tekst