DEEL 1. DE RODE BLOEDCEL DE VORM EN CYTOSKELET VAN ERYTROCYTEN KARAKTERISTIEKEN VAN RODE BLOEDCELLEN... 10

Transcriptie

1 INHOUDSTAFEL. DEEL 1. DE RODE BLOEDCEL DE VORM EN CYTOSKELET VAN ERYTROCYTEN KARAKTERISTIEKEN VAN RODE BLOEDCELLEN VORMING VAN RBC: ERYTROPOIESIS HET ERYTROPOIETINE HET METABOLISME VAN ERYTROCYTEN HET HEMOGLOBINE A. Het methemoglobine (MetHb of FerriHb)...16 B. Het carboxyhemoglobine (COHb) AFBRAAK VAN RBC a. Rol van de Milt...17 b. Verwerking HEMOLYSE VAN ERYTROCYTEN BEPALEN VAN DE LEVENSDUUR VAN RBC HET IJZER a) Modulatie van de ijzeropname in het maagdarmstelsel...22 b) Opname in het maag-darm stelsel...23 c) De IJzercyclus...24 d) Reserve Fe-compartiment...24 e) Ferrokinetica: de relatie tussen de verschillende Fe-compartimenten...24 f) IJzerteveel: Hemochromatosis

2 g) IJzertekort: Ferriprieve Anemie...25 DEEL 2. DE BLOEDSTOLLING...27 A. DE BLOEDPLAATJES ) Megakaryocytopoiesis ) Bloedplaatjes: vorming & afbraak ) Bloedplaatjes in rust ) De granules van de bloedplaatjes ) De von Willebrand Factor ) Rol van de bloedplaatjes in de trombusvorming: vorming primaire trombus ) Studie van aggregatie van bloedplaatjes ) De bloedingstijd ) Activatie van het stollingssysteem door de bloedplaatjes ) Rol van bloedplaatjes in andere processen...34 B. DE STOLLINGSFACTOREN ) De weefselfactor ) De Stollingscascade ) Trombine en fibrine ) Enkele stollingsstoornissen ) De rol van Vit K ) Controle op het trombine?...39 C. DE FIBRINOLYSIS DEEL 3. HET HARTRITME

3 1 FUNCTIONELE ANATOMIE EN HISTOLOGIE IMPULS- EN GELEIDINGSSYSTEEM A. Spontaan actieve cellen...44 B. Electrofysiologie van de hartspiercel GELEIDINGSSTRUCTUREN HET ELECTROCARDIOGRAM (ECG) (ZIE PRACTICUM) Frontale Afleidingen Transversale afleidingen Algemeen patroon van de afleidingen van ECG INWERKING VAN HET AUTONOME ZENUWSTELSEL a) Het Parasympatisch Zenuwstelsel...50 b) Het Orthosympatische Zenuwstelsel...50 c) Ortho- en Parasympatische Invloed: Balanswerking van het Autonome Zenuwstelsel...51 d) Wijzigingen in de chronotropie...51 e) Geleidingsstoornissen...52 f) Andere Zenuwvezels...53 DEEL 4 DE POMPWERKING VAN HET HART...54 A. CARDIALE CYCLUS: WERKING VAN HET VENTRIKEL ALS EEN DRUK-ZUIGPOMP ) Druk en volumeveranderingen in de kamer ) Druk en volumeveranderingen in de voorkamer ) Verschillen in de systole van de beide ventrikels

4 4) De Harttonen en Hartgeruizen...58 B. DE REGELING VAN HET HARTDEBIET ) Wijzigingen in de Voorbelasting of preload ) Wijziging in de inotropie ) Wijziging in Nabelasting en de Nabelastings Maximumcurve ) Effect van de frequentie ) Hoe kan het hartdebiet worden gemeten?...64 C. ENERGIEVERBRUIK VAN HET HART ) De totale arbeid ) O 2 -consumptie ) Tijd-Tensie Index ) Verbruikte substraten...67 DEEL 5 DE CIRCULATIE...68 A) DE HEMODYNAMICA VAN DE BLOEDVATEN Stromingssnelheid en effect op de dynamische drukcomponent De Viscositeit van het Bloed Laminaire en turbulente stroming. Het Reynoldsgetal...71 B) DE ELASTICITEITSVATEN MET HET WINDKESSELEFFECT ) Het Windkesseleffect ) Elasticiteitsvaten ) De Waarden van de Arteriële Bloeddruk ) Modulatie van de bloeddruk

5 5) Drukverandering: drukgolf (of drukpols) ) Veranderingen in de bloeddruk ifv. leeftijd...78 C. WEERSTANDSVATEN A. Neuronale regulatie...80 B. Chemische regulatie...81 C. Het endotheel...82 D. DE CAPILLAIREN OF UITWISSELINGSVATEN ) De opbouw van de capillairen: nauwe passieve buisjes ) De weerstand in de capillairen ) Uitwisseling in de capillairen ) Enkele toepassingen E HET LYMFESYSTEEM EN DE LYMFEPOMP F DE CAPACITEITSVATEN OF VENEN Bloedverdeling Drukken in het veneuze stelsel Recirculatie van het bloed naar het hart toe Het Valsalva Maneuver...92 DEEL 6 BESPREKING VAN ENKELE REGIONALE VAATGEBIEDEN...94 I. DE KRANSSLAGADERS ) De extramurale weerstand ) De intravasculaire Weerstand...96 II. DE HERSENCIRCULATIE

6 1) Het behoud van de hersencirculatie De cerebrale doorbloeding III. DE SPLANCHNISCHE CIRCULATIE * De Darmvlokken of Darmvilli * Levercirculatie IV. HUIDCIRCULATIE V. DE DOORBLOEDING DOORHEEN DE SKELETSPIER ) Toename van de Vasotonus en van de Venotonus ) Afname Vasotonus ) Effecten tijdens (maximale) inspanning DEEL 7. DE REGELING VAN DE BLOEDDRUK CENTRALE CONTROLE VAN DE BLOEDDRUK a Ruggenmerg b Medulla Oblongata c Hypothalamus d Corticale Centra BELANGRIJKSTE RECEPTOREN VOOR DE BLOEDDRUK REGISTRATIE a De Baroreceptoren b De chemoreceptoren c De Rekreceptoren: Lage Drukreceptoren of Volumereceptoren HORMONALE REGELSYSTEMEN (ZIE OOK NIERFYSIOLOGIE) a Renine-Angiotensine-Aldosterone Systeem (RAAS) en ADH

7 2.b Atriale Natriuretische Peptide REGELING VAN DE BLOEDDRUK EFFECT VAN INSPANNING OP DE CIRCULATIE Zwakke tot matige inspanning: Zware inspanning Herstel van de inspanning Grenzen van de fysische inspanning Fysische training EFFECT VAN EEN ERNSTIGE BLOEDING OP DE CIRCULATIE ) De acute bloeding activeert verschillende compensatoire terugkoppelingsmechanismen II Decompensatiemechanismen DEEL 8. PRACTICUM CARDIOVASCULAIRE FYSIOLOGIE (PROF. JAN B. PARYS) AUSCULTATIE VAN HARTTONEN Doelstellingen Inleiding Normaal auscultatiepatroon: fysiologische achtergrond Techniek van auscultatie Oefeningen ARTERIËLE BLOEDDRUKMETING Doelstellingen Inleiding

8 Fysiologische achtergrond Meting van de bloeddruk Oefeningen METING VAN DE BLOEDSNELHEID IN EEN PERIFERE ARTERIE 132 Doelstellingen Inleiding: Dopplereffect Fysiologische achtergrond Toepassingen Oefeningen

9 DEEL 1. DE RODE BLOEDCEL Ongeveer 8% van het lichaamsgewicht bestaat uit rondcirculerend bloed. In het bloed onderscheidt men de cellulaire structuren of gefigureerde elementen (45% van het bloed) en het plasma (55%). Er zijn drie celtypes onder de y Plasma gefigureerde elementen namelijk de rode WBC + BPL bloedcellen (RBC), de leukocyten of de witte bloedcellen (WBC) en de bloedplaatjes of trombocyten. Het plasma bestaat uit ongeveer 90 % water en uit 2 % organische componenten en x RBC elektrolyten. De overige 8 % bestaan uit de plasmaeiwitten. Deze plasmaeiwitten worden aangemaakt in de lever behalve de γ-globulines. De belangrijkste eiwitten zijn het albumine (belangrijk voor de colloïd osmotische druk, transportfunctie voor vele hormonen, vetzuren, Ca 2+ enz), α, β (transport) en γ (plasmacellen) globulines en het fibrinogeen (stolling). Gestold plasma wordt serum genoemd. In deze cursus worden enkel de rode bloedcel en het stollingssysteem besproken. Voor de witte bloedcel en het immune stelsel wordt naar andere cursussen verwezen. Concentratie Albumine Globulines α 1 α 2 β γ + Afstand Anode - 1 De vorm en cytoskelet van erytrocyten 7-8 µm 2 µm Een erytrocyt bezit meestal een biconcave vorm, dwz. een centraal ingedeukte vorm. De diameter bedraagt 7-8 µm en de dikte neemt toe van 1 tot 2.5 µm vanaf het centrum tot de periferie. De biconcave vorm kan echter variëren van een meer sferische (sferocyt) tot een meer afgeplatte vorm (een platte schijf of een target cell). Deze biconcave vorm is belangrijk voor de gasuitwisseling en voor de mogelijkheid om vormveranderingen te ondergaan. De rode bloedcellen moeten immers zeer vervormbaar zijn of zelfs dubbelvouwen om door te dringen doorheen de kleinste haarvaten, die soms smaller zijn dan hun diameter,. De biconcave vorm laat toe om sterke vervormingen te ondergaan met slechts een beperkte uitrekking van het plasmamembraan. Bij bolvormige cellen met een minimum waarde voor de verhouding oppervlakte/volume kan integendeel bij vervorming een zeer sterke uitrekking optreden. 9

10 Een fibrillaire structuur, het zogenaamde cytoskelet, is verantwoordelijk voor de biconcave vorm van RBC en de flexibiliteit tot vervorming. Dit cytoskelet bevindt zich aan de cytoplasmatische zijde van het plasmamembraan en bestaat uit een netwerk van proteïnen. Er komen geen lange filamenten of tubuli voor, die diametraal doorheen de cel heenlopen, zoals dit het geval is in andere cellen. Twee ankerproteïnen dringen doorheen de lipiden dubbellaag ("integrale" membraanproteïnen). Dit zijn de anion transporter (Cl - - /HCO 3 uitwisseling) ook genoemd proteïne 3", en het glycophorine A met erop de bloedgroepen. Andere proteïnen zijn geassocieerd met de binnenste laag van de dubbellaag (perifere proteïnen). Het grootste en meest talrijke proteïne van deze groep is het spectrine. Spectrine bestaat uit een α- en β- keten en vormt ter hoogte van de lipiden dubbellaag tetrameren. Het spectrine is via het proteïne ankyrine gekoppeld aan de dubbellaag aan het cytoplasmatisch domein van de anion-transporter (proteïne 3). Een tweede plaats voor proteïne associaties zijn de zogenaamde junctionele complexen, die bestaan uit proteïne 4.1, actine en tropomyosine. α keten β keten spectrine Glycophorine A Proteine 3 Actine & prot 4.1 Ankyrine Merk op dat congenitale defecten met vormveranderingen zoals spherocytosis, stomatocytosis en elliptocytosis kunnen berusten op een afwijking van het spectrine in dit membraanskelet. 2 Karakteristieken van rode bloedcellen Het aantal RBC bedraagt 4,5 milj. / mm 3 bij de vrouw tot 5 milj. / mm 3 bij de man. De hoeveelheid hemoglobine ligt tussen g hemoglobine/100 ml bloed. De hematocriet is de procentuele verhouding van het volume erytrocyten op de totale hoeveelheid plasma en bedraagt %. Deze waarde kan men bepalen door het centrifugeren van een tube gevuld met bloed voorbehandeld met anticoagulans. Vanuit het bepalen van de hoogte van de kolom RBC ten opzichte van de kolom plasma kan de haematocriet of packed cell volume (PVC) bepaald worden. De hoeveelheid hemoglobine per RBC varieert, evenals het RBC volume. Aldus kan voor een zelfde gehalte aan hemoglobine het aantal cellen variëren. Derhalve worden verdere parameters gedefinieerd: MCV, MCH en MCHC. Het MCV (mean corpuscular volume) is het volume van RBC over het aantal RBC. Het volume per cel bedraagt 90 (80-100) fl. (in 1 mm 3 bloed: 0.45 mm 3 cellen bij een hematocriet van 45 %; in 1 µl: cellen). Het MCH, de gemiddelde hoeveelheid hemoglobine per rode bloedcel (MCH) wordt berekend uit het hemoglobinegehalte (14 g / 100 ml bloed) en uit het aantal cellen in dat volume. Het MCH 10

11 bedraagt 30 (27-32) picog Hb/cel. De mean corpuscular hemoglobine concentration (MCHC) is de gemiddelde Hb conc./aantal cellen en bedraagt g Hb/L cellen. Het volume van de RBC reflecteert de RBC-grootte. Men spreekt van een normocyt ( fl.), een macrocyt bij vb. VitB 12 -deficiëntie of foliumzuurtekort (zie spijsverteringsfysiologie), alcoholisme.. (> 100 fl.) of van een microcyt zoals bij ijzertekort, thalassemie.. (< 80 fl.). RBC kunnen ook normochroom zijn, indien ze een normale Hb-concentratie bezitten of hypochroom wanneer de Hb-concentratie verminderd is ten gevolge van verminderde haem- of globineproductie. In de sedimentatiesnelheidstest meet men de snelheid van de spontane sedimentatie van de RBC. Hiervoor wordt het onstolbaar gemaakte bloed in een rechtopstaand buisje gebracht. De controlewaarden liggen tussen 4 tot 10 mm/u. Bij sommige ziektentoestanden is deze sedimentatie echter veel sneller. De wet van Stokes wordt toegepast om de sedimentatiesnelheid van partikels in een viskeus milieu te bepalen. Er zijn verschillende factoren die een rol kunnen spelen bij het bepalen van de sedimentatiesnelheid (V): V = 2. ρ. r 2. g (9 η) -1. Deze factoren zijn het verschil in densiteit tussen het partikel en de vloeistof: ρ ; de straal van het partikel: r; de gravitatieconstante: g; de viscositeit: η. De diameter van de sedimenterende partikels kan wijzigen. Dit is geen gevolg van een verandering in de grootte van de RBC, maar wel van rouleauvorming van de RBC. Dit fenomeen treedt op bij een verandering in het proteïne-spectrum van het plasma. Zo zal er rouleauvorming optreden bij een stijging van de verhouding globuline/albumine zoals bij infectie waarbij de γ- globulines toenemen. Ook een stijging van het fibrinogeengehalte doet de sedimentatie toenemen. Bij het verschijnen van paraproteïnen ontstaat een extreme sedimentatiestijging (120 mm/u). Een andere oorzaak is een verandering in viscositeit bij wijzigingen in de hoeveelheid albumine. Naast deze factoren die de vergelijking van Stokes bepalen wordt de sedimentatie ook beïnvloed door de concentratie aan erytrocyten. De opwaartse beweging van het plasma verloopt moeilijker naarmate de RBC dichter bij elkaar liggen. Bij polycythaemie zal de sedimentatie vertragen. Bij anemie is er versnelling vermits de opwaartse stroom van plasma gemakkelijker verloopt, gezien de lagere weerstand wegens de geringe celconcentratie. 3 Vorming van RBC: erytropoiesis Er zijn totipotente stamcellen in het beenmerg waaruit door mitosis een aantal cellijnen aangemaakt worden, die als committed cellijnen dienst zullen doen. Zo zijn er committed cellen voor de rode reeks, de witte reeks en voor de bloedplaatjes. In het beenmerg zijn stamcellen moeilijk identificeerbaar. In celkweken vormen ze echter kolonies van afstammelingen. Zo spreekt men vb. van colony forming units (CFU). 11

12 De pluripotente stamcel maakt de burst-forming unit-erytroïd (BFU-E) aan, die differentieert in de colony-forming uniterytroïd (CFU-E). Hieruit ontstaat de proërytroblast. Dit is de eerste morfologisch herkenbare voorloper is van de RBC. De proërytroblast wordt na 4-5 mitotische delingen in een mature, ongekernde RBC omgezet die dagen zal overleven. Ze worden als reticulocyten in het bloed vrijgezet. Reticulocyten rijpen 1-2 dagen in het beenmerg en zijn vervolgens nog 1 dag als reticulocyt in het bloed herkenbaar aanwezig. Histologisch zijn ze door het polyribosomale RNA gemakkelijk herkenbaar en aankleurbaar in het bloed. Na rijping verliezen ze hun ribosomen en vormen mature RBC. Bij een reticulocyten telling bepaalt men het aantal reticulocyten op het totale aantal RBC. Dit is normaal 1%. De bouwstoffen nodig voor de erythropoiëse zijn onder meer ijzer om te worden ingebouwd in het hemoglobine; Vitamine B12 en foliumzuur voor de DNA en RNA synthese. Zonder DNA en RNA worden immers geen nieuwe cellen gevormd en aminozuren voor de opbouw van het hemoglobine. Daarnaast hebben verschillende andere vitaminen en mineralen invloed op de aanmaak van erytrocyten, zoals vitamine C, B-vitaminen en koper. In het prenatale leven worden bloedcellen gevormd in de milt, lever, lymfeknopen en vanaf de vijfde maand ook in het beenmerg. In de postnatale periode wordt de bloedvorming ter hoogte van milt, lymfeknopen en lever geleidelijk afgesloten en zal het beenmerg zich progressief ontwikkelen in de caviteiten van alle beenderen. Het beenmerg wordt tenslotte een orgaan dat even groot is als de lever en ongeveer 1600 g weegt. Het beenmerg kan voorkomen als rood merg (actief) of als geel merg (inactief). Rood merg bestaat uit vet (tot 50 %) en uit ontwikkelende bloedcellen die in fijne reticulaire vezels IJzer opname Pluripotente Committed Erytrocyt Fagocyt stamcel Megakaryocyt Lymfocyt stamcel BFU-E CFU-E Pro-erytroblast Reticulocyt Mature Erytropoietine beenmerg Differentierende Mitotisch cel Postmitotisch RNA synthese Volledig gediffer. cel bloed Hb RBC 0-7 d d. 12

13 gevangen zitten en via een sinusoïdaal capillair netwerk terecht komen in een centrale veneuze sinus met afvoer. Verandering van rood tot geel merg (of dus vervetting van het rode merg) treedt op in functie van de beenderleeftijd. Vanaf de leeftijd van 4 jaar is de beschikbare ruimte van het merg groter dan noodzakelijk en begint er een geleidelijke vervetting op te treden: eerst in de diafysen van de distale beenderen, daarna geleidelijk meer centripetaalwaarts. Op de leeftijd van 18 jaar blijft het bloedvormend merg alleen ter hoogte van de wervels, de ribben het sternum (mergpunctie volwassene), schedelbeenderen en de proximale epifysen van de lange pijpbeenderen behouden. In speciale omstandigheden, zoals uitgesproken bloeding, kan het gele merg terug omgezet worden in rood merg. In de eerste levensjaren is er een labiel evenwicht tussen dit beenmergvolume en de noodzakelijke aanmaak van RBC. Bij een stoornis van dit evenwicht (vb. door hemolysis) kan een reactivering van de hematopoietische activiteit in milt en lever optreden. Wegens de zeer grote mergruimte op volwassen leeftijd zal er zelden extramedullaire hematopoiesis optreden. 4 Het Erytropoietine De hemoglobineconcentratie maakt 98 % van de cytoplasmatische eiwitten van de RBC uit. De HB-concentratie wordt constant gehouden via een terugkoppelingssysteem dat berust op een meting van de O 2 - voorziening. Wanneer er een verminderde partiële O 2 -spanning in de ingeademde lucht is zal de RBC-productie toenemen. Hierdoor verhoogt het vermogen van het organisme om voldoende hoeveelheid O 2 rond te voeren. De modulerende factor is vooral de hoeveelheid O 2 die gemeten wordt in de nier. De nier is derhalve tegelijk receptor en effector orgaan. Door een daling van de hoeveelheid aangevoerde zuurstof (locale hypoxie) wordt er in de nier het glycoproteïne erytropoiëtine (EPO) (MG ) vrijgezet. EPO heeft een zeer lage bloedspiegel (10 pmol/l) en een halfleven van 5 uur. Deze toename van EPO blijft behouden totdat de Hb concentratie een normale O 2 afgave kan garanderen (anemie, pulmonaire aandoeningen.. ). Zo zal een grote bloeding gepaard gaan met een verminderd zuurstofgehalte van het bloed. Via de toename van de erythropoiëtine secretie wordt nu de bloedaanmaak gestimuleerd zodat het verlies van erytrocyten na enkele dagen gecorrigeerd is. Dit mechanisme speelt ook een belangrijke rol bij verblijf op grote hoogte, waar het zuurstofgehalte in de lucht laag is. 13

14 EPO zal t.h.v. de CFU-E van het beenmerg de vorming van erytrocyten stimuleren en verkort de tijd van maturatie tot reticulocyt. Het EPO wordt bij de gezonde persoon door de nier geproduceerd en prenataal door de lever. Bij patiënten met niet-functionele nieren kan de EPOsynthese opnieuw optreden t.h.v. de lever. Merk op dat EPO (recombinant) thans sterk in de actualiteit staat door gebruik als doping bij sportbeoefening. De regulatie van de aanmaak van RBC kan echter niet simpel gereduceerd worden tot de vrijzetting en inwerking van EPO. EPO heeft geen invloed op de differentiatierichting van de stamcellen tot burst forming unit erytrocyt (BFU-E). De gevoeligheid van de rode reeks voor EPO bereikt haar maximum t.h.v. de colony forming unit-erytrocyt (CFU-E). Andere belangrijke prikkels voor de aanmaak van RBC zijn interleukine 3 en granulocyte-macrophage colony-stimulating factor (GM-CSF) die zorgen voor committed cel BFU-E. Andere hormonen die de erytropoiësis tevens stimuleren en groeifactoren vrijzetten zijn de corticosteroïden, androgenen en het thyroxine. Het beenmerg kan de celproductie opdrijven met een factor van 6 tot 8 maal de normale productie. Derhalve kan een inkorting van de levensduur met een factor van 6 tot 8 gecompenseerd worden. 5 Het Metabolisme van erytrocyten De mature RBC beschikken niet meer over een kern, noch over mitochondria, ER of ribosomen. Ze vertonen dan ook geen proteïnensynthese of oxidatieve fosforylering meer. Spijts de zware oxidatieve stress door de hoge O 2 -spanning en mechanische stress, bezitten RBC toch een levensduur van 4 maanden. Dit omdat de energie uit anaërobe glycolysis (> 95 %) voor het onderhoud van vitale celfuncties zorgt. Er zijn immers een aantal energieverbruikende processen noodzakelijk voor het behoud van de celfunctie. Hieronder rekent men het behoud van celvorm en van celflexibiliteit (ATP voor het Ca-ATPase van de plasmamembraan) en van de intracellulaire Na + - en K + -concentraties (Na-K ATPase). Verder moet het Fe in de haemgroep voorkomen onder de ferro-vorm door het methemoglobine reductase dat Fe 3+ -haem reduceert met NADH als elektron donor en is er een bescherming van proteïnen tegen oxidatieve denaturatie (SHgroepen) door gereduceerd glutathion (GSH) met glutathion reductase en NADPH. Tenslotte is ook de glucose - opname, de glutathion synthese en de 2,3 DPG Vit B 12 Foliumzuur Globine: α & β keten Hemoglobine Haem Fe DNA Ferritine TF TF TF-Fe Fe TF-Fe TF-Fe 14

15 - synthese energie afhankelijk (Na-K ATPase). 6 Het Hemoglobine Zuurstof lost maar matig op in water. Daarom zitten de rode bloedcellen vol hemoglobine. Het hemoglobine zit verpakt in de rode bloedcellen vermits het bloedplasma door de hoge hoeveelheid hemoglobine anders een 3x hoger osmotisch waarde zou aannemen. De zuurstof, die via de longen wordt aangevoerd, wordt door het hemoglobine opgenomen. Dit Hb wordt oxyhemoglobine genoemd. Door de opname van zuurstof wordt de kleur van het bloed helder rood. Dit zuurstofrijke bloed (OxyHb) wordt vervolgens naar de weefsels getransporteerd, waar de zuurstof wordt afgegeven. Het bloed, dat nu zuurstofarmer is en donker rood van kleur is geworden, keert vandaar naar de longen terug, waarna het proces zich herhaalt. Hb is het respiratoir pigment dat samengesteld is uit een haem kern en globulaire polypeptide ketens. De haem kern bestaat uit een protophorphyrine ring met centraal Fe 2+ omringd door 4 N moleculen. Dit ijzer bindt op een reversiebele wijze O 2. De 4 polypeptide ketens bezitten een variabele aminozuursamenstelling (α-β-γ-δ). Bij de volwassene treft men het HbA: (α 2 β 2 (95-98 %)) aan en veel minder HbA2 (α 2 δ 2 (1.5-3%)) of HBF (α 2 γ 2 (0.5-1%)). De zuurstoftransportcapaciteit van normaal bloed bedraagt 1.34 ml/g Hb of 20 ml per 100 ml bloed. Het hartdebiet bedraagt in rust 5 l/min. (zie verder). Dit betekent dat er ongeveer 1000 ml % van polypeptide ketens γ keten α keten β keten -6-3 geboorte Maanden O 2 naar de perifere weefsels wordt aangevoerd. Hiervan wordt 1/4 geëxtraheerd en komt overeen met 250 ml O 2 /min. De O Links verschuiving PCO 2 ; ph ; Temp ; 2,3 DPG spanning van het bloed wordt hierdoor gereduceerd van 100 mm Hg tot 40 mm Hg. Deze daling van de O 2 -spanning van het bloed in de capillairen is voldoende om aan de weefsels genoeg O 2 aan te bieden. Er zijn variëteiten van Hb in functie % Hb saturatie Rechts verschuiving PCO 2 ; ph ; Temp ; 2,3 DPG van de leeftijd (o.a. HbE en HbF). Het foetaal Hb (HbF) bezit een grotere affiniteit voor O PO 2 (mm Hg) 15

16 dan HbA en het wordt gemakkelijker omgezet tot methemoglobine. Tevens bindt het minder 2,3- DPG, zodat er een hogere O 2 -affiniteit is dan bij HbA. Het 2,3-DPG is een intermediair product van de glycolyse dat de affiniteit van Hb voor O 2 doet afnemen, zodat er een verschuiving naar rechts optreedt. De heemgroepen zijn ook steeds dezelfde en een wijziging in de polypeptideketens, zelfs t.h.v. één aminozuur (cfr. sickle cell Hb) lokt belangrijke effecten uit voor de kenmerken van het Hb. A. Het methemoglobine (MetHb of FerriHb) Het methemoglobine (MetHb of FerriHb) is een abnormaal hemoglobine waarbij ijzer in de ferrie (Fe 3+ ) toestand verkeert. De oxidatiereactie van Fe 2+ tot Fe 3+ en de vorming van methemoglobine gebeurt normaal spontaan. Nochthans is de fractie MetHb in het bloed geringer dan 1% van de totale hoeveelheid Hb. Het methb-reductase (Fe 3+ Fe 2+ ) reduceert immers het MetHb tot normaal Hb. De binding van O 2 aan Hb tot OxyHb veroorzaakt in normale omstandigheden een electronverschuiving waarbij er Fe 3+ ontstaat. MetHb bezit reeds driewaardig ijzer en is niet meer in staat om O 2 op te nemen. Het blijft derhalve O 2 vrij. Bovendien verhoogt een Fe 3+ molecule de affiniteit van de overige Fe 2+ moleculen voor O 2 zodat de O 2 afgave aan de organen in het gedrang komt. Het MetHb is donkerder (chocolade bruin) dan O 2 -vrij Hb en kan vanaf geringe plasmawaarden (1,5 g Fe 3+ Hb/100 ml) een cyanotisch beeld veroorzaken, zelfs in nietlevensbedreigende toestanden. Dit wordt methemoglobinaemie genoemd. Vanaf 20-40% MetHb ervaart de patient duizeligheid, wordt hij kortademig, heeft hij hoofdpijn en wordt zelfs syncopaal spijts een normale arteriële PO 2. MetHb kan gestegen zijn bij een afname van het celmetabolisme; een teveel aan oxidantia in het lichaam zoals bv. aniline-houdende kleurstoffen (verf, inkt, schoensmeer..) ; nitroglycerine gebruikt als vasodilatator, maar ook door de inname van teveel nitrieten (bv putwater) of bacteriële conversie vanuit nitraten (bv groenten blootgesteld aan te geringe fotosynthese). Tenslotte is ook het HbF veel gevoeliger dan HbA aan conversie tot MetHb, De therapie bij methemoglobinaemie bestaat in het toedienen van reducerende stoffen zoals ascorbinezuur of methyleenblauw. 100 B. Het carboxyhemoglobine (COHb) Het carboxyhemoglobine (COHb) ontstaat na blootstelling aan koolstofmonoxide (CO). De volledige % Hb saturatie PO 2 (mm Hg)

17 verbranding van koolstofhoudende brandstoffen geeft het niet-toxisch gas CO 2. Bij onvolledige verbranding (bij bv onvoldoende aanvoer van of vermenging met O 2 aan fossiele brandstof of onvoldoende evacuatie van de gassen) ontstaat het kleur- en geurloos gas CO. Het CO wordt door de longen snel geabsorbeerd en bezit een veel grotere affiniteit (270 x) voor Hb dan O 2. COHb is tevens veel minder in staat om O 2 af te geven aan de organen. Kleine hoeveelheden CO in de ingeademde lucht zullen ook tot een snelle stijging van het % COHb leiden. Na 2 uur blootstelling aan 0.01% CO neemt de hoeveelheid COHb toe tot 16 %, wat reeds tot symptomen aanleiding heeft. Bij 30-45% COHb ontstaat zware hoofdpijn en bewusteloosheid gevolgd door de dood door verstikking (USA: 3500/j). De behandeling bestaat uit het toedienen van hyperbare (hoger dan de atmosferische druk) zuurstof. 7 Afbraak van RBC De levensduur van de erytrocyten is gemiddeld 120 dagen (90-130d). Dagelijks wordt ongeveer 0.8 % van de rode bloedcellen afgebroken en vervangen door reticulocyten. Dit is bij een volwassen persoon per seconde een afbraak van ongeveer 2.6 miljoen cellen. Deze afbraak is te wijten aan een verouderingsproces in de RBC, waardoor de enzyme-activiteit vermindert en hun metabolisme ontregeld wordt. De vervormbaarheid van RBC is essentieel. Een wijziging van het cytoskelet door een daling van de ATP-productie of een stijging van het Ca 2+ leidt tot sekwestrering. Oude cellen worden vooral afgebroken door de macrofagen die aanwezig zijn in vooral de milt, maar ook in de lever en het beenmerg (reticulo-endotheliale systeem, RES). a. Rol van de Milt In de afbraak van RBC is de rol van de milt essentieel. De destructie Veneuze sinus voor RBC is een gevolg van de ongewoon complexe architectuur van Miltbalkjes de bevloeing van de milt. De centrale arteries, die in de milt doordringen, Vene worden initieel omgeven door Penseelarteriool lymfoiede cellen (de zogenaamde witte Hulscapillair pulpa). De rest van de milt wordt de Witte Pulpa Rode Pulpa rode pulpa genoemd. Daarin stromen de penseelarteries. Hieruit ontstaan de hulscapillairen die voor een deel rechtstreeks uitmonden in de venen. Bloedcellen kunnen, mits vervorming, hier doorheen dringen 17

18 en worden veneus afgevoerd. Dit is het gesloten systeem. Andere hulscapillairen monden echter rechtstreeks uit in de chords of balkjes van Billroth. De miltbalkjes vormen een losse struktuur van reticulaire cellen en macrofagen en worden het open systeem genoemd. Het grootste deel van het bloed komt terecht in deze miltbalkjes. Het plasma van dit bloed stroomt gemakkelijk door de endotheliale cellaag naar de veneuze sinussen toe, terwijl de cellen achterblijven. Dit veroorzaakt een stijging van de hematocriet in de miltbalkjes terwijl de constante metabole activiteit en gedaalde stroming de locale PO 2, ph en glucoseconcentratie doen afnemen. Gezonde rode bloedcellen kunnen dit aan, glijden doorheen de spleten tussen de endotheelcellen en komen in sinusoïden terecht. De oude of beschadigde cellen sterven af en worden vervolgens door macrofagen vernietigd. De milt vervult ook een belangrijke rol in het verwijderen van bacteriën en het uitlokken van een aangepast immuun antwoord (zie immunologie). Wanneer de milt wordt verwijderd (splenectomie) is de eliminatie van beschadigde RBC in het perifere bloed gestoord. Misvormde cellen en cellen met kernresten verschijnen. Het aantal WBC en trombocyten neemt ook toe. De levensduur van de cellen is echter niet verlengd, gezien deze afbraak door de lever en andere organen met veel monocyten wordt overgenomen. Merk op dat er een verhoogde gevoeligheid voor infecties na splenectomie wordt waargenomen. b. Verwerking Macrofaag Hemoglobine De vrijgekomen celresten van de rode bloedcellen worden door de macrofagen verwerkt. Er is een recuperatie van Fe, dat via ferritine in de labiele Fe-pool terecht komt. Er is ook een recuperatie van de aminozuren van het globinegedeelte en een degradatie van de haemkern tot biliverdine en reductie tot het ongeconjugeerd bilirubine. Het bilirubine wordt naar de lever afgevoerd Globine + Haem Bilirubine via binding aan vooral het albumine. In de lever gebeurt er een conjugatie en secretie in de gal. Tijdens de afbraak van Hb wordt CO gevormd. CO-meting is derhalve een nauwkeurige (maar moeilijke) meetmethode van de Hb-afbraak (zie verder). Nier Urobilinogeen Fe CO Aminozuren Longen + albumine Darm Fecaal Stercobilinogeen Gal Fe opslag Hb synthese Lever Bilirubine Glucuronide 8 Hemolyse van erytrocyten 18

19 Er kan een premature afbraak van RBC in de bloedvaten en/of in de vasculaire ruimten van het RES optreden. Typisch hierbij is een hoog % reticulocyten. Het intacte beenmerg tracht te compenseren voor het gedaalde aantal RBC en voor de verminderde O 2 -capaciteit. Een hemolytische anemie kan veroorzaakt worden door intracorpusculaire of extracorpusculaire oorzaken die aangeboren of verworven kunnen zijn. Voorbeelden zijn membraan- of metabole afwijkingen van RBC, synthese van abnormale Hb, immune hemolyse, infecties en sepsis, medicaties en toxines enz. Merk op dat de RBC door hun aanwezigheid in de circulatie blootgesteld kunnen zijn aan een mechanische stress. In dit verband moet men ook de hemolyse aanzien bij de "march" Hb-urie. Ook traumata veroorzaakt door vb. kunstkleppen kunnen hemolyse geven. Hemoglobine dat vrijkomt in het plasma wordt aan de haptoglobinen gebonden en gebracht naar de hepatocyten. Bij een uitgesproken intravasculaire hemolyse wordt het haptoglobine vlug verzadigd en vrij hemoglobine wordt in het plasma geoxideerd tot methemoglobine (Fe3 + ) dat uiteenvalt in globine en ferri-haem. Dit ferri-haem bindt zich nu met het albumine (methaemalbumine) of met het hemopexine. Slechts dit laatste complex wordt opgenomen door de hepatocyten. Bij een zware hemolytische crisis worden de haptoglobines volledig verbruikt. De concentratie aan hemopexine daalt. De intensiteit van hemolyse kan bijgevolg door de concentratie aan hemopexine gevolgd worden Een beperkt gedeelte van de α - β dimeren (kleine diameter) filtreert doorheen de glomeruli van de nier. Bij geringe hoeveelheden is er een opname van dimeren door de proximale tubulaire cellen en is er afbraak. De opnamecapaciteit van deze cellen is echter beperkt. Bij een sterkere hemolyse verschijnen de hemoglobinedimeren in de urine (hemoglobinurie, donkere urine). Er is ook controverse over een eventuele beschadiging van RBC tijdens het hardlopen. Sommige onderzoekers menen dat hardlopers bij het neerkomen op de ondergrond de RBC in de kleinste bloedvaten beschadigen. Hierdoor worden deze cellen afgebroken, zodat een tekort aan de rode bloedlichaampjes het gevolg zou zijn. Ook kan bloedverlies optreden door beschadiging van de slijmvliezen in de blaaswand en de darmen. Door wrijving van de blaaswand is bloedverlies via de urinewegen mogelijk, maar ook bloedverlies in of bij de ontlasting is geen ongewoon beeld na een marathon of een intensieve duurloop. Hemolyse Erytrocyt Hb + Haptoglobine Hb.hpt Hb.hpt Hb MetHb Gedenat globuline αβ dimeer + albumine Ferriehaem Metalbumine + hemopexine Globuline haem Ferrieh. HPX bilirubine Lever Fe 3+ haem α β dimeer: hemoglobinurie nier 19

20 9 Bepalen van de levensduur van RBC De berekening van deze levensduur berust op de verhouding tussen de totale massa van de rode bloedcellen (M); de productie-intensiteit of aantal cellen gevormd per dag (P) en de levensduur van de cellen (L): M = P x L De totale massa M kan berekend worden. De productie-intensiteit P kan via twee methoden bepaald worden. Een rechtstreekse bepaling veronderstelt dat alle RBC onder de vorm van reticulocyten in het perifeer bloed verschijnen en na 1-2 dagen tot RBC worden omgevormd. Hieruit kan dus de productie-intensiteit bepaald worden. In de onrechtstreekse bepaling stelt men dat de vormingssnelheid van RBC in stationaire toestand even groot is als de afbraaksnelheid en daarom wordt de afbraakintensiteit bepaald. Dit laatste kan gebeuren door een bepaling van de excretie van een niet-gerecupereerd afbraakproduct van de RBC. Een moeilijke, maar precieze methode bestaat erin het endogeen geproduceerde CO dat vrijkomt bij het openen van de tetrapyrroolkern in haem te meten. Een eenvoudige meting gebeurt via het bepalen van de bilirubine-excretie, er rekening mee houdend dat 35 mg bilirubine wordt geëxcreteerd per gram afgebroken hemoglobine. De Cohort-methode is een rechtstreekse meetmethode. Op tijdstip 0 wordt aangemaakte hemoglobine gemarkeerd met een isotoop van een verbinding die niet gerecycleerd wordt. Hiervoor wordt het stabiele isotoop 13 C-glycine gebruikt. Dit glycine wordt voor een deel door RBC opgenomen terwijl de rest door andere metabole paden snel wordt verwijderd. Dit 13 C-glycine wordt ingebouwd in haem. Bij afbraak wordt het tot bilirubine omgezet. Dit hoeveelheid 13 C wordt met massaspectrografie bepaald. Men neemt een vroegtijdige piek(en) waar, wanneer na vorming de deficiënte rode bloedcellen worden afgebroken. Bij een gemiddelde levensduur van 4 maanden van RBC wordt de grotere piek geassocieerd met Gemerkt Bilirubine 51 Cr RBC (% initiële activiteit) Dagen massale afbraak van de gevormde RBC, ongeveer 4 maanden na toediening van 13 C-glycine Dagen