Biologie für das Hauptfach II

Beschreiben Sie den Aufbau und die Funktion des Blutes im Körper

Blut ist wichtig für die Regulierung des pH-Wertes, der Temperatur, des osmotischen Drucks, der Zirkulation von Nährstoffen und der Beseitigung von Abfallstoffen, der Verteilung von Hormonen aus den endokrinen Drüsen und der Beseitigung von überschüssiger Wärme; es enthält auch Komponenten für die Blutgerinnung. Blut besteht aus mehreren Komponenten, darunter rote Blutkörperchen, weiße Blutkörperchen, Blutplättchen und das Plasma, das Gerinnungsfaktoren und Serum enthält.

Die Rolle des Blutes im Körper

Blut, wie das in Abbildung 1 dargestellte menschliche Blut, ist wichtig für die Regulation der Körpersysteme und die Homöostase. Blut trägt zur Aufrechterhaltung der Homöostase bei, indem es den pH-Wert, die Temperatur und den osmotischen Druck stabilisiert und überschüssige Wärme abführt. Blut unterstützt das Wachstum, indem es Nährstoffe und Hormone verteilt und Abfallstoffe beseitigt. Rote Blutkörperchen enthalten Hämoglobin, das Sauerstoff bindet. Diese Zellen liefern Sauerstoff zu den Zellen und entfernen Kohlendioxid.

Blut spielt eine schützende Rolle, indem es Gerinnungsfaktoren und Blutplättchen transportiert, um Blutverluste nach Verletzungen zu verhindern. Blut transportiert auch die krankheitsbekämpfenden weißen Blutkörperchen zu Infektionsherden. Diese Zellen – einschließlich Neutrophile, Monozyten, Lymphozyten, Eosinophile und Basophile – sind an der Immunantwort beteiligt.

Abbildung 1. Die Zellen und zellulären Bestandteile des menschlichen Blutes sind dargestellt.

Rote Blutkörperchen

Rote Blutkörperchen oder Erythrozyten (erythro- = „rot“; -cyte = „Zelle“) sind spezialisierte Zellen, die durch den Körper zirkulieren und Zellen mit Sauerstoff versorgen; sie werden aus Stammzellen im Knochenmark gebildet. Bei Säugetieren sind rote Blutkörperchen kleine bikonkave Zellen, die bei der Reife keinen Zellkern oder Mitochondrien enthalten und nur 7-8 µm groß sind. Bei Vögeln und nicht-avianischen Reptilien ist noch ein Zellkern in den roten Blutkörperchen erhalten.

Die rote Färbung des Blutes stammt von dem eisenhaltigen Protein Hämoglobin, das in Abbildung 2a dargestellt ist. Die Hauptaufgabe dieses Proteins ist der Transport von Sauerstoff, aber es transportiert auch Kohlendioxid. Hämoglobin ist in den roten Blutkörperchen in einer Menge von etwa 250 Millionen Hämoglobinmolekülen pro Zelle verpackt. Jedes Hämoglobinmolekül bindet vier Sauerstoffmoleküle, so dass jedes rote Blutkörperchen eine Milliarde Sauerstoffmoleküle transportiert. In den fünf Litern Blut im menschlichen Körper befinden sich etwa 25 Billionen rote Blutkörperchen, die jederzeit bis zu 25 Sextillionen (25 × 1021) Sauerstoffmoleküle im Körper transportieren könnten. Bei Säugetieren lässt das Fehlen von Organellen in den Erythrozyten mehr Platz für die Hämoglobinmoleküle, und das Fehlen von Mitochondrien verhindert auch die Verwendung des Sauerstoffs für die metabolische Atmung. Nur Säugetiere haben kernlose rote Blutkörperchen, einige Säugetiere (z. B. Kamele) haben sogar kernhaltige rote Blutkörperchen. Der Vorteil kernhaltiger roter Blutkörperchen ist, dass diese Zellen eine Mitose durchlaufen können. Anukleierte rote Blutkörperchen metabolisieren anaerob (ohne Sauerstoff) und nutzen einen primitiven Stoffwechselweg, um ATP zu produzieren und die Effizienz des Sauerstofftransports zu erhöhen.

Nicht alle Organismen nutzen Hämoglobin als Methode des Sauerstofftransports. Wirbellose Tiere, die Hämolymphe statt Blut nutzen, verwenden andere Pigmente, um den Sauerstoff zu binden. Diese Pigmente verwenden Kupfer oder Eisen, um den Sauerstoff zu binden. Wirbellose Tiere haben eine Vielzahl anderer Atmungspigmente. Hämocyanin, ein blaugrünes, kupferhaltiges Protein, das in Abbildung 2b dargestellt ist, findet sich in Weichtieren, Krebstieren und einigen Arthropoden. Chlorocruorin, ein grün gefärbtes, eisenhaltiges Pigment, findet sich in vier Familien von Polychaeten-Schlauchwürmern. Hemerythrin, ein rotes, eisenhaltiges Protein, kommt in einigen polychaeten Würmern und Anneliden vor und ist in Abbildung 2c dargestellt. Trotz des Namens enthält Hämerythrin keine Häm-Gruppe und seine sauerstofftragende Kapazität ist im Vergleich zu Hämoglobin gering.

Abbildung 2. In den meisten Wirbeltieren liefert (a) Hämoglobin dem Körper Sauerstoff und entfernt etwas Kohlendioxid. Hämoglobin besteht aus vier Proteinuntereinheiten, zwei Alphaketten und zwei Betaketten, und einer Hämgruppe, an die Eisen gebunden ist. Das Eisen assoziiert reversibel mit Sauerstoff und wird dabei von Fe2+ zu Fe3+ oxidiert. In den meisten Mollusken und einigen Arthropoden liefert (b) Hämocyanin Sauerstoff. Im Gegensatz zu Hämoglobin wird es nicht in Blutzellen getragen, sondern schwimmt frei in der Hämolymphe. Kupfer anstelle von Eisen bindet den Sauerstoff, was der Hämolymphe eine blaugrüne Farbe verleiht. In Ringelwürmern, wie z. B. dem Regenwurm, und einigen anderen wirbellosen Tieren trägt (c) Hemerythrin den Sauerstoff. Wie Hämoglobin wird Hämerythrin in Blutzellen getragen und ist mit Eisen assoziiert, aber trotz seines Namens enthält Hämerythrin kein Häm.

Die geringe Größe und große Oberfläche der roten Blutkörperchen ermöglicht eine schnelle Diffusion von Sauerstoff und Kohlendioxid durch die Plasmamembran. In der Lunge wird Kohlendioxid freigesetzt und Sauerstoff aus dem Blut aufgenommen. In den Geweben wird Sauerstoff aus dem Blut freigesetzt und Kohlendioxid für den Rücktransport in die Lunge gebunden. Studien haben ergeben, dass Hämoglobin auch Distickstoffoxid (NO) bindet. NO ist ein Vasodilatator, der die Blutgefäße und Kapillaren entspannt und den Gasaustausch und die Passage der roten Blutkörperchen durch enge Gefäße unterstützen kann. Nitroglycerin, ein Herzmedikament gegen Angina pectoris und Herzinfarkte, wird in NO umgewandelt und hilft, die Blutgefäße zu entspannen und den Sauerstofffluss durch den Körper zu erhöhen.

Ein Merkmal der roten Blutkörperchen ist ihre Glykolipid- und Glykoproteinbeschichtung; dies sind Lipide und Proteine, an die Kohlenhydratmoleküle gebunden sind. Beim Menschen variieren die Oberflächenglykoproteine und Glykolipide auf den roten Blutkörperchen von Person zu Person, was zu den verschiedenen Blutgruppen führt, wie z. B. A, B und O. Rote Blutkörperchen haben eine durchschnittliche Lebensdauer von 120 Tagen, wobei sie in Leber und Milz von phagozytischen Makrophagen, einer Art von weißen Blutkörperchen, abgebaut und recycelt werden.

Weiße Blutkörperchen

Weiße Blutkörperchen, auch Leukozyten (leuko = weiß) genannt, machen etwa ein Volumenprozent der Zellen im Blut aus. Die Rolle der weißen Blutkörperchen unterscheidet sich stark von der der roten Blutkörperchen: Sie sind in erster Linie an der Immunantwort beteiligt, um Krankheitserreger wie eindringende Bakterien, Viren und andere fremde Organismen zu erkennen und zu bekämpfen. Weiße Blutkörperchen werden ständig neu gebildet; einige leben nur Stunden oder Tage, manche aber auch Jahre.

Die Morphologie der weißen Blutkörperchen unterscheidet sich deutlich von den roten Blutkörperchen. Sie haben Zellkerne und enthalten kein Hämoglobin. Die verschiedenen Arten von weißen Blutkörperchen werden durch ihr mikroskopisches Aussehen nach histologischer Färbung identifiziert, und jede hat eine andere spezialisierte Funktion. Die zwei Hauptgruppen, die beide in Abbildung 3 dargestellt sind, sind die Granulozyten, zu denen die Neutrophilen, Eosinophilen und Basophilen gehören, und die Agranulozyten, zu denen die Monozyten und Lymphozyten gehören.

Abbildung 3. (a) Granulozyten – einschließlich Neutrophile, Eosinophile und Basophile – sind durch einen gelappten Kern und granuläre Einschlüsse im Zytoplasma gekennzeichnet. Granulozyten sind typischerweise die Ersthelfer bei Verletzungen oder Infektionen. (b) Zu den Agranulozyten gehören Lymphozyten und Monozyten. Lymphozyten, einschließlich B- und T-Zellen, sind für die adaptive Immunantwort verantwortlich. Monozyten differenzieren sich zu Makrophagen und dendritischen Zellen, die wiederum auf Infektionen oder Verletzungen reagieren.

Granulozyten enthalten Granula in ihrem Zytoplasma; die Agranulozyten sind so benannt, weil sie keine Granula in ihrem Zytoplasma haben. Einige Leukozyten werden zu Makrophagen, die entweder an der gleichen Stelle bleiben oder durch den Blutstrom wandern und sich an Infektions- oder Entzündungsstellen sammeln, wo sie durch chemische Signale von Fremdpartikeln und beschädigten Zellen angezogen werden. Lymphozyten sind die primären Zellen des Immunsystems und umfassen B-Zellen, T-Zellen und natürliche Killerzellen. B-Zellen zerstören Bakterien und inaktivieren deren Toxine. Sie produzieren auch Antikörper. T-Zellen greifen Viren, Pilze, einige Bakterien, transplantierte Zellen und Krebszellen an. T-Zellen greifen Viren an, indem sie Toxine freisetzen, die die Viren abtöten. Natürliche Killerzellen greifen eine Vielzahl von infektiösen Mikroben und bestimmte Tumorzellen an.

Ein Grund dafür, dass HIV eine große Herausforderung für das Management darstellt, ist, dass das Virus direkt auf T-Zellen abzielt, indem es über einen Rezeptor eindringt. Einmal in der Zelle angekommen, vervielfältigt sich HIV dann mit Hilfe der genetischen Maschinerie der T-Zelle. Nachdem sich das HIV-Virus repliziert hat, wird es direkt von der infizierten T-Zelle auf Makrophagen übertragen. Das Vorhandensein von HIV kann über einen langen Zeitraum unerkannt bleiben, bevor sich die vollen Krankheitssymptome entwickeln

Bestandteile des Blutes

Hämoglobin ist verantwortlich für die Verteilung von Sauerstoff und in geringerem Maße von Kohlendioxid im gesamten Kreislaufsystem des Menschen, der Wirbeltiere und vieler wirbelloser Tiere. Das Blut ist jedoch mehr als nur die Proteine. Blut ist eigentlich ein Begriff, der die Flüssigkeit beschreibt, die sich durch die Gefäße bewegt und das Plasma (den flüssigen Anteil, der Wasser, Proteine, Salze, Lipide und Glukose enthält) sowie die Zellen (rote und weiße Zellen) und Zellfragmente, die Thrombozyten genannt werden, umfasst. Das Blutplasma ist eigentlich der Hauptbestandteil des Blutes und enthält Wasser, Proteine, Elektrolyte, Lipide und Glukose. Die Zellen sind für den Transport der Gase (rote Zellen) und die Immunantwort (weiße Zellen) verantwortlich. Die Blutplättchen sind für die Blutgerinnung verantwortlich. Die interstitielle Flüssigkeit, die die Zellen umgibt, ist vom Blut getrennt, aber in der Hämolymphe sind sie vereint. Beim Menschen machen die zellulären Bestandteile etwa 45 Prozent des Blutes aus und das flüssige Plasma 55 Prozent. Blut macht 20 Prozent der extrazellulären Flüssigkeit eines Menschen und acht Prozent des Gewichts aus.

Plättchen und Gerinnungsfaktoren

Blut muss gerinnen, um Wunden zu heilen und übermäßigen Blutverlust zu verhindern. Kleine Zellfragmente, Thrombozyten genannt, werden von der Wundstelle angezogen, wo sie sich festsetzen, indem sie viele Fortsätze ausfahren und ihren Inhalt freisetzen. Dieser Inhalt aktiviert andere Thrombozyten und interagiert auch mit anderen Gerinnungsfaktoren, die Fibrinogen, ein wasserlösliches Protein im Blutserum, in Fibrin (ein nicht wasserlösliches Protein) umwandeln, wodurch das Blut gerinnt. Viele der Gerinnungsfaktoren benötigen Vitamin K, um zu funktionieren, und Vitamin-K-Mangel kann zu Problemen mit der Blutgerinnung führen. Viele Thrombozyten laufen zusammen und kleben an der Wundstelle zusammen und bilden einen Thrombozytenpfropf (auch Fibringerinnsel genannt), wie in Abbildung 4b dargestellt. Der Pfropfen oder das Gerinnsel bleibt einige Tage bestehen und stoppt den Blutverlust. Thrombozyten entstehen aus dem Zerfall größerer Zellen, den Megakaryozyten, wie in Abbildung 4a dargestellt. Für jeden Megakaryozyten werden 2000-3000 Thrombozyten gebildet, wobei in jedem Kubikmillimeter Blut 150.000 bis 400.000 Thrombozyten vorhanden sind. Jedes Plättchen ist scheibenförmig und hat einen Durchmesser von 2-4 μm. Sie enthalten viele kleine Vesikel, aber keinen Zellkern.

Abbildung 4. (a) Thrombozyten werden aus großen Zellen, den Megakaryozyten, gebildet. Der Megakaryozyt zerfällt in Tausende von Fragmenten, die zu Blutplättchen werden. (b) Thrombozyten werden für die Blutgerinnung benötigt. Die Thrombozyten sammeln sich an einer Wundstelle in Verbindung mit anderen Gerinnungsfaktoren, wie z. B. Fibrinogen, um ein Fibringerinnsel zu bilden, das den Blutverlust verhindert und die Heilung der Wunde ermöglicht.

Plasma und Serum

Der flüssige Bestandteil des Blutes wird Plasma genannt und durch Schleudern oder Zentrifugieren des Blutes bei hohen Umdrehungen (3000 U/min oder höher) abgetrennt. Die Blutzellen und Blutplättchen werden durch die Zentrifugalkräfte auf den Boden eines Probenröhrchens abgeschieden. Die obere Flüssigkeitsschicht, das Plasma, besteht zu 90 Prozent aus Wasser sowie verschiedenen Substanzen, die zur Aufrechterhaltung des pH-Wertes, der osmotischen Belastung und zum Schutz des Körpers benötigt werden. Das Plasma enthält auch die Gerinnungsfaktoren und Antikörper.

Der Plasmabestandteil des Blutes ohne die Gerinnungsfaktoren wird als Serum bezeichnet. Das Serum ist ähnlich wie die Zwischenzellflüssigkeit, in der die richtige Zusammensetzung von Schlüsselionen, die als Elektrolyte wirken, für die normale Funktion von Muskeln und Nerven wichtig ist. Andere Komponenten im Serum sind Proteine, die bei der Aufrechterhaltung des pH-Wertes und des osmotischen Gleichgewichts helfen und dem Blut Viskosität verleihen. Das Serum enthält auch Antikörper, spezialisierte Proteine, die für die Verteidigung gegen Viren und Bakterien wichtig sind. Lipide, einschließlich Cholesterin, werden ebenfalls im Serum transportiert, zusammen mit verschiedenen anderen Substanzen, einschließlich Nährstoffen, Hormonen, Stoffwechselabfällen sowie externen Substanzen, wie z. B. Medikamente, Viren und Bakterien.

Humanserumalbumin ist das am häufigsten vorkommende Protein im menschlichen Blutplasma und wird in der Leber synthetisiert. Albumin, das etwa die Hälfte des Blutserumproteins ausmacht, transportiert Hormone und Fettsäuren, puffert den pH-Wert und hält osmotische Drücke aufrecht. Immunglobin ist ein Protein-Antikörper, der in der Schleimhaut produziert wird und eine wichtige Rolle in der Antikörper-vermittelten Immunität spielt.

Bluttypen in Verbindung mit Proteinen auf der Oberfläche der roten Blutkörperchen

Rote Blutkörperchen sind mit Antigenen aus Glykolipiden und Glykoproteinen beschichtet. Die Zusammensetzung dieser Moleküle wird durch die Genetik bestimmt, die sich im Laufe der Zeit entwickelt hat. Beim Menschen werden die verschiedenen Oberflächenantigene in 24 verschiedene Blutgruppen mit mehr als 100 verschiedenen Antigenen auf jedem roten Blutkörperchen eingeteilt. Die beiden bekanntesten Blutgruppen sind das ABO-, dargestellt in Abbildung 5, und das Rh-System. Die Oberflächenantigene in der ABO-Blutgruppe sind Glykolipide, genannt Antigen A und Antigen B. Menschen mit der Blutgruppe A haben Antigen A, Menschen mit der Blutgruppe B haben Antigen B, Menschen mit der Blutgruppe AB haben beide Antigene und Menschen mit der Blutgruppe O haben keines der beiden Antigene. Im Blutplasma befinden sich Antikörper, sogenannte Agglutinougene, die mit den A- oder B-Antigenen reagieren, wenn diese vermischt sind. Wenn Blut vom Typ A und Typ B gemischt werden, kommt es zu einer Agglutination (Verklumpung) des Blutes aufgrund von Antikörpern im Plasma, die sich mit dem gegnerischen Antigen verbinden; dies verursacht Gerinnsel, die in der Niere gerinnen und zu Nierenversagen führen. Blut der Blutgruppe O hat weder A- noch B-Antigene, daher kann Blut der Blutgruppe O an alle Blutgruppen gespendet werden. Typ O negatives Blut ist der universelle Spender. Blut der Blutgruppe AB positiv ist der universelle Empfänger, da es sowohl A- als auch B-Antigene besitzt. Die ABO-Blutgruppen wurden 1900 und 1901 von Karl Landsteiner an der Universität Wien entdeckt.

Die Rhesus-Blutgruppe wurde zuerst bei Rhesus-Affen entdeckt. Die meisten Menschen haben das Rh-Antigen (Rh+) und haben keine Anti-Rh-Antikörper in ihrem Blut. Die wenigen Menschen, die das Rh-Antigen nicht haben und Rh- sind, können Anti-Rh-Antikörper entwickeln, wenn sie mit Rh+ Blut in Kontakt kommen. Dies kann nach einer Bluttransfusion geschehen oder nachdem eine Rh- Frau ein Rh+ Baby bekommen hat. Die erste Exposition verursacht normalerweise keine Reaktion; bei der zweiten Exposition haben sich jedoch genug Antikörper im Blut gebildet, um eine Reaktion hervorzurufen, die eine Agglutination und den Zusammenbruch der roten Blutkörperchen verursacht. Eine Injektion kann diese Reaktion verhindern.

Abbildung 5. Menschliche rote Blutkörperchen können entweder Glykoproteine vom Typ A oder B auf ihrer Oberfläche haben, beide Glykoproteine zusammen (AB) oder keines von beiden (O). Die Glykoproteine dienen als Antigene und können bei einer Person, die eine Transfusion mit unbekannten Antigenen erhält, eine Immunreaktion auslösen. Die Blutgruppe O, die keine A- oder B-Antigene enthält, löst keine Immunreaktion aus, wenn sie einer Person mit einer beliebigen Blutgruppe injiziert wird. Daher gilt O als universeller Spender. Personen mit der Blutgruppe AB können Blut von jeder Blutgruppe annehmen, und die Blutgruppe AB gilt als universeller Spender.

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