Biology for Majors II
Beschrijf de structuur en functie van bloed in het lichaam
Bloed is belangrijk voor de regulering van de pH van het lichaam, de temperatuur, de osmotische druk, de circulatie van voedingsstoffen en de afvoer van afvalstoffen, de distributie van hormonen uit endocriene klieren, en de afvoer van overtollige warmte; het bevat ook componenten voor de bloedstolling. Bloed bestaat uit verschillende bestanddelen, waaronder rode bloedcellen, witte bloedcellen, bloedplaatjes, en het plasma, dat stollingsfactoren en serum bevat.
Leerdoelen
- Bepaal de rol van bloed in het lichaam
- Vergelijk rode en witte bloedcellen
- Beschrijf de basisbestanddelen van het bloed
De rol van bloed in het lichaam
Bloed, zoals het menselijk bloed dat is afgebeeld in figuur 1, is belangrijk voor de regulering van de lichaamssystemen en de homeostase. Bloed helpt de homeostase te handhaven door de pH-waarde, de temperatuur en de osmotische druk te stabiliseren, en door overtollige warmte af te voeren. Bloed ondersteunt de groei door voedingsstoffen en hormonen te distribueren en door afvalstoffen af te voeren. Rode bloedcellen bevatten hemoglobine, dat zuurstof bindt. Deze cellen leveren zuurstof aan de cellen en verwijderen kooldioxide.
Bloed speelt een beschermende rol door stollingsfactoren en bloedplaatjes te transporteren om bloedverlies na verwondingen te voorkomen. Bloed vervoert ook de ziektebestrijdende witte bloedcellen naar de plaats van de infectie. Deze cellen – waaronder neutrofielen, monocyten, lymfocyten, eosinofielen en basofielen – zijn betrokken bij de immuunrespons.
Figuur 1. De cellen en cellulaire bestanddelen van menselijk bloed worden getoond.
Rode bloedcellen
Rode bloedcellen, of erytrocyten (erytro- = “rood”; -cyte = “cel”), zijn gespecialiseerde cellen die door het lichaam circuleren en zuurstof aan cellen leveren; zij worden gevormd uit stamcellen in het beenmerg. Bij zoogdieren zijn rode bloedcellen kleine biconcave cellen die bij volgroeidheid geen kern of mitochondriën bevatten en slechts 7-8 µm groot zijn. Bij vogels en niet-avische reptielen wordt in de rode bloedcellen nog wel een kern gehandhaafd.
De rode kleur van bloed is afkomstig van het ijzerbevattende eiwit hemoglobine, afgebeeld in figuur 2a. De belangrijkste taak van dit eiwit is het vervoer van zuurstof, maar het transporteert ook kooldioxide. Hemoglobine zit met een snelheid van ongeveer 250 miljoen moleculen hemoglobine per cel verpakt in rode bloedcellen. Elke hemoglobinemolecule bindt vier zuurstofmoleculen, zodat elke rode bloedcel een miljard zuurstofmoleculen vervoert. Er zijn ongeveer 25 triljoen rode bloedcellen in de vijf liter bloed in het menselijk lichaam, die op elk moment tot 25 sextiljoen (25 × 1021) zuurstofmoleculen in het lichaam kunnen vervoeren. Bij zoogdieren is er door het ontbreken van organellen in de erytrocyten meer ruimte voor de hemoglobinemoleculen, en door het ontbreken van mitochondriën kan de zuurstof ook niet worden gebruikt voor de stofwisselingsademhaling. Alleen zoogdieren hebben geanucleerde rode bloedcellen, en sommige zoogdieren (kamelen bijvoorbeeld) hebben zelfs gekernde rode bloedcellen. Het voordeel van gekernde rode bloedcellen is dat deze cellen mitose kunnen ondergaan. Anucleated rode bloedcellen metaboliseren anaeroob (zonder zuurstof), gebruikmakend van een primitieve metabolische route om ATP te produceren en de efficiëntie van zuurstoftransport te verhogen.
Niet alle organismen gebruiken hemoglobine als de methode van zuurstoftransport. Ongewervelde dieren die hemolymfe gebruiken in plaats van bloed, gebruiken andere pigmenten om zich aan zuurstof te binden. Deze pigmenten gebruiken koper of ijzer om de zuurstof te binden. Ongewervelde dieren hebben een verscheidenheid van andere ademhalingspigmenten. Hemocyanine, een blauwgroen, koperhoudend eiwit, afgebeeld in figuur 2b, wordt aangetroffen bij weekdieren, schaaldieren en sommige van de geleedpotigen. Chlorocruorine, een groen gekleurd, ijzerhoudend pigment, wordt aangetroffen in vier families van polychaete kokerwormen. Hemerythrine, een rood, ijzerhoudend eiwit, wordt aangetroffen in sommige polychaete wormen en anneliden en wordt geïllustreerd in figuur 2c. Ondanks de naam bevat hemerythrine geen heemgroep en is het zuurstofdragend vermogen ervan gering in vergelijking met hemoglobine.
Figuur 2. Bij de meeste gewervelde dieren levert (a) hemoglobine zuurstof aan het lichaam en verwijdert het een beetje kooldioxide. Hemoglobine bestaat uit vier eiwitsubeenheden, twee alfaketens en twee bètaketens, en een heemgroep waaraan ijzer is verbonden. Het ijzer verbindt zich op reversibele wijze met zuurstof en wordt daarbij geoxideerd van Fe2+ tot Fe3+. In de meeste weekdieren en sommige geleedpotigen levert (b) hemocyanine zuurstof. In tegenstelling tot hemoglobine wordt hemocyanine niet in bloedcellen vervoerd, maar zweeft het vrij in de hemolymfe. Koper in plaats van ijzer bindt de zuurstof, waardoor de hemolymfe een blauw-groene kleur krijgt. Bij anneliden, zoals de regenworm, en sommige andere ongewervelde dieren, c) transporteert hemerythrine zuurstof. Net als hemoglobine wordt hemerythrine in bloedcellen vervoerd en is er ijzer aan verbonden, maar ondanks de naam bevat hemerythrine geen heem.
De kleine omvang en het grote oppervlak van rode bloedcellen maken een snelle diffusie van zuurstof en kooldioxide over het plasmamembraan mogelijk. In de longen komt kooldioxide vrij en wordt zuurstof door het bloed opgenomen. In de weefsels komt zuurstof vrij uit het bloed en wordt kooldioxide gebonden voor transport terug naar de longen. Studies hebben uitgewezen dat hemoglobine ook stikstofmonoxide (NO) bindt. NO is een vaatverwijdend middel dat de bloedvaten en haarvaten ontspant en kan helpen bij de gasuitwisseling en de passage van rode bloedcellen door nauwe vaten. Nitroglycerine, een hartmedicijn tegen angina pectoris en hartaanvallen, wordt omgezet in NO om de bloedvaten te helpen ontspannen en de zuurstoftoevoer door het lichaam te vergroten.
Een kenmerk van rode bloedcellen is hun glycolipide- en glycoproteïnecoating; dit zijn lipiden en eiwitten waaraan koolhydraatmoleculen zijn gehecht. Bij de mens verschillen de oppervlakteglycoproteïnen en glycolipiden op rode bloedcellen van individu tot individu, waardoor de verschillende bloedgroepen ontstaan, zoals A, B en O. Rode bloedcellen hebben een gemiddelde levensduur van 120 dagen, waarna ze worden afgebroken en gerecycled in de lever en milt door fagocytische macrofagen, een type witte bloedcel.
Witte bloedcellen
Witte bloedcellen, ook wel leukocyten (leuko = wit) genoemd, maken ongeveer één volumepercentage uit van de cellen in het bloed. De rol van witte bloedcellen is heel anders dan die van rode bloedcellen: zij zijn vooral betrokken bij de immuunrespons om ziekteverwekkers, zoals binnendringende bacteriën, virussen en andere vreemde organismen, te identificeren en aan te pakken. Witte bloedcellen worden voortdurend gevormd; sommige leven slechts enkele uren of dagen, maar sommige leven jaren.
De morfologie van witte bloedcellen verschilt aanzienlijk van die van rode bloedcellen. Ze hebben kernen en bevatten geen hemoglobine. De verschillende soorten witte bloedcellen worden geïdentificeerd aan de hand van hun microscopische uiterlijk na histologische kleuring, en elk heeft een andere gespecialiseerde functie. De twee hoofdgroepen, beide afgebeeld in figuur 3, zijn de granulocyten, waartoe de neutrofielen, eosinofielen en basofielen behoren, en de agranulocyten, waartoe de monocyten en lymfocyten behoren.
Figuur 3. (a) Granulocyten – waaronder neutrofielen, eosinofielen en basofielen – worden gekenmerkt door een gelobde kern en korrelige insluitsels in het cytoplasma. Granulocyten reageren meestal als eerste bij verwonding of infectie. b) Agranulocyten omvatten lymfocyten en monocyten. Lymfocyten, waaronder B- en T-cellen, zijn verantwoordelijk voor de adaptieve immuunrespons. Monocyten differentiëren zich tot macrofagen en dendritische cellen, die op hun beurt reageren op infectie of verwonding.
Granulocyten bevatten granules in hun cytoplasma; de agranulocyten worden zo genoemd vanwege het ontbreken van granules in hun cytoplasma. Sommige leukocyten worden macrofagen die op dezelfde plaats blijven of zich door de bloedstroom verplaatsen en zich verzamelen op plaatsen van infectie of ontsteking, waar zij worden aangetrokken door chemische signalen van vreemde deeltjes en beschadigde cellen. Lymfocyten zijn de primaire cellen van het immuunsysteem en omvatten B-cellen, T-cellen en natuurlijke killercellen. B-cellen vernietigen bacteriën en inactiveren hun gifstoffen. Zij produceren ook antilichamen. T-cellen vallen virussen, schimmels, sommige bacteriën, getransplanteerde cellen en kankercellen aan. T-cellen vallen virussen aan door toxinen af te geven die de virussen doden. Natuurlijke killercellen vallen een verscheidenheid aan besmettelijke microben en bepaalde tumorcellen aan.
Een van de redenen waarom HIV een belangrijke uitdaging voor het management vormt, is dat het virus zich rechtstreeks op T-cellen richt door via een receptor binnen te dringen. Eenmaal in de cel vermenigvuldigt HIV zich met behulp van de genetische machinerie van de T-cel zelf. Nadat het HIV-virus zich heeft vermenigvuldigd, wordt het rechtstreeks van de geïnfecteerde T-cel naar de macrofagen overgebracht. De aanwezigheid van HIV kan lange tijd onopgemerkt blijven voordat de ziekteverschijnselen zich volledig ontwikkelen
Bestanddelen van bloed
Hemoglobine is verantwoordelijk voor de distributie van zuurstof, en in mindere mate, kooldioxide, door de bloedsomloop van mensen, gewervelde dieren en veel ongewervelde dieren. Bloed is echter meer dan alleen proteïnen. Bloed is eigenlijk een term die wordt gebruikt om de vloeistof aan te duiden die door de bloedvaten stroomt en die plasma omvat (het vloeibare gedeelte, dat water, eiwitten, zouten, vetten en glucose bevat) en de cellen (rode en witte cellen) en celfragmenten die bloedplaatjes worden genoemd. Bloedplasma is eigenlijk het dominante bestanddeel van bloed en bevat het water, de eiwitten, de elektrolyten, de lipiden en de glucose. De cellen zijn verantwoordelijk voor het transport van de gassen (rode cellen) en het immuunsysteem (witte cellen). De bloedplaatjes zijn verantwoordelijk voor de bloedstolling. De interstitiële vloeistof die de cellen omgeeft, staat los van het bloed, maar in hemolymfe zijn ze samengevoegd. Bij de mens bestaat ongeveer 45% van het bloed uit celbestanddelen en 55% uit vloeibaar plasma. Bloed maakt 20 procent uit van de extracellulaire vloeistof van een mens en acht procent van zijn gewicht.
Plaatjes en stollingsfactoren
Bloed moet stollen om wonden te genezen en overmatig bloedverlies te voorkomen. Kleine celfragmenten die bloedplaatjes (trombocyten) worden genoemd, worden aangetrokken tot de plaats van de wond, waar ze zich vasthechten door veel uitsteeksels te maken en hun inhoud vrij te geven. Deze inhoud activeert andere bloedplaatjes en staat ook in wisselwerking met andere stollingsfactoren, die fibrinogeen, een in water oplosbaar eiwit dat aanwezig is in bloedserum, omzetten in fibrine (een niet in water oplosbaar eiwit), waardoor het bloed gaat stollen. Veel van de stollingsfactoren hebben vitamine K nodig om te werken, en een tekort aan vitamine K kan leiden tot problemen met de bloedstolling. Veel bloedplaatjes komen samen en kleven aan elkaar op de plaats van de wond en vormen een bloedplaatjesprop (ook wel een fibrinestolsel genoemd), zoals te zien is in figuur 4b. De plug of het stolsel blijft een aantal dagen zitten en houdt het bloedverlies tegen. Bloedplaatjes worden gevormd uit de desintegratie van grotere cellen, megakaryocyten genaamd, zoals te zien is in figuur 4a. Voor elke megakaryocyt worden 2000-3000 bloedplaatjes gevormd met 150.000 tot 400.000 bloedplaatjes aanwezig in elke kubieke millimeter bloed. Elk bloedplaatje is schijfvormig en heeft een diameter van 2-4 μm. Ze bevatten veel kleine blaasjes maar geen kern.
Figuur 4. (a) Bloedplaatjes worden gevormd uit grote cellen, megakaryocyten genaamd. De megakaryocyt valt uiteen in duizenden fragmenten die bloedplaatjes worden. (b) Bloedplaatjes zijn nodig voor de stolling van het bloed. De bloedplaatjes verzamelen zich op de plaats van een wond samen met andere stollingsfactoren, zoals fibrinogeen, om een fibrinestolsel te vormen dat bloedverlies voorkomt en de wond laat genezen.
Plasma en Serum
Het vloeibare bestanddeel van bloed wordt plasma genoemd en het wordt afgescheiden door het bloed bij hoge toerentallen (3000 omwentelingen per minuut of hoger) te centrifugeren of te laten ronddraaien. De bloedcellen en bloedplaatjes worden door centrifugale krachten gescheiden op de bodem van een monsterbuis. De bovenste vloeistoflaag, het plasma, bestaat voor 90% uit water met daarnaast verschillende stoffen die nodig zijn om de pH-waarde en de osmotische belasting van het lichaam op peil te houden en het lichaam te beschermen. Het plasma bevat ook de stollingsfactoren en antilichamen.
De plasmacomponent van bloed zonder de stollingsfactoren wordt het serum genoemd. Serum is vergelijkbaar met interstitiële vloeistof waarin de juiste samenstelling van belangrijke ionen die als elektrolyten fungeren, essentieel is voor de normale werking van spieren en zenuwen. Andere bestanddelen van het serum zijn proteïnen die de pH en het osmotisch evenwicht helpen handhaven en het bloed zijn viscositeit geven. Het serum bevat ook antilichamen, gespecialiseerde eiwitten die belangrijk zijn voor de verdediging tegen virussen en bacteriën. Lipiden, waaronder cholesterol, worden ook in het serum getransporteerd, samen met diverse andere stoffen, waaronder voedingsstoffen, hormonen, metabolisch afval, plus externe stoffen, zoals geneesmiddelen, virussen en bacteriën.
Menselijk serumalbumine is het eiwit dat het meest voorkomt in menselijk bloedplasma en wordt gesynthetiseerd in de lever. Albumine, dat ongeveer de helft van het bloedserumeiwit uitmaakt, transporteert hormonen en vetzuren, buffert de pH, en handhaaft de osmotische druk. Immunoglobine is een eiwit-antilichaam dat in het slijmvlies wordt geproduceerd en een belangrijke rol speelt in de antilichaam-gemedieerde immuniteit.
Bloedtypes gerelateerd aan eiwitten op het oppervlak van de rode bloedcellen
Rode bloedcellen zijn omhuld met antigenen die bestaan uit glycolipiden en glycoproteïnen. De samenstelling van deze moleculen wordt bepaald door de genetica, die zich in de loop van de tijd heeft ontwikkeld. Bij de mens zijn de verschillende oppervlakte-antigenen gegroepeerd in 24 verschillende bloedgroepen met meer dan 100 verschillende antigenen op elke rode bloedcel. De twee bekendste bloedgroepen zijn het ABO-systeem (zie figuur 5) en het Rh-systeem. De oppervlakteantigenen in de ABO-bloedgroep zijn glycolipiden, antigeen A en antigeen B genoemd. Mensen met bloedgroep A hebben antigeen A, mensen met bloedgroep B hebben antigeen B, mensen met bloedgroep AB hebben beide antigenen, en mensen met bloedgroep O hebben geen van beide antigenen. In het bloedplasma bevinden zich antilichamen die agglutinougenen worden genoemd en die reageren met het A- of B-antigeen, als beide antigenen vermengd zijn. Wanneer bloedgroep A en bloedgroep B worden gecombineerd, treedt agglutinatie (klontering) van het bloed op als gevolg van antilichamen in het plasma die zich binden met het tegenovergestelde antigeen; dit veroorzaakt klonters die in de nieren stollen en nierfalen veroorzaken. Bloedgroep O heeft geen A- of B-antigenen, en daarom kan bloedgroep O aan alle bloedgroepen worden gegeven. Bloedgroep O negatief is de universele donor. Bloedgroep AB positief is de universele acceptor, omdat het zowel A- als B-antigeen heeft. De ABO-bloedgroepen werden in 1900 en 1901 ontdekt door Karl Landsteiner aan de universiteit van Wenen.
De Rh-bloedgroep werd voor het eerst ontdekt bij resusapen. De meeste mensen hebben het Rh-antigeen (Rh+) en hebben geen anti-Rh-antilichamen in hun bloed. De weinige mensen die het Rh-antigeen niet hebben en Rh- zijn, kunnen anti-Rh-antilichamen ontwikkelen als ze worden blootgesteld aan Rh+ bloed. Dit kan gebeuren na een bloedtransfusie of nadat een Rh-vrouw een Rh+-baby heeft gekregen. De eerste blootstelling veroorzaakt meestal geen reactie; bij de tweede blootstelling hebben zich echter voldoende antilichamen in het bloed opgebouwd om een reactie te veroorzaken die agglutinatie en afbraak van rode bloedcellen veroorzaakt. Een injectie kan deze reactie voorkomen.
Figuur 5. Menselijke rode bloedcellen kunnen ofwel glycoproteïnen van type A of type B aan hun oppervlak hebben, ofwel beide glycoproteïnen gecombineerd (AB), ofwel geen van beide (O). De glycoproteïnen dienen als antigenen en kunnen een immuunrespons opwekken bij iemand die een transfusie ontvangt die onbekende antigenen bevat. Bloedgroep O, dat geen A- of B-antigenen heeft, wekt geen immuunreactie op wanneer het wordt ingespoten bij een persoon van welke bloedgroep dan ook. O wordt dus beschouwd als de universele donor. Personen met bloedgroep AB kunnen bloed van elke bloedgroep accepteren, en bloedgroep AB wordt beschouwd als de universele acceptor.
Speel een bloedtypingspel op de Nobelprijs-website om uw begrip van bloedtypen te vergroten.
In samenvatting: Structuur en functie van bloed
Rode bloedcellen zijn gespecialiseerde cellen die hemoglobine bevatten en door het lichaam circuleren en zuurstof aan de cellen leveren. Witte bloedcellen zijn betrokken bij de immuunrespons om binnendringende bacteriën, virussen en andere vreemde organismen te identificeren en aan te pakken; zij recyclen ook afvalbestanddelen, zoals oude rode bloedcellen.
Plaatjes en bloedstollingsfactoren veroorzaken de verandering van het oplosbare eiwit fibrinogeen in het onoplosbare eiwit fibrine op een wondplaats, waardoor een prop wordt gevormd. Plasma bestaat voor 90 procent uit water met daarnaast verschillende stoffen, zoals stollingsfactoren en antilichamen. Het serum is de plasmacomponent van het bloed zonder de stollingsfactoren.
Check Your Understanding
Beantwoord de onderstaande vraag (vragen) om te zien hoe goed je de onderwerpen uit het vorige deel begrijpt. Deze korte quiz telt niet mee voor je cijfer en je kunt hem een onbeperkt aantal keren overdoen.
Gebruik deze quiz om je begrip te toetsen en te beslissen of je (1) de vorige paragraaf verder wilt bestuderen of (2) verder wilt gaan met de volgende paragraaf.