Die Biochemie des Blutes: Hämoglobin, Blutgruppen & Hämostase

Bild: “Haematopoese” von Produnis. Lizenz: CC BY-SA 3.0

Aufbau und Funktion des Hämoglobins

Rote Blutkörperchen, oder auch Erythrozyten genannt, haben einen Durchmesser von ca. 7-8 Mikrometer, weisen eine einfache Struktur auf und haben ihren Ursprung, wie alle anderen Blutkörperchen auch, in einer pluripotenten Knochenmarksstammzelle.

Die Hauptaufgabe der Erythrozyten ist der Transport von Sauerstoff.

Weil sie keinen Zellkern besitzen, haben sie die Möglichkeit, den gesamten Innenraum für den Sauerstofftransport zu nutzen. Einen weiteren Grund, warum die Erythrozyten hoch spezialisiert sind, ist die Tatsache, dass sie keine Mitochondrien haben und ihr ATP anaerob, d.h. ohne Sauerstoff, erzeugen und sie nichts von dem zu transportierenden Sauerstoff verbrauchen.

Ihre besondere Form als bikonkave Scheibe ermöglicht ihnen eine viel größere Oberfläche für die Diffusion von Gasmolekülen in die und aus den roten Blutkörperchen als beispielsweise eine Kugel. Des Weiteren ist die Form unverzichtbar für die Verformung der Erythrozyten bei der Strömung durch die engen Kapillaren.

Ungefähr 280 Millionen Hämoglobinmoleküle enthält jedes rote Blutkörperchen.

Aus folgenden Anteilen besteht ein Hämoglobinmolekül:

• Ein Proteinanteil- Globin, welches aus 4 Polypeptidketten besteht
• Aus Nicht- Protein- Pigment- das Häm, das an jedes der 4 Ketten gebunden ist
• Eisenion (Fe⁺ ), das sich im Zentrum des Hämrings befindet und sich reversibel mit Sauerstoff verbinden kann

Bild: “Hämoglobin” von OpenStax College. Lizenz: CC BY 3.0

Jedes aus den Lungen aufgenommene Sauerstoffmolekül wird an ein Eisenion angelagert. Die Eisen- Sauerstoff- Reaktion kehrt sich dabei um, während das Blut durch die Kapillaren fließt. Dabei setzt das Hämoglobin Sauerstoff frei, welches zuerst in die interstitielle Flüssigkeit und dann in die Zellen diffundiert.

Das Blut in den Kapillaren nimmt Kohlendioxid auf, von dem sich ein Teil mit den Aminosäuren des Hämoglobins verbindet. In der Lunge wird das Kohlendioxid vom Hämoglobin abgegeben und ausgeatmet.

Neben dem Sauerstoff- und Kohlendioxidtransport hat das Hämoglobin eine weitere wichtige Aufgabe: die Pufferung. In ähnlicher Weise wie Sauerstoff und Kohlendioxid werden auch Wasserstoffionen (H⁺) aufgenommen und abgegeben, um Änderungen des ph-Wertes im Blut zu dämpfen.

Neben den genannten Funktionen spielt Hämoglobin auch bei der Regulation von Blutfluss und Blutdruck eine Rolle. Am Hämoglobin bindet das gasförmige Hormon Stickoxid (NO). Hämoglobin setzt NO bei Senkung der Sauerstoffspannung frei, das zu einer Vasodilatation (eine Vergrößerung des Blutgefäßdurchmessers) führt. Dies hat zur Folge, dass sich der Blutfluss erhöht und die Sauerstoffabgabe an die Zellen in der Nähe des freigesetzten NO verbessert.

Lebenszyklus der Erythrozyten – Hämbiosynthese, Hämabbau und Eisenstoffwechsel

Erythrozyten haben eine Lebensdauer von ca. 120 Tagen, da ihre Plasmamembranen beim Durchqueren durch die engen Blutkapillaren verschleißen. Da rote Blutkörperchen keinen Zellkern und andere Organellen haben, können sie keine neuen Komponenten synthetisieren, um Beschädigte zu ersetzen. Steckenbleibende oder beschädigte Erythrozyten werden in der Milz und der Leber aus dem Kreislauf entfernt und abgebaut.

In den folgenden Schritten wird der Prozess der Abbauprodukte, die teilweise wiederverwertet oder ausgeschieden werden, erläutert:

1. Phagozytose

In der Milz, Leber und im roten Knochenmark phagozytieren Makrophagen beschädigte oder schlecht verformbare Erythrozyten.

2. Trennung

Aus dem Hämoglobin werden die Globin– und Hämbestandteile voneinander getrennt.

3. Zerlegung

In einzelne Aminosäuren wird Globin zerlegt, die für die Synthese anderer Proteine wiederverwendet werden können.

4. Transferrin

Als Fe³⁺ wird Eisen aus dem Häm freigesetzt und verbindet sich mit dem Fe³⁺– Transporter im Blut, dem Transferrin.

5. Ferritin

Fe³⁺ wird u.a. in den Muskelfasern, Milz und Leber vom Transferrin abgekoppelt und an das Eisenspeicherprotein Ferritin gekoppelt.

6. Freisetzung

Bei Absorption im GI- Trakt oder Freisetzung aus dem Speicher wird Fe³⁺ wieder an das Transferrin gekoppelt.

7. Knochenmark und Hämoglobinsynthese

In das rote Knochenmark wird der Fe³⁺– Transferrin- Komplex transportiert und für die Hämoglobinsynthese aufgenommen. Eisen, Globin und Vitamin B12 sind für die Hämoglobinsynthese notwendig.

8. Erythropoietin

Im Knochenmark werden mit Hilfe des Erythropoietin rote Blutkörperchen gebildet, die in den Blutkreislauf eintreten.

9. Entfernung des Nicht-Eisen-Anteils

Der Nicht-Eisen-Anteil der Hämgruppe wird erst zu Biliverdin und später zu Bilirubin, einem gelb-orangen Pigment umgewandelt.

10. Bilirubin

Über das Blut wird Bilirubin in die Leber transportiert.

11. Leber

Von den Leberzellen wird Bilirubin an die Gallenflüssigkeit abgegeben, das nach Ausschüttung in den Dünn- und Dickdarm gelangt.

12. Dickdarm

Mit Hilfe von Bakterien wird Bilirubin zu Urobilinogen im Dickdarm umgewandelt.

13. Ausscheidungsweg I

Ein Teil des Urobilinogen wird wieder zurück ins Blut aufgenommen, in der Niere in ein gelbes Pigment, das sogenannte Urobilin, umgewandelt und über den Urin ausgeschieden.

14. Ausscheidungsweg II

Über den Stuhl in Form von Stercobilin (braunes Pigment) wird das meiste Urobilinogen abgebaut, was dem Stuhl seine charakteristische Farbe gibt.

Bild: “Lebenszyklus der Erythrozyten” von OpenStax College. Lizenz: CC BY 3.0

Blutgruppen und Grundlagen der Transfusionsmedizin

Ein genetisch festgelegtes Sortiment an Antigenen, das sich aus Glykoproteinen und Glykolipiden zusammensetzt, befindet sich auf der Oberfläche der Erythrozyten. Diese Antigene, oder auch Agglutinogene genannt, kommen in unterschiedlichen charakteristischen Kombinationen vor, werden gemeinsam vererbt und bilden am Ende ein Blutgruppensystem. Innerhalb des Blutgruppensystems werden verschiedene Blutgruppen unterschieden, die sich durch An- und Abwesenheit der verschiedenen Antigene charakterisieren lassen.

Ca. 24 Blutgruppensysteme und mehr als 100 Antigene, die auf der Oberfläche der Erythrozyten festgestellt werden können, existieren. Das AB0- System gehört zu den bekanntesten Blutgruppensystemen.

AB0- System

Auf zwei Glykolipid- Antigen (A und B) beruht das AB0- System.

Bild: “Blutgruppen AB0-System” von Schneider00. Lizenz: Public domain

Antikörper, die mit den A- oder B-Antigenen reagieren können, findet man gewöhnlich im Blutplasma. Eine Person mit Blutgruppe B hat die bereits angesprochenen B-Antigene auf den Erythrozyten und anti-A-Antikörper im Blutplasma. Dagegen trägt eine Person der Blutgruppe 0 sowohl Anti-A als auch Anti-B-Antigene in seinem Blutplasma.

Antikörper tauchen bereits wenige Monate nach der Geburt im Blut auf, der Grund für ihre Existenz ist aber immer noch unklar. Sie werden wahrscheinlich als Reaktion auf Oberflächenantigene von Bakterien, die normalerweise im GI-Trakt leben, gebildet.

In den seltensten Fällen verursacht eine AB0-Inkompatibilität zwischen Mutter und Fetus Probleme, weil es sich bei den Antikörpern um große IgM-Antikörper handelt, die die Plazenta nicht durchqueren können.

Zur weiteren Differenzierung der Eigenschaften des Blutes existiert zudem das Rhesus-System, welches über 50 Merkmale umfasst. Von der Anwesenheit eines dieser Merkmale, welches mit dem Buchstaben D benannt ist, hängt es ab, ob die Blutgruppe als Rhesus-positiv = Rh⁺ (D) oder Rhesus-negativ = rh^– (d) bezeichnet wird.

Anti-D-Antikörper sind normalerweise nicht im Blutplasma enthalten. Bei einer Transfusion von Rh⁺ Blut, beginnt eine Person mit rh^– Blut allerdings die Bildung von Anti-D-Antikörper, die in Zukunft im Blut bleiben. Bei einer zweiten Transfusion von Rh+ Blut kann es aufgrund der früher gebildeten Anti-D-Antikörper zu einer Verklumpung (Agglutination) sowie zu einer Hämolyse der Erythrozyten führen und schwere Folgen bis hin zum Tod verursachen.

Transfusionen

Blut ist das am leichtesten zu „transplantierende“ Gewebe des Menschen, trotz der Unterschiede bei dem Erythrozyten-Antigen, das jedes Jahr mit Hilfe von Transfusionen viele Menschenleben rettet. Die Übertragung von Blut oder Blutkomponenten (nur Blutplasma oder Erytrozyten) in den Blutstrom oder in das rote Knochenmark charakterisiert die Transfusion.

Eine Transfusion wird u.a. bei folgenden Krankheitsbildern eingesetzt:

• Linderung einer Anämie
• Erhöhung des Blutvolumens (z.B. nach einem Trauma mit schweren Blutverlust)
• Verbesserung des Immunstatus

Probleme bei einer Transfusion

Transfusionen können jedoch auch schwerwiegende Antigen-Antikörper-Reaktionen beim Empfänger auslösen.

Bei einer inkompatiblen Bluttransfusion binden die Antikörper im Plasma des Empfängers an die Antigene auf die übertragenen Erythrozyten, was zu einer Agglutination der Erythrozyten führt. Agglutination ist eine Antigen-Antikörper-Reaktion, bei der die roten Blutkörperchen sich vernetzten bzw. verklumpen.

Die Formierung der Antigen-Antikörper-Komplexe aktivieren Plasmaproteine des Komplementsystems. Die Komplementmoleküle sorgen dafür, dass die Plasmamembran der übertragenden roten Blutkörperchen durchlässig wird und verursachen eine Hämolyse der Erythrozyten. Hämoglobin wird dabei ins Blutplasma freigesetzt, das zu Nierenschäden führen kann, indem es die Filtrationsmembranen verstopft. Die akute Immunantwort führt häufig zu einem lebensbedrohlichen anaphylaktischen Schock.

Bild: “Blood Compatibility” von InvictaHOG. Lizenz: Public domain

Erhält eine Person mit Blutgruppe „A“ eine Spende vom Typ „B“, so kann es zu einer lebensbedrohlichen Situation kommen.

Es können sich z.B. aber auch die Anti-A-Antikörper im Plasma des Spenders an die A-Antigene auf den Erythrozyten des Empfängers binden. Dies löst allerdings eine weniger schwerwiegende Reaktion aus, weil die Anti-A-Antikörper des Spenders im Plasma des Empfängers so stark verdünnt werden. Es bewirkt meistens keine Agglutination und Hämolyse der Empfänger-Erythrozyten.

Personen der Blutgruppe 0 werden als „Universalspender“ bezeichnet, weil sie weder Anti-A- noch Anti-B-Antigene auf ihren Erythrozyten haben und können theoretisch auf Personen mit allen anderen Blutgruppen übertragen werden.

Personen der Blutgruppe AB werden als „Universalempfänger“ bezeichnet, weil sie weder Anti-A noch Anti-B-Antikörper in ihrem Blutplasma haben und kompatibel mit allen vier Blutgruppen sind.

Bild: “Blutgruppenverteilung Weltweit” von Manuel Faux. Lizenz: Public domain

Hämostase – Die Blutstillung

Hämostase ist eine Folge von Reaktionen, die eine Blutung stoppen und bei Beschädigung oder Riss eines Blutgefäßes eine hämostatische Antwort auslösen, die eine Hämorrhagie (Verlust großer Mengen Blut aus den Gefäßen) verhindert.

Dabei unterscheidet man drei Schritte, die man in primärer und sekundärer Hämostase einteilen kann und fließend ineinander übergehen.

Primäre Hämostase (Blutpfropfbildung)

Zur primären Hämostase zählt man die Schritte der Gefäßreaktion und die Bildung eines Pfropfs aus Thrombozyten (Blutplättchen), die für eine Stillung der Blutung nach ca. 1 bis 3 Minuten sorgt.

Die in den Wänden der Arterien oder Arteriolen angeordneten glatten Muskeln kontrahieren bei einer Verletzung sofort und reduzieren den Blutverlust für mehrere Minuten oder sogar Stunden, währenddessen die anderen hämostatischen Mechanismen zu wirken beginnen. Man nennt diese Reaktion auch Vasokonstriktion (Gefäßkrampf).

Die Pfropfbildung aus einem Thrombozyten verläuft wie folgt:

1. Die Thrombozyten treten in Kontakt mit Teilen des geschädigten Blutgefäßes und kleben an diesen fest. Diesen Prozess bezeichnet man als Adhäsion.
2. Durch den Vorgang der Adhäsion werden die Thrombozyten aktiviert und bilden zahlreiche Fortsätze aus, über die sie miteinander in Kontakt treten, interagieren und den Inhalt ihrer Vesikel (ADP, Thromboxan A2 und Seretonin) freisetzen. Diese Phase bezeichnet man als Freisetzungsreaktion der Blutplättchen.
3. Das Freisetzen von ADP führt dazu, das andere Blutplättchen (frisch rekrutierte) in dem Areal klebrig werden und sich an die ursprünglich aktivierten Plättchen anheften. Man nennt dieses Ansammeln von Thrombozyten Blutplättchen-Aggregation. Aus dieser Ansammlung von Thrombozyten entsteht eine Masse, die man als Plättchenpfropf oder auch als weißer Thrombus bezeichnet.

Bild: “Aggregation von Thrombocyten (=Blutplättchen). Plättchenreiches menschliches Blutplasma (linkes Röhrchen) ist eine trübe Flüssigkeit. Durch Zugabe von ADP werden die Plättchen aktiviert, so dass sie sich zusammenballen und weiße Flocken bilden (rechtes Röhrchen). Am Boden beider Gefäße liegt ein magnetischer Rührstab.” von Steffen Dietzel. Lizenz: CC BY-SA 3.0

Im linken Röhrchen befindet sich eine trübe Flüssigkeit, menschliches Blutplasma. Durch Zugabe von ADP werden Thrombozyten aktiviert, sodass sich Pfropfen bzw. weiße Flocken bilden (rechtes Röhrchen).

Der weiße Thrombus verhindert sehr erfolgreich einen Blutverlust in einem kleinen Blutgefäß, jedoch stellt er meist keinen endgültigen Verschluss der Blutungsstelle dar.

Sekundäre Hämostase (Blutgerinnung)

Durch Blutgerinnung, oder auch Koagulation genannt, wird die endgültige Blutstillung erreicht. Der Vorgang der Koagulation ist eine Folge von chemischen Reaktionen, die in der Ausbildung der Fibrinfäden gipfelt.

Damit das Blut nicht zu leicht oder zu langsam gerinnt, erfordert die Blutgerinnung mehrere als Gerinnungsfaktoren bekannte Substanzen. Calciumionen, verschiedene inaktive Enzyme sowie mehrere mit den Thrombozyten assoziierten oder von den verletzten Geweben freigesetzten Moleküle gehören zu diesen Faktoren, die mit römischen Zahlen nummeriert sind.

Gerinnung ist eine sehr komplexe Kaskade von enzymatischen Reaktionen, die schließlich eine große Menge unlösliches Fibrin herstellt und in 3 Phasen eingeteilt werden kann:

1. Zwei Wege – der extrinsische und intrinsische Weg –, die zur Bildung des Prothrombinaktivatorkomplexes führen
2. Der Prothrombinaktivatorkomplex wandelt das Prothrombin in das Enzym Thrombin um.
3. Thrombin wandelt lösliches Fibrinogen in das unlösliche Fibrin um, das die Fäden des Gerinnsels bilden.

Der extrinsische Weg

Der extrinsische Weg erfolgt sehr schnell innerhalb weniger Sekunden nach einer ernsthaften Verletzung. Auf ein Gewebeprotein (Gewebefaktor) bezieht sich die Bezeichnung, der von den Zellen außerhalb der Blutgefäße ins Blut gelangt und die Bildung des Prothrombinaktivatorkomplexes anregt.

Der Gewebefaktor oder auch als TF, Tissue Factor oder Gewebsthromboplastin bekannt, ist der entscheidende Trigger für die Auslösung der Blutgerinnung im Organismus, da er an der Oberfläche der verletzten Zelle freigesetzt wird. Nach der Aktivierung des Gerinnungsfaktor X vereinigt er sich in Gegenwart von Ca²⁺ mit den Gerinnungsfaktor V zu den aktiven Prothrombinaktivatorkomplex.

Der intrinsische Weg

Der intrinsische Weg der Blutgerinnung ist etwas komplexer als der extrinsische und dauert etwas länger, meist mehrere Minuten.

Wenn Endothelzellen beschädigt werden, kann das Blut mit Kollagenfasern des Bindegewebes rund um das Endothel der Blutgefäße in Kontakt kommen. Außerdem führt eine Verletzung der Endothelzellen zu beschädigten Thrombozyten, die daraufhin Phospholipide freisetzen. Der Gerinnungsfaktor XII wird durch den Kontakt mit den Kollagenfasern aktiviert, was eine Folge von Reaktionen auslöst und schließlich zur Aktivierung von Faktor X führen. Ebenso wie beim extrinsischen Faktor, verbinden sich der Faktor X mit dem Faktor V zu dem aktiven Prothrombinaktivatorkomplex.

Die Umwandlung zu Thrombin und Entstehung der Fibrinfäden

Den Anfang des gemeinsamen Wegs der Blutgerinnung stellt die Bildung des Prothrombinaktivatorkomplexes dar. Danach katalysiert der Prothrombinaktivatorkomplex in Gegenwart von Ca²⁺ die Umwandlung von Prothrombin in Thrombin. Anschließend wandelt Thrombin mit Hilfe von Ca²⁺ das lösliche Fibrinogen in lockere, aber unlösliche Fibrinfäden um.

Der Faktor XIII, der die Fibrinfäden verstärkt und zu einem festen Gerinnsel stabilisiert, wird auch durch Thrombin aktiviert.

Das Zusammenziehen des Gerinnsels

Das Zusammenziehen des Gerinnsels wird auch Konsolidierung oder Verfestigung des Fibringerinnsels bezeichnet. Die verbundenen Fibrinfäden kontrahieren sich schrittweise an der verletzten Oberfläche des Blutgefäßes, wenn Thrombozyten an ihnen ziehen bis zum Zusammenschluss der Enden des verletzten Gefäßes.

Von einer adäquaten Anzahl an Thrombozyten im Gerinnsel ist ein normales Zusammenziehen abhängig, weil diese Gerinnungsfaktoren XIII und andere Faktoren freisetzen, die das Gerinnsel verstärken und stabilisieren.

Durch Wundheilung erfolgt eine dauerhafte Reparatur des Blutgefäßes, die nach der endgültigen Blutstillung erfolgt und Fibroblasten bilden neues Bindegewebe in dem verletzten Bereich sowie neue Epithelzellen, die die Gefäßauskleidung reparieren.

Bild: “Blood Clotting” von OpenStax College. Lizenz: CC BY 3.0 Die linke Grafik wurde entfernt.

Beliebte Prüfungsfragen zur Biochemie des Blutes 

Die Lösungen befinden sich unterhalb der Quellenangaben.

1. Eine Person der Blutgruppe A rh^– kann von welcher der folgenden Blutgruppen eine Transfusion erhalten?

1. AB Rh⁺
2. 0 rh^–
3. B rh^–
4. AB rh^–
5. Rh ⁺

2. Was geschieht mit dem Eisen (Fe³⁺), das beim Abbau beschädigter Erythrozyten freigesetzt wird?

1. Es wird für die Proteinsynthese verwendet.
2. Es wird in die Leber transportiert, wo es Bestandteil der Galle wird.
3. Es wird von Bakterien im GI-Trakt zur Umwandlung von Bilirubin in Stercobilinogen verwendet.
4. Es wird an das Transferrin gebunden und ins Knochenmark transportiert, wo es für die Hämoglobin-Synthese verwendet wird.
5. Es wird in Urobilin umgewandelt und im Urin ausgeschieden.

3. Welcher der folgenden Stoffe ist für die Blutgerinnung nicht erforderlich?

1. Prostacyclin
2. Calcium
3. Fibrinogen
4. Vitamin K
5. Plasmin

Quellen

G.J. Tortora und B.H. Derrickson: Anatomie und Physiologie, Wiley- VCH Verlag

Schieber, Schmidt und Zilles: Anatomie, Springer Verlag

Rudolf Schweitzer: Hämatologie, Immunologie und Mikrobiologie, 2. Auflage, Urban & Fischer

Lösungen zu den Fragen: 1B, 2D, 3A

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