Blut und Blutgerinnung DI Dr. Viktoria Weber
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Blut und Blutgerinnung 1 DI Dr. Viktoria Weber Zentrum für Biomedizinische Technologie Department für Klinische Medizin und Biotechnologie Donau-Universität Krems Dr. Karl Dorrekstraße 30 A-3500 Krems Tel. 02732 893 2632 [email protected] 2 Vorlesungsunterlagen Slides Papers (Review-Artikel) Bücher Internet 3 Information im Internet • www.laborlexikon.de • www.wikipedia.de • www.pbs.org/wnet.redgold/ (Red gold – the epic story of blood) 4 Literatur • Physiologische Chemie Löffler, Petrides, Springer Verlag • Physiologie des Menschen Schmidt, Thews (Hrsg), Springer Verlag • Biochemie Stryer, Spektrum Verlag • Immunology – A Short Course Benjamini, Coico, Sunshine; Wiley-Liss • Das Gerinnungskompendium (recht „klinisch“) Barthels, Depka, Thieme Verlag • Hemostasis and Thrombosis (für Ehrgeizige) Colman et al. (Hrsg) Lippincot, Williams&Wilkins 5 Prüfung • mündlich • Termine nach Vereinbarung • Vorstellung von Reviews (alternativ) 6 Bitte Evaluierungsbögen ausfüllen!!! 7 INHALT (I) Bestandteile und Funktionen des Blutes (II) Blutgerinnung und Fibrinolyse (III) Regulation der Blutgerinnung (IV) Wechselwirkung von Gerinnung und Entzündung (V) Antikoagulation und Methoden der Blutreinigung 8 I Bestandteile und Funktionen des Blutes 9 70-80 mL Blut/kg Körpergewicht 5-6 L Blut 10 Begriffe Plasma: flüssige (nicht-zelluläre) Blutbestandteile Serum: Plasma ohne Gerinnungsfaktoren 11 Flüssigkeitsräume des Körpers 12 Funktionen des Blutes •Milieu •Schutz • Transport -Homöostase -Blutverlust – Atemgase -Immunabwehr – Nährstoffe – Metaboliten – Wirkstoffe – Wärme 13 Zusammensetzung ca.44% Zellen rote Blutkörperchen weiße Blutkörperchen Plättchen Erythrocyten Leukocyten Thrombocyten ca.56% Plasma 14 Hämatokrit Erythrozytenanteil des Blutes Männer Frauen 40-54 % 37-47 % 15 Zelluläre Blutbestandteile 16 Blutbild Zählung der zellulären Blutbestandteile 17 Blutausstrich Neutrophiler Granulozyt Lymphozyt Plättchen Erythrozyt Eosinophiler Granulozyt 18 Zellen des menschlichen Blutes Bezeichnung Anzahl je µl Blut Erythrozyten 4,5 bis 5,5 Mio. Leukozyten 4.000–11.000 Granulozyten Neutrophile 2.500–7.500 Eosinophile 40–400 Basophile 10–100 Lymphozyten 1.500–3.500 Monozyten 200–800 Thrombozyten 300.000 19 Kleines Blutbild Abkürzung Leukos Parameter Leukozyten Hb Hämoglobinkonzentration Hk Hämatokrit Ery Erythrozyten MCH mittleres corpuskuläres Hämoglobin MCV mittleres corpuskuläres Volumen MCHC Thrombos MPV mittlere corpuskuläre HbKonzentration Thrombozyten mittleres Thrombozyten-Volumen Frauen Männer 4.000-10.000 /µl 12-16 g/dl 14-18 g/dl 37-47% 40-54% 4,3-5,2 Mio/µl 4,8-5,9 Mio/µl 28-34 pg 78-94 fl 30-36 g/dl 150.000-400.000 /µl 7-12 fl 20 Großes Blutbild relativ in [%] der Leukozytenzahl absolut in [1/µl] Neutrophile Granulozyten, stabkernig 3-5 150-400 Neutrophile Granulozyten, segmentkernig 50-70 3000-5800 Eosinophile Granulozyten 1-4 50-250 Basophile Granulozyten 0-1 15-50 Monozyten 3-7 285-500 25-45 1500-3000 Lymphozyten 21 Erythrozyten scheibenförmig verformbar 2µm dick (Mitte 1 µm) 7.5 µm Durchmesser kein Zellkern – keine Zellen im eigentlichen Sinn Gesamtoberfläche ca. 4000 m² 22 23 Erythropoese • • • • • im Knochenmark Stimulation durch Erythropoetin 7d Bildungsdauer 100-120 d Zirkulation im Blut Phagozytose im Knochenmark • Störungen -> Anämie 24 Erythropoese mesenchymale Stammzelle (pluripotent) erythropoetin responsive cell (unipotent) Proerythroblast Erythroblast Normoblast (noch Zellkern) Reticulozyt (kein Zellkern mehr, noch Reste von Organellen) Erythrozyt 25 Neubildung 1.6 x 108 2.3 x 1011 pro min pro Tag 26 Regulation: Erythropoetin (EPO) • Hormon, stimuliert die Erythropoese • Glykoprotein (40% Glykananteil) • Synthese: 85-90% Nieren, 10-15% Leber 27 Gehalt an Sialinsäuren (N-AcetylNeuraminsäuren) beeinflusst HWZ 28 EPO und Erythropoese 29 EPO als Therapeutikum Renale Anämie Tumoranämie Chemotherapie 30 EPO-Präparate rekombinant hergestelltes Erythropoetin • Amgen 1989 Epogen, Epoetin α • Expression in CHO- bzw BHK-Zellen unterschiedliches Glykosylierungsmuster 31 Weiterentwicklungen • Amgen 2001 Aranesp (Darbepoetin) •Gentechnisch verändertes Erythropoetin •höher glykosyliert •Längere Serumhalbwertszeit • Hoffmann-La Roche CERA •EPO-Molekül verknüpft mit Polyethylenglykol •Weitere Erhöhung der HWZ 32 EPO und Doping • Steigerung der Leistungsfähigkeit • den Zellen steht mehr Sauerstoff zur Verfügung • Schätzungen: ca. 500.000 Fälle pro Jahr • jährlich produzierte Menge übersteigt den therapeutischen Bedarf um das 56fache 33 EPO und Doping Nachweis an Hand des Glykosylierungsmusters unterschiedlicher Acetylierungsgrad der terminalen NAcetylneuraminsäuren unterschiedlicher isoelektrischer Punkt 34 EPO und Doping Problem: rekombinantes EPO wird innerhalb weniger Tage abgebaut, Wirkung dauert aber länger Nachweisverfahren mittels Verlaufskontrolle verschiedener Blutparameter (Hämatokrit, Reticulozyten, Makrophagen) 35 Stoffwechsel der Erythrozyten Energiegewinnung aus Glukose Glukose-6-P • ca. 5-10% Pentosephosphatweg (NADPH) • ca. 90-95 % Glykolyse (ATP) Nebenweg zur Bildung von 2,3-Biphospoglycerat 2,3-BPG dient als Signalmetabolit und beeinflusst die Sauerstoff-Affinität 36 ATP • Aktiver Ionentransport (Na-Elimination, K-Akkumulation) • Biosynthese von Glutathion (dient der Entgiftung von Peroxiden) 37 Funktion der Erythrozyten ? 38 Aerob lässt sich aus Glukose 18mal mehr Energie gewinnen als anaerob Vertebraten: Kreislauf Sauerstoff-transportierende Moleküle Hämoglobin Myoglobin 39 Hämoglobin • 90% des Trockengewichtes der Erythrozyten • ca. 800 g im „Durchschnittserwachsenen“ • 4 Untereinheiten, 4 Hämgruppen mit je 1 Fe2+ • jede Hämgruppe bindet 1 O2 40 Hämoglobin 41 Max Perutz 1914-2002 1962 Nobelpreis Chemie mit John Kendrew Strukturanalyse von Hämoglobin Laboratory of Molecular Biology, Cambridge 42 43 Hämoglobin Prototyp eines regulierten Proteins 44 Häm prosthetische Gruppe Protoporphyrin IX Fe2+ koordinativ an 4 Stickstoff-Atome (Häm-Ebene) zusätzlich Bindung an einen Histidinrest und an 02 („proximales Histidin“ normal auf Häm-Ebene) Mr Hämoglobin 64500 45 Proteinanteil 4 Polypeptidketten α2β2 Hämoglobin A (adult) α2δ2 Hämoglobin A2 ζ2ε2 α2γ2 fetales Hämoglobin 46 Oxigenation – Oxidation • Hb + 4 O2 • Fe2+ Hb(O2)4 Fe3+ Oxigenation Oxidation Hämiglobin, Methämoglobin 47 Sauerstoff-Bindung 1 mol Hb 64500 g Hb 1 g Hb 4 mol O2 4 x 22.4 Liter O2 1.39 mL O2 1.34 mL O2 (gemesssen) Hüfner-Zahl 48 Rolle des Proteinanteils im Hämoglobin? 49 Picket Fence Photo und Scan Literatur James Collman 50 • Fe2+ wird durch O2 rasch zu Fe3+ oxidiert • Ferrohäm zu Ferrihäm • Ferrihäm kann keinen Sauerstoff transportieren • Ferrihämoglobin (Methämoglobin) Zwischenschritt: Sandwich mit O2 zwischen 2 Hämgruppen Bildung der Zwischenstufe durch „picket fence“ verhindert 51 Methämoglobin • bindet O2, kann ihn aber nicht mehr abgeben • Vergiftungen durch Nitrite, Anilin, Nitrobenzen • Glutathion im Erythrozyten schützt vor Oxidation 52 CO-Bindung • CO bindet Ferrohämoglobin • hemmt Sauerstofftransport • isoliertes Häm bindet CO 25.000mal stärker als O2 • Häm in Hämoglobin bindet CO 200 mal stärker als O2 53 distales Histidin verhindert lineare Anlagerung von CO CO entsteht auch endogen ca. 1% der Bindungsstellen bei Rauchern: bis zu 20% !!! 54 Allosterie α− und β-Untereinheiten – gleicher „Bauplan“ wie Myoglobin • durch Tetramer-Bildung neue Eigenschaften • Hämoglobin transportiert O2, H+ und CO2 55 • Bindung von O2 begünstigt Bindung von weiterem O2: Kooperativität • Affinität von Hämoglobin zu O2 ist pHabhängig • Affinität des Hämoglobins zu O2 wird auch von CO2 und 2,3-Diphosphoglycerat reguliert 56 O2-Bindungskurve pO2 in den Muskeln 57 pO2 in der Lunge 58 98.5% des Sauerstoffes im Blut sind an Hämoglobin gebunden Sauerstoff-Sättigung: Oxygeniertes Blut: Desoxygeniertes Blut: 96-97% 75% 59 Sauerstoff-Affinität hängt ab von • • • • Temperatur pH-Wert CO2 2,3 BPG 60 Bohr-Effekt saures Milieu und höhere CO2-Konzentration begünstigen die Sauerstoff-Abgabe von Hämoglobin Gewebe mit intensivem Stoffwechsel (kontrahierender Muskel) 61 2,3-Biphosphoglycerat entsteht über Nebenweg der Glykolyse senkt die Sauerstoff-Affinität von Desoxyhämoglobin und fördert Sauerstoff-Freisetzung damit kann O2 in den Kapillaren abgegeben werden 62 Fetales Hämoglobin α2β2 α2γ2 Hämoglobin A fetales Hämoglobin fetales Hämoglobin bindet O2 stärker als Hämoglobin A Grund: geringere Affinität für 2,3-BPG 63 Rolle von Hämoglobin beim CO2-Transport CO2 20x besser löslich als O2 dies reicht für diffusiven Abtransport von CO2 jedoch nicht aus CO2 + H2O H2CO3 HCO3-+ H+ Hydratisierung durch Carboanhydratase Hämoglobin nimmt bei Sauerstoffabgabe die beim CO2-Transport entstehenden Protonen im Gewebe auf und gibt sie in der Lunge wieder ab 64 • durch Wirkung der Carboanhydratase steigt [HCO3-] in den Erythrozyten • es entsteht ein Konzentrationsgefälle ins Plasma • HCO3- strömt aus, Cl- dafür ein • „Chloridverschiebung“ 65 66 Hämoglobinabbau in Milz und Leber Hauptprodukt des Häm-Abbaus: Bilirubin unkonjugiertes Bilirubin wasserunlöslich, aber gut fettlöslich Transportmolekül Albumin konjugiertes Bilirubin UDP-Glucuronyltransferase wasserlöslich, Ausscheidung über Galle und Darm 67 Anämie griech. αναιµοσ, „blutlos“ Verminderte Sauerstoff-Transportkapazität – Verminderung von Hämoglobin – Verminderung des Hämatokrits – Verminderung der Erythrozyten Gründe: Störung der Erythrozytenbildung oder verstärkter Abbau 68 Symptome allgemein: •Leistungsabfall, schnelle Ermüdbarkeit •Blässe •Kopfschmerzen, Schlaflosigkeit, •beschleunigte Atmung, erhöhte Herzfrequenz Anämie ist ein Symptom einer Grunderkrankung oder Fehlernährung! 69 Diagnose wichtigstes Hilfsmittel: Blutbild 70 Anzahl je µl Blut Bezeichnung Erythrozyten Frauen Männer 4,3 bis 5,2 Mio. 4,8 bis 5,9 Mio. MCH 28–34 pg mean corpuscular hemoglobin MCHC 30–36 g/dl mean corpuscular hemoglobin concentration MCV 78–94 fl mean corpuscular volume Retikulozyten Hämatokrit Ferritin 1 % der Erythrozyten 37–47 % 40–54 % 22–112 µg/l 34–310 µg/l Transferrin 212–360 mg/dl Vitamin B12 >300 ng/l Folsäure >2,5 ng/ml 71 Einteilung • Anämien durch Bildungsstörungen hyporegenerative Anämien • Anämien durch erhöhten Abbau regenerative Anämien 72 Hyporegenerative Anämien (I) • normochrom, normozytär – Zellen morphologisch normal renale Anämie (Erythropoietinsynthese vermindert) aplastische Anämie (sehr selten, Verlust der Stammzellen) 73 Hyporegenerative Anämien (II) • hyperchrom, makrozytär – Megaloblastäre Anämien Vitamin B12- oder Folsäuremangel; erforderlich für die DNASynthese, bei Mangel vergrößerte Zellen auf Grund fehlender Zellteilung 74 Zahl Price-Jones Kurve Größe (µm) 75 Hyporegenerative Anämien (III) • hypochrom, mikrozytär Eisenmangel oder schlechte Eisennutzung Chronischer Blutverlust bei weitem häufigste Form der Anämie (80%) 76 Regenerative Anämien (I) • durch akute oder chronische Blutungen – Blutungsanämien • durch hohe Zerstörung – Hämolytische Anämien 77 Regenerative Anämien (II) Blutungsanämien 3 Phasen i) hämodynamische Kompensation Mobilisation von Erythrozyten aus der Milz ii) plasmatische Kompensation Einstrom von Gewebsflüssigkeit Verdünnung des Blutes iii) zelluläre Kompensation Ausschüttung von Erythropoietin Bildung neuer Erythrozyten 78 Regenerative Anämien (III) Hämolytische Anämien Ursache innerhalb oder außerhalb des Erythrozyten Innerhalb: Defekt der Zellmembran, Defekte in der Hämoglobinsynthese (Hämoglobinopathien) Außerhalb: mechanische Zerstörung der Zellen (Herzklappen); Plasmodien (Malaria), Schlangen- und Spinnengifte 79 Hämoglobinopathien Sichelzellanämie Thalassämie 80 Sichelzellanämie • Austausch einer einzigen Aminosäure • (β-Kette: Glu ->Val) • Sichelzellhämoglobin in deoxygenierter Form schlecht löslich • Verformung der Erythrozyten durch Präzipitatbildung • besonders häufig in der schwarzen Bevölkerung (heterozygote Form: Schutz gegen Malaria) 81 Thalassämie • Biosynthese der Hämoglobinketten verlangsamt α- und β-Thalassämie 82 Leukozyten 7 µm (Lymphozyten) – 20 µm (Monozyten) Zellkern Lebensdauer: wenige Tage bis Monate amöboid beweglich können aus Blut in Gewebe einwandern 83 Zellen des menschlichen Blutes Bezeichnung Anzahl je µl Blut Erythrozyten 4,5 bis 5,5 Mio. Leukozyten 4.000–11.000 Granulozyten Neutrophile 2.500–7.500 Eosinophile 40–400 Basophile 10–100 Lymphozyten 1.500–3.500 Monozyten 200–800 Thrombozyten 300.000 84 Begriffe Leukozytose >10000/µl Leukopenie <4000/µl Leukozytose: bei entzündlichen Erkrankungen, Leukämie 85 Aufgabe Infektionsbekämpfung 86 • Granulozyten – Neutrophile (Phagozytose von Bakterien, Viren, Pilzen) – Eosinophile ( Parasitenabwehr) – Basophile (beteiligt an allergischen Reaktionen) • Lymphozyten – T- und B-Lymphozyten (Plasmazellen produzieren Antikörper) – NK-Zellen (natural killer cells) • Monozyten – wandern ins Gewebe und werden zu Makrophagen (große Fresser) Fresszellen für Bakterien und alte Körperzellen 87 Einteilung der Lymphozyten B-Lymphozyten Vorläufer der Plasmazellen im Blut Plasmazellen Spezialisierung auf Antikörperproduktion B-Gedächtniszellen langlebige B-Zellen mit einem Gedächtnis für spezielle Antigene T-Helferzellen aktivieren Plasmazellen und Killerzellen erkennen Antigene auf den Antigen präsentierenden Zellen T-Regulatorzellen bremsen die Immunantwort, hemmen die Funktion der B-Zellen und anderen TZellen T-Gedächtniszellen langlebige T-Zellen mit einem Gedächtnis für spezielle Antigene T-Killerzellen (zytotoxische T-Zellen) erkennen und zerstören von Viren befallene Körperzellen und Tumorzellen indem sie auf bestimmte Antigene der befallenen Zellen reagieren natürliche Killerzellen (NK) greifen unspezifisch Zellen an, die von Viren oder Tumoren befallen sind 88 Monozyten • Zirkulation im Blut 1-3 d wandern bei Infektionen ins Gewebe ein differenzieren sich zu Makrophagen aktivierte Monozyten besitzen Rezeptoren: CD14, CD86, CD16;TLR-2, TLR-4 Vermittlung von Entzündungsreaktionen 89 Monozyten über Rezeptoren: Erkennung von bakteriellen Zellwandkomponenten, Lipoprotein, Lipopolysaccharid „Pathogen-associated molecular patterns“ -> Signalweiterleitung -> Sekretion von Zytokinen, Phagozytose 90 91 Leukämie griech. Λευχηαιµια, „weißes Blut“ „Blutkrebs“, „Leukose“ Stark vermehrte Bildung von Leukozyten(vorstufen) Leukämiezellen breiten sich im Knochenmark aus Treten auch stark vermehrt im peripheren Blut auf Infiltration von Leber, Milz, Lymphknoten Mangel an Erythrozyten, Thrombozyten & funktionsfähigen Leukozyten 92 1845 Rudolf Virchow 93 Leukämie akute und chronische Form myeloische Leukämien: AML, CML ausgehend von Vorläuferzellen der Granulozyten, Erythrozyten, Thrombozyten lymphatische Leukämien: ALL, CLL ausgehend von Vorläuferzellen der Lymphozyten typische Altersverteilung (ALL bei Kindern am häufigsten) Ursachen noch nicht geklärt 94 95 Thrombozyten (Blutplättchen) Abschnürung von Megakaryozyten im Knochenmark (Thrombopoietin) 1.5-3 µm (kleinste Blut“zellen“) linsenförmig, im aktivierten Zustand Pseudopodien Lebensdauer 8 – 12 d 96 Thrombozyten wichtige Rolle in der Blutgerinnung während der Gerinnung: Aktivierung durch ADP, Kollagen, Prothrombin -> Ausstülpung von Pseudopodien (Oberflächenvergrößerung) -> Plättchenaggregation, Thrombusbildung 97 Plättchen im Blut Adhäsion & Aktivierung Aggregation 98 99 Thrombozyten • Plasmamembran enthält Thromboplastin (tissue factor) • tissue-factor haltige Mikropartikel schnüren sich ab und zirkulieren im Blut 100 Blutplasma Serum: Plasma ohne Gerinnungsfaktoren 101 Blutplasma • klare, strohgelbe Flüssigkeit • 90% Wasser • Proteine 60-80 g/l Albumin, Enzyme, Gerinnungsfaktoren, Immunglobuline,... • • • • Lipide Glucose Elektrolyte Organische Säuren 4,5-8,5 g/l 4,5-5,5 mmol/l 4-6 mmol/l Lactat, Pyruvat, Citrat 102 Elektrolyte Ion Konzentration Na+ 136 bis 146 mmol/l K+ 3,8 bis 5,2 mmol/l Ca2+ 2,3 bis 2,7 mmol/l Mg2+ 0,8 bis 1,2 mmol/l Cl− 96 bis 106 mmol/l HCO3− 24 bis 28 mmol/l PO43- 1,0 bis 1,4 mmol 103 pH • • • • pH-Wert 7.4 <7.37 Azidose >7.43 Alkalose Blutpuffersysteme: Kohlensäure-Hydrogencarbonatpuffer Hämoglobinpuffer Phosphatpuffer Proteinatpuffer 104 Plasmaproteine Albumin Globuline Trennung durch Elektrophorese bei pH 8.6: Plasmaproteine negativ geladen wandern zur Anode 105 Plasmaproteine Aufgaben Plasmavolumen Albumin Transport Albumin Blutgerinnung Fibrinogen, Prothrombin Fibrinolyse Plasminogen Infektionsabwehr γ-Globuline, Lysozym, C-reaktives Protein, Komplementfaktoren 106 Albumin wichtigstes Transportprotein nicht veresterte Fettsäuren Tryptophan verschiedene Medikamente Stoffwechselprodukte (zB Bilirubin) Kationen (Ca2+, Mg2+) 107 Die Blutgruppen 108 Die Blutgruppen verschiedene Systeme am wichtigsten: AB0-System Rhesus-System Karl Landsteiner 1901 Nobelpreis für Medizin 1930 109 Agglutination • Vermischung inkompatibler Blutgruppen führt zur Agglutination • Glykolipide auf Erythrozyten: Hämagglutinogene • Antikörper im Blut Hämagglutinine 110 Häufigkeit der Blutgruppen Häufigkeit weltweit Blutgruppe Rhesusfaktor Rh + Rh - A 34 % 6% 0 38 % 7% B 9% 2% AB 3 % 1% 111 AB0-System • 4 Blutgruppenantigene (A, B, AB und 0/H) auf Erythrozyten • Antikörper gegen Blutgruppensubstanzen werden im 1. Lj. Gebildet A B AB 0 antiB antiA keine antiB, antiA 112 Blutgruppe Antikörper im Serum Antigen auf Erythrozyten A+ anti-B Antigen A und das RH Antigen A- anti-B Antigen A B+ anti-A Antigen B und das Rh Antigen B- anti-A Antigen B AB+ keine Antikörper Antigen A, Antigen B und das Rh Antigen AB- keine Antiköper Antigen A und Antigen B O+ anti-A, anti-B Rh Antigen O- anti-A,anti-B keine Antigene 113 114 Rhesusfaktor • Rhesus-Antigen • etwa 17% der Europäer sind Rh- 115
