Bau und Bildung der Erythrozyten, Erythropoietin
Wie reife Erythrozyten gebaut sind und Energie gewinnen, wie sie aus Stammzellen im Knochenmark entstehen und wie die Niere ihre Bildung über Erythropoietin steuert.
Das Wichtigste in Kürze
- Die Erythropoese ist die Bildung roter Blutkörperchen im roten Knochenmark, gesteuert durch das Hormon Erythropoietin.
- Erythrozyten stellen die Hauptmasse der Blutzellen, die größten Blutzellen sind aber die Monozyten. Der Hämatokrit ist der Volumenanteil der Erythrozyten am Blut.
- Reife Erythrozyten haben keinen Zellkern und keine Mitochondrien. Sie gewinnen ATP nur über anaerobe Glykolyse bis zum Lactat.
- Alle Blutzellen stammen von der pluripotenten hämatopoetischen Stammzelle. Erythrozyten entstehen über die myeloische Progenitorzelle, die lymphatische Reihe ist nicht beteiligt.
- Die Reifung verläuft über Erythroblast und Retikulozyt zum kernlosen Erythrozyten. Der Kern wird dabei ausgestoßen.
- EPO ist ein Glykoprotein mit membranständigem Rezeptor. Es wird beim Erwachsenen vor allem in der Niere gebildet, wenn dort der Sauerstoffpartialdruck sinkt.
Worum es geht
Erythrozyten transportieren Sauerstoff und machen den größten Teil der Blutzellen aus. Ihr Bau, ihre Bildung im Knochenmark und deren Steuerung durch das Nierenhormon Erythropoietin bilden die Grundlage, um Anämien zu verstehen. In der Pharmazie begegnet dir das Hormon als rekombinantes Epoetin bei Niereninsuffizienz.
Erythrozyten im Blut
Blut besteht aus dem flüssigen Blutplasma und den Blutzellen. Unter diesen Zellen stellen die Erythrozyten mit Abstand die Hauptmasse. Auf einen Leukozyten kommen rund tausend rote Blutkörperchen.
Zahlreich heißt aber nicht groß. Ein Erythrozyt ist eine bikonkave Scheibe mit etwa 7,5 µm Durchmesser und etwa 2 µm Dicke. Die Form vergrößert die Oberfläche für den Gasaustausch und macht die Zelle verformbar. So passt sie durch Kapillaren, die enger sind als sie selbst.
| Blutzelle | Durchmesser (ca.) | Einordnung |
|---|---|---|
| Thrombozyt | 2–4 µm | kleiner als Erythrozyten |
| Erythrozyt | 7,5 µm | häufigste Blutzelle |
| Monozyt | 12–20 µm | größte Blutzelle |
Die größten Blutzellen sind also die Monozyten, eine Form der Leukozyten. Wie viel Raum die Erythrozyten im Blut einnehmen, beschreibt eine eigene Messgröße.
Der Hämatokrit ist der Volumenanteil der Erythrozyten am gesamten Blutvolumen. Beim Erwachsenen liegt er bei etwa 40 bis 45 %, bei Männern etwas höher als bei Frauen.
Man bestimmt ihn, indem man ungerinnbar gemachtes Blut zentrifugiert. Die schweren Erythrozyten setzen sich unten ab, das Plasma steht darüber.
Bau reifer Erythrozyten
Ein reifer Erythrozyt ist im Grunde ein Beutel voll Hämoglobin. Er besitzt keinen Zellkern und auch keine Mitochondrien. Ribosomen und endoplasmatisches Retikulum fehlen ebenfalls. Der frei gewordene Platz steht ganz dem Sauerstofftransport zur Verfügung.
Ohne Mitochondrien gibt es keinen Citratzyklus und keine Atmungskette. Der Erythrozyt gewinnt sein ATP deshalb ausschließlich durch anaerobe Glykolyse. Glucose wird dabei nur bis zum Lactat abgebaut, ein oxidativer Abbau findet nicht statt. Das hat einen Vorteil: Die Zelle verbraucht den Sauerstoff nicht, den sie transportiert.
Ohne Kern kann der Erythrozyt auch keine neuen Proteine herstellen. Er kann sich nicht teilen und beschädigte Bestandteile nicht ersetzen. Nach etwa 120 Tagen wird er deshalb abgebaut und muss ständig nachgebildet werden.
Hämatopoese
Die Bildung aller Blutzellen heißt Hämatopoese. Am Anfang steht die pluripotente hämatopoetische Stammzelle. Sie kann sich selbst erneuern und zugleich in jede Art von Blutzelle ausdifferenzieren. Alle Blutzellen der Säugetiere gehen auf sie zurück, die Erythrozyten ebenso wie die Thrombozyten und die Leukozyten.
Man kann sich die Hämatopoese wie einen Stammbaum vorstellen. Schon früh teilt er sich in zwei Äste mit je einer eigenen Progenitorzelle.
Aus der myeloischen Progenitorzelle entstehen Erythrozyten, Thrombozyten über Megakaryozyten, Granulozyten, Monozyten und Mastzellen.
Aus der lymphatischen Progenitorzelle entstehen B-Lymphozyten, T-Lymphozyten und NK-Zellen.
Erythrozyten gehören also eindeutig zur myeloischen Reihe. Die lymphatische Vorläuferzelle ist an ihrer Bildung nicht beteiligt. Wie Thrombozyten und Granulozyten im Einzelnen reifen, behandeln die Einheiten zur Hämostase und zu den Leukozyten.
Bildungsort ist beim Erwachsenen das rote Knochenmark. Es findet sich vor allem in platten Knochen wie Becken, Brustbein und Rippen sowie in den Wirbelkörpern. Beim Fetus übernehmen zeitweise Leber und Milz die Blutbildung.
Reifungsstufen
Die Bildung der roten Blutkörperchen heißt Erythropoese (auch Erythropoiese). Sie führt in festen Stufen von der myeloischen Progenitorzelle zum fertigen Erythrozyten. Dabei werden die Zellen kleiner, bilden immer mehr Hämoglobin und geben schließlich ihren Kern ab.
- Myeloische Progenitorzelle: Sie ist auf die myeloische Reihe festgelegt und reagiert auf Erythropoietin.
- Erythroblast: Die Zelle füllt sich mit Hämoglobin. Ihr Kern verdichtet sich und schrumpft.
- Kernausstoßung: Der Erythroblast stößt seinen Kern aus und verliert seine Organellen.
- Retikulozyt: Die junge, kernlose Zelle verlässt das Knochenmark und reift ein bis zwei Tage im Blut.
- Erythrozyt: Die reife Zelle ist kernlos und frei von Organellen.
Der Retikulozyt hat seinen Namen von einem Netz (lat. reticulum) aus restlicher ribosomaler RNA. Dieses Netz lässt sich mit Spezialfärbungen sichtbar machen. Retikulozyten machen normalerweise etwa 1 % der roten Blutzellen aus.
Mehr Retikulozyten im Blut zeigen eine gesteigerte Erythropoese an, etwa nach Blutverlust oder unter Epoetin-Therapie.
Erythropoietin
Damit immer genug Erythrozyten nachkommen, braucht das Knochenmark ein Signal. Dieses Signal ist das Hormon Erythropoietin, kurz EPO. Erstaunlich ist sein Bildungsort: Es entsteht nicht dort, wo es wirkt.
Bildungsort
Beim Erwachsenen bilden zu etwa 90 % die Nieren das EPO. Zuständig sind spezialisierte Fibroblasten im Interstitium der Nierenrinde, die um die Tubuli liegen (zum Aufbau siehe Nephron). Den Rest liefert die Leber. Beim Fetus ist die Leber noch der Hauptbildungsort, nach der Geburt übernimmt die Niere.
Der Bildungsort von Erythropoietin wird im Examen gerne gefragt: Beim Erwachsenen ist es hauptsächlich die Niere. Das Knochenmark ist nur der Wirkort. Die Leber bildet nur einen kleinen Teil, die Milz und unreife Erythrozyten bilden kein EPO.
Chemische Natur und Wirkung
EPO ist ein Glykoprotein, also ein Protein mit Zuckerresten. Anders als ein Steroidhormon ist es hydrophil und kann nicht durch die Zellmembran diffundieren. Es wirkt deshalb über membranständige Rezeptoren auf den erythroiden Vorläuferzellen im Knochenmark (zu Hormontypen siehe Grundprinzipien hormonaler Regulation). Dort fördert es die Teilung der Vorläufer und schützt sie vor dem programmierten Zelltod.
Sauerstoffmangel als Stimulus
Der Hauptreiz für mehr EPO ist ein sinkender Sauerstoffpartialdruck in der Niere, also eine Hypoxie. Auch dieser Zusammenhang wird im Examen gerne gefragt. Entscheidend ist der lokale \(p_{\mathrm{O_2}}\) im Nierengewebe, nicht die Erythrozytenzahl selbst. Molekular steckt der Transkriptionsfaktor HIF (hypoxia-inducible factor) dahinter. Bei normalem Sauerstoffangebot wird er laufend abgebaut. Bei Sauerstoffmangel bleibt er stabil und schaltet das EPO-Gen an.
Die Niere arbeitet damit wie ein Thermostat, der statt der Temperatur den Sauerstoff misst. Es entsteht ein negativer Regelkreis:
- Auslöser: Der \(p_{\mathrm{O_2}}\) in der Niere sinkt, etwa durch Anämie, Blutverlust oder Aufenthalt in großer Höhe.
- Messung: HIF wird stabilisiert, die Nierenfibroblasten schütten mehr EPO ins Blut aus.
- Wirkung: EPO erreicht das Knochenmark und steigert dort die Erythropoese.
- Ergebnis: Mehr Erythrozyten transportieren mehr Sauerstoff, der \(p_{\mathrm{O_2}}\) steigt.
- Rückkopplung: Der steigende Sauerstoffpartialdruck drosselt die EPO-Bildung wieder.
So erklärt sich, warum Sauerstoffmangel insgesamt die Bildung von Erythrozyten fördert. Höhentraining nutzt genau diesen Effekt. Umgekehrt fehlt bei geschädigten Nieren das EPO, und es entsteht eine renale Anämie.
Rekombinantes Erythropoietin wie Epoetin alfa oder Darbepoetin alfa wird bei renaler Anämie subkutan oder intravenös gegeben. Als Protein wäre es oral unwirksam, weil es im Magen-Darm-Trakt verdaut würde.
Quiz
Aussage 1
Erythrozyten entstehen über die lymphatische Progenitorzelle.
Erythrozyten gehören zur myeloischen Reihe. Aus der lymphatischen Progenitorzelle gehen B-, T- und NK-Zellen hervor.
Aussage 2
Unter den Blutzellen sind die Erythrozyten zugleich die häufigsten und die größten Zellen.
Erythrozyten sind die häufigsten Blutzellen, mit etwa 7,5 µm aber nicht die größten. Monozyten sind mit 12–20 µm deutlich größer.
Aussage 3
Beim Erwachsenen wird Erythropoietin überwiegend in der Leber gebildet.
Hauptbildungsort beim Erwachsenen ist mit etwa 90 % die Niere. Die Leber ist nur beim Fetus der Hauptbildungsort.
Aussage 4
Erythropoietin ist ein Glykoprotein und wirkt über Rezeptoren in der Zellmembran seiner Zielzellen.
Als hydrophiles Glykoprotein kann EPO die Membran nicht durchdringen und bindet daher an membranständige Rezeptoren der erythroiden Vorläufer.
Aussage 5
Ein Abfall des Sauerstoffpartialdrucks im Nierengewebe steigert die Ausschüttung von Erythropoietin.
Bei Hypoxie wird HIF stabilisiert und schaltet das EPO-Gen an. Mehr EPO steigert die Erythropoese im Knochenmark.
Aussage 6
Der Retikulozyt besitzt noch einen Zellkern, den er erst im Blut verliert.
Der Kern wird bereits auf der Stufe des Erythroblasten ausgestoßen. Der Retikulozyt ist kernlos und enthält nur noch ein Netz aus restlicher RNA.
Aussage 7
Erythrozyten und Thrombozyten gehen beide auf die pluripotente hämatopoetische Stammzelle zurück.
Alle Blutzellen stammen von dieser Stammzelle ab. Beide gehören zur myeloischen Reihe.
Aussage 8
Reife Erythrozyten decken ihren ATP-Bedarf ausschließlich durch anaerobe Glykolyse.
Ihnen fehlen Mitochondrien, daher sind Citratzyklus und Atmungskette nicht möglich. Glucose wird nur bis zum Lactat abgebaut.
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