Forme et structure des érythrocytes

Lorsqu'un érythrocyte mûrit dans la moelle osseuse rouge, il expulse son noyau et la plupart de ses autres organites. Pendant le premier ou les deux premiers jours de sa circulation, un érythrocyte immature, connu sous le nom de réticulocyte, contient encore généralement des restes d'organites. Les réticulocytes devraient représenter environ 1 à 2 % du nombre d'érythrocytes et fournir une estimation approximative du taux de production de GR, des taux anormalement bas ou élevés indiquant des déviations dans la production de ces cellules. Ces restes, principalement des réseaux (réticulum) de ribosomes, sont cependant rapidement éliminés, et les érythrocytes matures en circulation ont peu de composants structurels cellulaires internes. Dépourvus de mitochondries, par exemple, ils dépendent de la respiration anaérobie. Cela signifie qu'ils n'utilisent pas l'oxygène qu'ils transportent, ils peuvent donc le livrer entièrement aux tissus. Ils sont également dépourvus de réticulum endoplasmique et ne synthétisent pas de protéines. Les érythrocytes contiennent cependant certaines protéines structurelles qui aident les cellules sanguines à maintenir leur structure unique et leur permettent de changer de forme pour se faufiler à travers les capillaires. Cela inclut la protéine spectrine, un élément protéique cytosquelettique.

Les érythrocytes sont des disques biconcaves ; c'est-à-dire qu'ils sont renflés à leur périphérie et très minces au centre (Figure 18.6). Comme ils sont dépourvus de la plupart des organites, il y a plus d'espace intérieur pour la présence des molécules d'hémoglobine qui, comme vous le verrez bientôt, transportent les gaz. La forme biconcave offre également une plus grande surface d'échange gazeux par rapport à son volume ; une sphère de diamètre similaire aurait un rapport surface/volume plus faible. Dans les capillaires, l'oxygène transporté par les érythrocytes peut diffuser dans le plasma, puis à travers les parois capillaires pour atteindre les cellules, tandis qu'une partie du dioxyde de carbone produit par les cellules comme déchet diffuse dans les capillaires pour être captée par les érythrocytes. Les lits capillaires sont extrêmement étroits, ralentissant le passage des érythrocytes et offrant une opportunité prolongée d'échange gazeux. Cependant, l'espace à l'intérieur des capillaires peut être si minuscule que, malgré leur petite taille, les érythrocytes peuvent devoir se replier sur eux-mêmes pour pouvoir passer. Heureusement, leurs protéines structurelles comme la spectrine sont flexibles, leur permettant de se plier sur eux-mêmes à un degré surprenant, puis de reprendre leur forme lorsqu'ils entrent dans un vaisseau plus large. Dans les vaisseaux plus larges, les érythrocytes peuvent s'empiler comme une pile de pièces, formant un rouleau, du mot français pour « rouleau ».

Figure 18.6 Forme des globules rouges Les érythrocytes sont des disques biconcaves avec des centres très peu profonds. Cette forme optimise le rapport surface/volume, facilitant les échanges gazeux. Elle leur permet également de se replier lorsqu'ils se déplacent dans des vaisseaux sanguins étroits.

Hémoglobine

L'hémoglobine est une grande molécule composée de protéines et de fer. Elle est constituée de quatre chaînes repliées d'une protéine appelée globine, désignées alpha 1 et 2, et bêta 1 et 2 (Figure 18.7a). Chacune de ces molécules de globine est liée à une molécule de pigment rouge appelée hème, qui contient un ion de fer (Fe²⁺) (Figure 18.7b).

Figure 18.7 Hémoglobine (a) Une molécule d'hémoglobine contient quatre protéines de globine, chacune étant liée à une molécule du pigment hème contenant du fer. (b) Un seul érythrocyte peut contenir 300 millions de molécules d'hémoglobine, et donc plus d'un milliard de molécules d'oxygène.

Chaque ion de fer dans l'hème peut se lier à une molécule d'oxygène ; par conséquent, chaque molécule d'hémoglobine peut transporter quatre molécules d'oxygène. Un érythrocyte individuel peut contenir environ 300 millions de molécules d'hémoglobine, et peut donc se lier et transporter jusqu'à 1,2 milliard de molécules d'oxygène (voir Figure 18.7b).

Dans les poumons, l'hémoglobine capte l'oxygène, qui se lie aux ions fer, formant l'oxyhémoglobine. L'hémoglobine oxygénée, de couleur rouge vif, se déplace vers les tissus du corps, où elle libère certaines des molécules d'oxygène, devenant de la désoxyhémoglobine de couleur rouge plus foncée, parfois appelée hémoglobine réduite. La libération d'oxygène dépend du besoin en oxygène des tissus environnants, de sorte que l'hémoglobine laisse rarement, voire jamais, tout son oxygène. Dans les capillaires, le dioxyde de carbone pénètre dans la circulation sanguine. Environ 76 % se dissout dans le plasma, une partie restant sous forme de CO₂ dissous, et le reste formant l'ion bicarbonate. Environ 23 à 24 % se lie aux acides aminés de l'hémoglobine, formant une molécule connue sous le nom de carbaminohémoglobine. Des capillaires, l'hémoglobine transporte le dioxyde de carbone vers les poumons, où elle le libère pour l'échange d'oxygène.

Les changements dans les niveaux de GR peuvent avoir des effets significatifs sur la capacité du corps à délivrer efficacement l'oxygène aux tissus. Une hématopoïèse inefficace entraîne un nombre insuffisant de GR et se traduit par l'une des plusieurs formes d'anémie. Une surproduction de GR produit une condition appelée polyglobulie. Le principal inconvénient de la polyglobulie n'est pas un échec à délivrer directement suffisamment d'oxygène aux tissus, mais plutôt l'augmentation de la viscosité du sang, ce qui rend plus difficile pour le cœur de faire circuler le sang.

Chez les patients présentant une hémoglobine insuffisante, les tissus peuvent ne pas recevoir suffisamment d'oxygène, ce qui entraîne une autre forme d'anémie. Pour déterminer l'oxygénation des tissus, la valeur la plus intéressante en soins de santé est le pourcentage de saturation ; c'est-à-dire le pourcentage de sites d'hémoglobine occupés par l'oxygène dans le sang d'un patient. Cliniquement, cette valeur est communément appelée simplement « pourcentage de sat. »

Le pourcentage de saturation est normalement surveillé à l'aide d'un appareil appelé oxymètre de pouls, qui est appliqué sur une partie fine du corps, généralement l'extrémité du doigt du patient. L'appareil fonctionne en envoyant deux longueurs d'onde différentes de lumière à travers le doigt et en mesurant la lumière avec un photodétecteur à sa sortie. L'hémoglobine absorbe la lumière différemment selon sa saturation en oxygène. La machine calibre la quantité de lumière reçue par le photodétecteur par rapport à la quantité absorbée par l'hémoglobine partiellement oxygénée et présente les données sous forme de pourcentage de saturation. Les lectures normales de l'oxymètre de pouls varient de 95 à 100 pour cent. Des pourcentages plus faibles reflètent l'hypoxémie, ou un faible taux d'oxygène dans le sang. Le terme hypoxie est plus générique et fait simplement référence à de faibles niveaux d'oxygène. Les niveaux d'oxygène sont également directement surveillés à partir de l'oxygène libre dans le plasma, généralement après une ponction artérielle. Lorsque cette méthode est appliquée, la quantité d'oxygène présente est exprimée en termes de pression partielle d'oxygène ou simplement P_O2 ou PO2 et est généralement enregistrée en unités de millimètres de mercure, mm Hg.

Les reins filtrent environ 180 litres (~380 pintes) de sang chez un adulte moyen chaque jour, soit environ 20 % du volume total au repos, et servent ainsi de sites idéaux pour les récepteurs qui déterminent la saturation en oxygène. En réponse à l'hypoxémie, moins d'oxygène quittera les vaisseaux alimentant le rein, entraînant une hypoxie (faible concentration d'oxygène) dans le liquide tissulaire du rein où la concentration d'oxygène est réellement surveillée. Les fibroblastes interstitiels au sein du rein sécrètent de l'EPO, augmentant ainsi la production d'érythrocytes et rétablissant les niveaux d'oxygène. Dans une boucle de rétroaction négative classique, à mesure que la saturation en oxygène augmente, la sécrétion d'EPO diminue, et vice versa, maintenant ainsi l'homéostasie. Les populations vivant à des altitudes élevées, avec des niveaux d'oxygène intrinsèquement plus bas dans l'atmosphère, maintiennent naturellement un hématocrite plus élevé que les personnes vivant au niveau de la mer. Par conséquent, les personnes voyageant à des altitudes élevées peuvent ressentir des symptômes d'hypoxémie, tels que fatigue, maux de tête et essoufflement, pendant quelques jours après leur arrivée. En réponse à l'hypoxémie, les reins sécrètent de l'EPO pour augmenter la production d'érythrocytes jusqu'à ce que l'homéostasie soit de nouveau atteinte. Pour éviter les symptômes d'hypoxémie, ou mal des montagnes, les alpinistes se reposent généralement pendant plusieurs jours à une semaine ou plus dans une série de camps situés à des altitudes croissantes pour permettre aux niveaux d'EPO et, par conséquent, au nombre d'érythrocytes d'augmenter. Lors de l'ascension des plus hauts sommets, tels que le mont Everest et le K2 dans l'Himalaya, de nombreux alpinistes comptent sur l'oxygène en bouteille à mesure qu'ils approchent du sommet.

Cycle de vie des érythrocytes

La production d'érythrocytes dans la moelle se produit à un rythme stupéfiant de plus de 2 millions de cellules par seconde. Pour que cette production ait lieu, un certain nombre de matières premières doivent être présentes en quantités adéquates. Celles-ci incluent les mêmes nutriments qui sont essentiels à la production et au maintien de toute cellule, tels que le glucose, les lipides et les acides aminés. Cependant, la production d'érythrocytes nécessite également plusieurs oligo-éléments :

• Fer. Nous avons dit que chaque groupe hème dans une molécule d'hémoglobine contient un ion du minéral trace fer. En moyenne, moins de 20 % du fer que nous consommons est absorbé. Le fer héminique, provenant d'aliments animaux tels que la viande, la volaille et le poisson, est absorbé plus efficacement que le fer non héminique provenant d'aliments végétaux. Après absorption, le fer fait partie du pool de fer total du corps. La moelle osseuse, le foie et la rate peuvent stocker le fer dans les composés protéiques ferritine et hémosidérine. La ferroportine transporte le fer à travers les membranes plasmiques des cellules intestinales et de ses sites de stockage vers le liquide tissulaire où il pénètre dans le sang. Lorsque l'EPO stimule la production d'érythrocytes, le fer est libéré des réserves, lié à la transferrine, et transporté vers la moelle rouge où il se fixe aux précurseurs d'érythrocytes.
• Cuivre. Un oligo-élément, le cuivre est un composant de deux protéines plasmatiques, l'héphaestine et la céruloplasmine. Sans celles-ci, l'hémoglobine ne pourrait pas être produite adéquatement. Située dans les villosités intestinales, l'héphaestine permet au fer d'être absorbé par les cellules intestinales. La céruloplasmine transporte le cuivre. Les deux permettent l'oxydation du fer de Fe²⁺ à Fe³⁺, une forme sous laquelle il peut être lié à sa protéine de transport, la transferrine, pour le transport vers les cellules du corps. En cas de carence en cuivre, le transport du fer pour la synthèse de l'hème diminue, et le fer peut s'accumuler dans les tissus, où il peut éventuellement entraîner des lésions organiques.
• Zinc. L'oligo-élément zinc fonctionne comme une coenzyme qui facilite la synthèse de la portion hème de l'hémoglobine.
• Vitamines B. Les vitamines B, le folate et la vitamine B₁₂, fonctionnent comme des coenzymes qui facilitent la synthèse de l'ADN. Ainsi, les deux sont essentiels à la synthèse de nouvelles cellules, y compris les érythrocytes.

Les érythrocytes vivent jusqu'à 120 jours en circulation, après quoi les cellules usées sont éliminées par un type de cellule phagocytaire myéloïde appelée macrophage, située principalement dans la moelle osseuse, le foie et la rate. Les composants de l'hémoglobine des érythrocytes dégradés sont ensuite traités comme suit :

• La globine, la portion protéique de l'hémoglobine, est décomposée en acides aminés, qui peuvent être renvoyés à la moelle osseuse pour être utilisés dans la production de nouveaux érythrocytes. L'hémoglobine qui n'est pas phagocytée est décomposée dans la circulation, libérant des chaînes alpha et bêta qui sont éliminées de la circulation par les reins.
• Le fer contenu dans la portion hème de l'hémoglobine peut être stocké dans le foie ou la rate, principalement sous forme de ferritine ou d'hémosidérine, ou transporté par la circulation sanguine par la transferrine vers la moelle rouge pour être recyclé en nouveaux érythrocytes.
• La portion non ferreuse de l'hème est dégradée en biliverdine, un pigment vert, puis en bilirubine, un pigment jaune. La bilirubine se lie à l'albumine et voyage dans le sang jusqu'au foie, qui l'utilise dans la fabrication de la bile, un composé libéré dans les intestins pour aider à émulsifier les graisses alimentaires. Dans le gros intestin, les bactéries séparent la bilirubine de la bile et la convertissent en urobilinogène, puis en stercobiline. Elle est ensuite éliminée du corps dans les fèces. Les antibiotiques à large spectre éliminent généralement ces bactéries et peuvent altérer la couleur des fèces. Les reins éliminent également toute bilirubine circulante et d'autres sous-produits métaboliques apparentés tels que les urobilines et les sécrètent dans l'urine.

Les pigments de dégradation formés à partir de la destruction de l'hémoglobine peuvent être observés dans diverses situations. Au site d'une blessure, la biliverdine des GR endommagés produit certaines des couleurs dramatiques associées à une ecchymose. Avec un foie défaillant, la bilirubine ne peut pas être éliminée efficacement de la circulation et provoque une teinte jaunâtre du corps associée à la jaunisse. Les stercobilines dans les fèces produisent la couleur brune typique associée à ce déchet. Et le jaune de l'urine est associé aux urobilines.

Le cycle de vie des érythrocytes est résumé dans la Figure 18.8.

Figure 18.8 Cycle de vie des érythrocytes Les érythrocytes sont produits dans la moelle osseuse et envoyés dans la circulation. À la fin de leur cycle de vie, ils sont détruits par les macrophages, et leurs composants sont recyclés.

Troubles des érythrocytes

La taille, la forme et le nombre d'érythrocytes, ainsi que le nombre de molécules d'hémoglobine, peuvent avoir un impact majeur sur la santé d'une personne. Lorsque le nombre de GR ou d'hémoglobine est déficient, la condition générale est appelée anémie. Il existe plus de 400 types d'anémie et plus de 3,5 millions d'Américains souffrent de cette condition. L'anémie peut être divisée en trois groupes principaux : celles causées par une perte de sang, celles causées par une production défectueuse ou diminuée de GR, et celles causées par une destruction excessive de GR. Les cliniciens utilisent souvent deux regroupements pour le diagnostic : l'approche cinétique se concentre sur l'évaluation de la production, de la destruction et de l'élimination des GR, tandis que l'approche morphologique examine les GR eux-mêmes, en mettant un accent particulier sur leur taille. Un test courant est le volume corpusculaire moyen, qui mesure la taille. Les cellules de taille normale sont dites normocytaires, les cellules plus petites que la normale sont dites microcytaires, et les cellules plus grandes que la normale sont dites macrocytaires. Les numérations de réticulocytes sont également importantes et peuvent révéler une production insuffisante de GR. Les effets des diverses anémies sont généralisés, car un nombre réduit de GR ou d'hémoglobine entraînera des niveaux d'oxygène plus faibles délivrés aux tissus du corps. Puisque l'oxygène est nécessaire au fonctionnement des tissus, l'anémie produit fatigue, léthargie et un risque accru d'infection. Un déficit en oxygène dans le cerveau altère la capacité de penser clairement et peut provoquer des maux de tête et de l'irritabilité. Le manque d'oxygène laisse le patient essoufflé, même si le cœur et les poumons travaillent plus fort en réponse au déficit.

Les anémies dues à une perte de sang sont assez simples. En plus des saignements dus à des plaies ou d'autres lésions, ces formes d'anémie peuvent être dues à des ulcères, des hémorroïdes, une inflammation de l'estomac et certains cancers du tractus gastro-intestinal. L'utilisation excessive d'aspirine ou d'autres anti-inflammatoires non stéroïdiens tels que l'ibuprofène peut déclencher une ulcération et une gastrite. Des menstruations excessives et une perte de sang pendant l'accouchement sont également des causes potentielles.

Les anémies causées par une production défectueuse ou diminuée de GR comprennent la drépanocytose, l'anémie ferriprive, l'anémie par carence vitaminique et les maladies de la moelle osseuse et des cellules souches.

• Un changement caractéristique de la forme des érythrocytes est observé dans la drépanocytose (également appelée anémie falciforme). Un trouble génétique, elle est causée par la production d'un type anormal d'hémoglobine, appelée hémoglobine S, qui délivre moins d'oxygène aux tissus et provoque l'adoption par les érythrocytes d'une forme de faucille, en particulier à de faibles concentrations d'oxygène (Figure 18.9). Ces cellules de forme anormale peuvent alors se loger dans des capillaires étroits car elles sont incapables de se replier sur elles-mêmes pour passer, bloquant le débit sanguin vers les tissus et causant une variété de problèmes graves allant des articulations douloureuses à un retard de croissance et même à la cécité et aux accidents vasculaires cérébraux. L'anémie falciforme est une condition génétique particulièrement fréquente chez les individus d'ascendance africaine.

Figure 18.9 Cellules falciformes La drépanocytose est causée par une mutation dans l'un des gènes de l'hémoglobine. Les érythrocytes produisent un type anormal d'hémoglobine, ce qui fait que la cellule prend une forme de faucille ou de croissant. (source : Janice Haney Carr)

• L'anémie ferriprive est le type le plus courant et résulte d'une quantité de fer disponible insuffisante pour permettre la production d'une quantité suffisante d'hème. Cette condition peut survenir chez les individus ayant une carence en fer dans l'alimentation et est particulièrement fréquente chez les adolescents et les enfants ainsi que chez les végétaliens et les végétariens. De plus, l'anémie ferriprive peut être causée soit par une incapacité à absorber et transporter le fer, soit par un saignement lent et chronique.
• Les anémies par carence vitaminique impliquent généralement une insuffisance en vitamine B12 et en folate.
  • L'anémie mégaloblastique implique une carence en vitamine B12 et/ou en folate, et implique souvent des régimes alimentaires déficients en ces nutriments essentiels. Le manque de viande ou d'une source alternative viable, et la surcuisson ou la consommation insuffisante de légumes peuvent entraîner un manque de folate.
  • L'anémie pernicieuse est causée par une mauvaise absorption de la vitamine B12 et est souvent observée chez les patients atteints de la maladie de Crohn (un trouble intestinal grave souvent traité par chirurgie), l'ablation chirurgicale des intestins ou de l'estomac, les parasites intestinaux et le SIDA.
  • Les grossesses, certains médicaments, une consommation excessive d'alcool et certaines maladies telles que la maladie cœliaque sont également associées à des carences en vitamines. Il est essentiel de fournir suffisamment d'acide folique pendant les premiers stades de la grossesse pour réduire le risque de défauts neurologiques, y compris le spina bifida, un échec de la fermeture du tube neural.
• Divers processus pathologiques peuvent également interférer avec la production et la formation des GR et de l'hémoglobine. Si les cellules souches myéloïdes sont défectueuses ou remplacées par des cellules cancéreuses, des quantités insuffisantes de GR seront produites.
  • L'anémie aplasique est la condition dans laquelle il y a un nombre déficient de cellules souches de GR. L'anémie aplasique est souvent héréditaire, ou elle peut être déclenchée par la radiation, les médicaments, la chimiothérapie ou une infection.
  • La thalassémie est une condition héréditaire qui survient généralement chez les individus du Moyen-Orient, de la Méditerranée, d'Afrique et d'Asie du Sud-Est, dans laquelle la maturation des GR ne se déroule pas normalement. La forme la plus sévère est appelée anémie de Cooley.
  • L'exposition au plomb provenant de sources industrielles ou même la poussière de copeaux de peinture contenant du fer ou de poteries qui n'ont pas été correctement émaillées peut également entraîner la destruction de la moelle rouge.
• Divers processus pathologiques peuvent également entraîner des anémies. Celles-ci incluent les maladies rénales chroniques souvent associées à une production diminuée d'EPO, l'hypothyroïdie, certaines formes de cancer, le lupus et la polyarthrite rhumatoïde.

Contrairement à l'anémie, un nombre élevé de GR est appelé polyglobulie et est détecté par un hématocrite élevé chez un patient. Elle peut survenir transitoirement chez une personne déshydratée ; lorsque l'apport en eau est insuffisant ou que les pertes d'eau sont excessives, le volume plasmatique diminue. En conséquence, l'hématocrite augmente. Pour les raisons mentionnées précédemment, une forme légère de polyglobulie est chronique mais normale chez les personnes vivant en haute altitude. Certains athlètes d'élite s'entraînent à des élévations élevées spécifiquement pour induire ce phénomène. Enfin, un type de maladie de la moelle osseuse appelée polyglobulie vraie (du grec vera = « vraie ») provoque une production excessive d'érythrocytes immatures. La polyglobulie vraie peut dangereusement augmenter la viscosité du sang, augmentant la pression artérielle et rendant plus difficile pour le cœur de pomper le sang dans tout le corps. C'est une maladie relativement rare qui survient plus souvent chez les hommes que chez les femmes, et est plus susceptible d'être présente chez les patients âgés de plus de 60 ans.