background image

background image

Maturation  of  Red  Blood  Cells—Requirement  for 
Vitamin B12 (Cyanocobalamin) and Folic Acid 

The  erythropoietic  cells  of  the  bone  marrow  are  among 
the  most 

rapidly 

growing  and  reproducing  cells  in  the 

entire body. Two vitamins, vitamin 

B12

 

and

 

folic 

acid are 

important  for  final  maturation  of  the  red  blood  cells, 
Both of these are essential for the synthesis of 

DNA

,  

Therefore, lack of either vitamin B12 or folic acid causes 
abnormal  and 

diminished

 

DNA 

and,  consequently, 

failure

 

of

 

nuclear 

maturation  and  cell  division. 

Furthermore,  the  erythroblastic  cells  of  the  bone 
marrow,  in  addition  to  failing  to 

proliferate 

rapidly, 

produce  mainly  larger  than  normal  red  cells  called 

macrocytes

,  and  the  cell  itself  is  often  irregular,  large, 

and oval instead of the usual biconcave disc.  

These  poorly  formed  cells,  after  entering  the  circulating 
blood, are capable of 

carrying

 

oxygen

 

normally

, but their 

fragility causes them to have a short life, one half to one 
third  normal.  Therefore,  it  is  said  that  deficiency  of 
either vitamin B12 or folic acid causes 

maturation

 

failure 

in the process of erythropoiesis.

 


background image

Absorption  of  Vitamin  B12  from  the  Gastrointestinal 

Maturation Failure Caused by Pernicious Anemia. 

The basic abnormality is an 

atrophic

 

gastric 

mucosa that 

fails  to  produce  normal  gastric  secretions.  The 

parietal

 

cells 

of  the  gastric  glands  secrete  a  glycoprotein  called 

intrinsic

 

factor

, which combines with vitamin B12 in food 

and makes the B12 available for absorption by the gut. It 

does this in the following way:  

(1) Intrinsic factor binds tightly with the vitamin B12. In 

this  bound  state,  the  B12  is 

protected 

from  digestion  by 

the gastrointestinal secretions.  

(2)  Still  in  the  bound  state,  intrinsic  factor 

binds 

to 

specific receptor sites on the brush border membranes of 

the  mucosal cells in the ileum.  

(3)  Then,  vitamin  B12  is 

transported 

into  the  blood 

during  the  next  few  hours  by  the  process  of 

pinocytosis

carrying  intrinsic  factor  and  the  vitamin  together 

through the membrane.  

Lack

 

of

 

intrinsic

 

factor

,  therefore,  causes  diminished 

availability  of  vitamin  B12  because  of  faulty  absorption 

of the vitamin. 

Once

 

vitamin

 

B12 

has  been  absorbed  from  the 

gastrointestinal tract, it is first 

stored 

in large quantities 

in  the  liver,  then  released  slowly  as  needed  by  the  bone 

marrow. The 

minimum

 

amount 

of vitamin B12 required 

each day to maintain normal red cell  maturation is only 

1  to  3  micrograms,  and  the  normal 

storage 

in  the  liver 

and  other  body  tissues  is  about  1000  times  this  amount. 

Therefore,  3  to  4  years  of  defective  B12  absorption  are 

usually required to cause maturation failure anemia. 


background image

Failure  of  Maturation  Caused  by  Deficiency  of  Folic 
Acid(Pteroylglutamic Acid).  

Folic  acid  is  a  normal  constituent  of  green 

vegetables

some 

fruits

,  and 

meats 

(especially  liver).  However,  it  is 

easily destroyed during 

cooking

.  

Also, 

people 

with 

gastrointestinal 

absorption

 

abnormalities

,  such  as  the  frequently  occurring  small 

intestinal  disease  called 

sprue

,  often  have  serious 

difficulty  absorbing  both  folic  acid  and  vitamin  B12. 
Therefore,  in  many  instances  of  maturation  failure,  the 
cause  is  deficiency  of  intestinal  absorption  of  both  folic 
acid and vitamin B12. 

Formation of Hemoglobin 

Synthesis  of  hemoglobin 

begins 

in  the  proerythroblasts 

and  continues  even  into  the  reticulocyte  stage  of  the  red 
blood  cells.  Therefore,  when  reticulocytes  leave  the  bone 
marrow  and  pass  into  the  blood  stream,  they 

continue 

to 

form  minute  quantities  of  hemoglobin  for  another  day or 
so until they become mature erythrocytes.  

 

succinyl-CoA

, formed in the Krebs  metabolic cycle, binds 

with 

glycine

  to  form  a 

pyrrole 

molecule.  In  turn,  four 

pyrroles  combine  to form 

protoporphyrin 

IX, which  then 

combines  with  iron  to  form  the 

heme 

molecule.  Finally, 

each  heme  molecule  combines  with  a  long  polypeptide 
chain,  a 

globin 

synthesized  by  ribosomes,  forming  a 

subunit  of  hemoglobin  called  a  hemoglobin  chain.  four of 
these  in  turn  bind  together  loosely  to  form  the  whole 
hemoglobin molecule. 


background image

 
There  are  several  slight  variations  in  the  different  subunit  hemoglobin 

chains

,  depending  on  the  amino  acid  composition  of  the  polypeptide 

portion. The different types of chains are designated 

alpha

 

chains

beta

 

chains,  gamma  chains,  and  delta  chains

.

  The  most  common  form  of 

hemoglobin in the adult human being, 

hemoglobin

 

A, 

is a combination 

of two alpha chains and two beta chains.  

 

because there are 

four 

hemoglobin chains in each hemoglobin molecule, 

one  finds 

four  iron  atoms 

in  each  hemoglobin  molecule  (one  per  each 

heme  molecule);  each  of  these  can  bind  loosely  with 

one  molecule  of 

oxygen

  (

O

2

), 

making  a  total  of 

four

 

molecules 

of  oxygen  (or  eight 

oxygen atoms) that can be transported by each hemoglobin molecule. 
 

The types of hemoglobin chains in the hemoglobin molecule determine 
the 

binding affinity 

of the hemoglobin for oxygen. 

Abnormalities 

of the 

chains can 

alter the physical 

characteristics of the hemoglobin molecule 

as well.  
 

For instance, in 

sickle 

cell anemia, the amino acid 

valine 

is substituted 

for 

glutamic 

acid at one point in each of the two beta chains. When this 

type  of  hemoglobin  is 

exposed  to  low  oxygen

,  it  forms  elongated 

crystals inside the red blood cells that are sometimes 

15 

micrometers in 

length.  These  make  it  almost  impossible  for  the  cells  to  pass  through 
many small capillaries, and the spiked ends of the crystals are likely to 
rupture the cell membranes, leading to sickle cell anemia. 

 


background image

 

Combination of Hemoglobin with Oxygen.  

The  most  important  feature  of  the  hemoglobin  molecule 
is  its  ability  to  combine  loosely  and 

reversibly 

with 

oxygen.  

oxygen  does  not  become  ionic  oxygen  but  is  carried  as 
molecular oxygen (composed of two oxygen atoms) to the 
tissues,  where,  because  of  the  loose,  readily  reversible 
combination, it 

is released into the tissue fluids still in the 

form of molecular oxygen rather than ionic oxygen.  
 

 

Iron Metabolism 

iron  is  important  for  the  formation  not  only  of 
hemoglobin  but  also  of  other  essential  elements  in  the 
body (e.g., 

myoglobin, cytochromes, cytochrome oxidase, 

peroxidase, catalase). 

 

The  total  quantity  of  iron  in  the  body  averages 

4  to  5

 

grams

,  about 

65 

per  cent  of  which  is  in  the  form  of 

hemoglobin. About 

per cent is in the form of myoglobin 

while 

15  to  30 

per  cent  is  stored  for  later  use,  mainly  in 

the  reticuloendothelial  system  and  liver  parenchymal 
cells, principally in the form of ferritin.  


background image

 

Transport and Storage of Iron.  

iron is 

absorbed 

from the small intestine, it immediately 

combines  in  the  blood  plasma  with  a  beta  globulin, 

apotransferrin

,  to  form 

transferrin

,  which  is  then 

transported  in  the  plasma.  The  iron  is 

loosely

 

bound 

in 

the transferrin and, consequently, can be released to any 
tissue cell at any point in the body. 

Excess

 

iron 

in  the  blood  is 

deposited 

especially  in  the 

liver 

hepatocytes  and  less  in  the 

reticuloendothelial 

cells 

of the bone marrow. In the cell cytoplasm, iron combines 
mainly with a protein, 

apoferritin

, to form 

ferritin

, which 

is storage iron. 

Smaller  quantities  of  the  iron  in  the  storage  pool  are  in 
an extremely insoluble form called 

hemosiderin

.  

A  unique  characteristic  of  the  transferrin  molecule  is 
that  it 

binds 

strongly  with 

receptors 

in  the  cell 

membranes  of  erythroblasts  in  the  bone  marrow.  Then, 
along  with  its  bound  iron,  it  is  ingested  into  the 
erythroblasts  by 

endocytosis

.  There  the  transferrin 

delivers  the  iron  directly  to  the  mitochondria,  where 
heme is synthesized.  

When  red  blood  cells  have 

lived 

their  life  span  and  are 

destroyed,  the  hemoglobin  released  from  the  cells  is 

ingested 

by 

monocyte-macrophage 

cells.  There,  iron  is 

liberated  and  is  stored  mainly  in  the  ferritin  pool  to  be 
used as needed for the formation of new hemoglobin.  


background image

background image

Daily Loss of Iron.  

man 

excretes  about 

0.6 

milligram  of  iron  each  day, 

mainly  into  the  feces.  Additional  quantities  of  iron  are 
lost  when  bleeding  occurs.  For  a 

woman

,  additional 

menstrual  loss  of  blood  brings  long  term  iron  loss  to  an 
average of about 

1.3 

mg/day.  

 

Absorption of Iron from the Intestinal Tract  

Iron  is  absorbed  from 

all 

parts  of  the  small  intestine; 

mostly  by  the  following  mechanism:-  The 

liver 

secretes 

moderate amounts of 

apotransferrin 

into the bile, which 

flows through the bile duct into the duodenum. 

Here,  the  apotransferrin 

binds 

with  free 

iron 

and  also 

with  certain  iron  compounds,  such  as 

hemoglobin 

and 

myoglobin 

from meat, two of the most important sources 

of iron in the diet. This combination is called transferrin.  

It, in turn, is attracted to and binds with receptors in the 
membranes  of  the  intestinal  epithelial  cells.  Then,  by 

pinocytosis

,  the  transferrin  molecule,  carrying  its  iron 

store,  is 

absorbed 

into  the  epithelial  cells  and 

later

 

released

 

into 

the  blood  capillaries  beneath  these  cells  in 

the form of plasma transferrin. 

even  when  tremendous  quantities  of  iron  are  present  in 
the food, only small proportions can be absorbed. 


background image

Regulation of Total Body Iron by Controlling Rate 

of Absorption.  

When  the  body  has  become 

saturated 

with  iron  so  that 

essentially  all  apoferritin  in  the  iron  storage  areas  is 
already  combined  with  iron,  the  rate  of  additional  iron 
absorption  from  the  intestinal  tract  becomes  greatly 
decreased. 

Conversely

, when the iron stores have become 

depleted

,  the  rate  of  absorption  can  accelerate  probably 

five 

or  more  times  normal.  Thus,  total  body  iron  is 

regulated mainly by altering the rate of absorption. 

 

Life Span and Destruction of Red Blood Cells 

When  red  blood  cells  are  delivered  from  the  bone 
marrow  into  the  circulatory  system,  they  normally 
circulate an average of 

120 

days before being destroyed.  

Even  though  mature  red  cells  do  not  have  a  nucleus, 
mitochondria, 

or

  endoplasmic  reticulum,  they  do  have 

cytoplasmic

 

enzymes 

that  are  capable  of 

metabolizing

 

glucose 

and  forming  small  amounts  of  adenosine 

triphosphate.  

 

These enzymes also:-  

 

(1) maintain 

pliability 

of the cell membrane,  

 

(2) maintain membrane 

transport

 

of

 

ions

,  

 

(3)  keep  the  iron  of  the  cells’  hemoglobin  in  the 

ferrous 

form rather than ferric form, and  

 

(4) prevent 

oxidation 

of the proteins in the red cells.  


background image

Even  so,  the 

metabolic

 

systems 

of  old  red  cells  become 

progressively 

less

 

active

,  and  the  cells  become  more  and 

more 

fragile

,  presumably  because  their  life  processes 

wear out. 

Once  the  red  cell  membrane  becomes  fragile,  the  cell 
ruptures  during  passage  through  some  tight  spot  of  the 
circulation.  Many  of  the  red  cells  self-destruct  in  the 
spleen,  where  they  squeeze  through  the  red  pulp  of  the 
spleen (3 micrometers diameter of 

red

 

pulp 

trabeculae).  

 

Destruction of Hemoglobin.  

When red blood cells 

burst 

and release their hemoglobin, the 

hemoglobin 

is 

phagocytized 

almost 

immediately 

by 

macrophages 

in many parts of the body, but especially by the 

Kupffer 

cells of the liver and 

macrophages 

of the spleen and 

bone marrow.  

 


background image

During  the  next  few  hours  to  days,  the 

macrophages

 

release 

iron 

from  the    hemoglobin  and  pass  it  back  into  the  blood,  to  be 
carried  by  transferrin  either  to  the  bone  marrow  for  the 
production  of  new  red  blood  cells  or  to  the  liver  and  other 
tissues for storage in the form of ferritin.  

The 

porphyrin portion 

of the hemoglobin molecule is converted by 

the  macrophages,  through  a  series  of  stages,  into  the 

bile

 

pigment

 

bilirubin

,  which  is  released  into  the  blood  and  later 

removed from the  body  by secretion through the liver into the 
bile;  

 

Anemias 

Anemia  means  deficiency  of  hemoglobin  in  the  blood,  which 
can  be  caused  by  either  too 

few 

red  blood  cells  or  too 

little

 

hemoglobin 

in  the  cells.  Some  types  of  anemia  and  their 

physiologic causes are the following:-  

 

1. Blood Loss Anemia

.  

After rapid hemorrhage, the body replaces the 

fluid portion 

of 

the plasma in 

1 to 3 days

but this leaves a low concentration of red blood cells.  

If  a  second  hemorrhage  does  not  occur,  the 

red  blood  cell 

concentration 

usually returns to normal within 

3 to 6 weeks

.  

In 

chronic  blood  loss

,  a  person  frequently  cannot  absorb 

enough iron from the intestines to form  hemoglobin as rapidly 
as it is lost. Red cells are then produced that are much smaller 
than normal and have too little hemoglobin inside them, giving 
rise to 

microcytic, hypochromic anemia

,

 

2. Aplastic Anemia

.  

Bone  marrow aplasia 

means 

lack  of functioning bone  marrow. 

For instance, a person exposed to 

gamma

 

ray 

radiation from a 

nuclear  bomb  blast  can  sustain  complete  destruction  of  bone 
marrow,  followed  in  a  few  weeks  by  lethal  anemia.  Likewise, 
excessive 

x-ray 

treatment,  certain 

industrial

 

chemicals

,  and 

even 

drugs 

to which the person might be sensitive can cause the 

same effect. 

 


background image

3. Megaloblastic Anemia. 

loss 

of vitamin B12, folic acid, or intrinsic factor can lead 

to 

slow

 

reproduction 

of erythroblasts (cannot proliferate 

rapidly  enough  to  form  normal  numbers  of  red  blood 
cells, in the bone marrow) As a result, the red cells 

grow 

too  large  and  have  bizarre  shapes,  and  are  called 
megaloblasts.  

Thus, 

atrophy

 

of

 

the

 

stomach 

mucosa,  as  occurs  in 

pernicious  anemia,  or 

loss 

of  the  entire  stomach  after 

surgical  total  gastrectomy  can  lead  to  megaloblastic 
anemia.  Also,  patients  who  have  intestinal 

sprue

,  in 

which  folic  acid,  vitamin  B12,  and  other  vitamin  B 
compounds  are  poorly  absorbed,  often  develop 
megaloblastic anemia. 
 

4. Hemolytic Anemia.  

Different  abnormalities  of  the  red  blood  cells,  many  of 
which  are  hereditarily  acquired,  make  the  cells 

fragile

so  that  they  rupture  easily  as  they  go  through  the 
capillaries, especially through the spleen.  

 

a.  In  hereditary  spherocytosis

,  the  red  cells  are  very 

small 

and 

spherical 

rather  than  being  biconcave  discs.  These 

cells 

cannot  withstand  compression  forces 

because  they 

do  not  have  the  normal 

loose,

 

baglike 

cell  membrane 

structure of the biconcave discs. On passing through the 
splenic pulp and some other tight vascular beds, they are 
easily ruptured  


background image

b. In sickle cell anemia

,  

which  is  present  in  1.0  per  cent  of  West 

African 

and 

American 

blacks,  the  cells  have  an  abnormal  type  of 

hemoglobin  called 

hemoglobin

 

S

,  containing  faulty  beta 

chains  in  the  hemoglobin  molecule,.  When  this 
hemoglobin is exposed to low concentrations of 

oxygen

, it 

precipitates  into  long 

crystals 

inside  the  red  blood  cell. 

These  crystals  elongate  the  cell  and  give  it  the 
appearance of a sickle rather than a biconcave disc. The 
precipitated 

hemoglobin 

also 

damages 

the 

cell 

membrane,  so  that  the  cells  become  highly  fragile, 
leading to serious anemia.  

Such  patients  frequently  experience  a  vicious  circle  of 
events  called  a  sickle  cell  disease  “

crisis

,”  in  which  low 

oxygen tension in the tissues causes sickling, which leads 
to ruptured red cells, which causes a further decrease in 
oxygen  tension  and  still  more  sickling  and  red  cell 
destruction.  
 

c. In erythroblastosis fetalis 

 

Rh-positive 

red  blood  cells  in  the  fetus  are  attacked  by 

antibodies 

from an Rh-negative mother. These antibodies 

make 

the  Rh-positive  cells 

fragile

,  leading  to  rapid 

rupture  and  causing  the  child  to  be  born  with  serious 
anemia. 
 
 

 


background image

  

Effects  of  Anemia  on Function  of  the  Circulatory 

System 

The 

viscosity 

of  the  blood 

depends 

almost  entirely  on  the 

blood 

concentration 

of red blood cells. In severe anemia, the 

blood viscosity may fall to as low as 

1.5 

times that of water 

rather than the normal value of about 

3

 

This 

decreases

 

the

 

resistance 

to blood flow in the peripheral 

blood  vessels,  so  that  far  greater  than  normal 

quantities 

of 

blood  flow  through  the  tissues  and  return  to  the  heart, 

thereby greatly 

increasing 

cardiac output. 

  

Moreover, 

hypoxia 

resulting  from  diminished  transport  of 

oxygen  by  the  blood  causes  the  peripheral  tissue  blood 

vessels to 

dilate

, allowing a further increase in the return of 

blood  to  the  heart  and  increasing  the  cardiac  output  to  a 

still  higher  level—  sometimes  three  to  four  times  normal. 

Thus, one of the major effects of anemia is 

greatly increased 

cardiac 

output,  as  well  as  increased  pumping  workload  on 

the heart. 

 

The increased cardiac output in anemia partially 

offsets 

the 

reduced oxygen-carrying effect of the anemia, because even 

though  each  unit  quantity  of  blood  carries  only  small 

quantities  of  oxygen,  the  rate  of  blood  flow  may  be 

increased  enough  so  that  almost 

normal  quantities  of 

oxygen are actually delivered to the tissues. 

 

 However,  when  a  person  with  anemia  begins  to 

exercise

the heart is not capable of pumping much greater quantities 

of  blood  than  it  is  already  pumping.  Consequently,  during 

exercise, which greatly increases tissue demand for oxygen, 

extreme  tissue  hypoxia 

results,  and 

acute  cardiac  failure 

ensues. 

 


background image

Polycythemia 

Secondary Polycythemia.  

Whenever  the  tissues  become  hypoxic  because  of 

too

 

little 

oxygen  in 

the  breathed  air,  such  as  at  high  altitudes  (called 

physiologic 

polycythemia),  or  because  of  failure  of  oxygen  delivery  to  the  tissues, 
such  as  in 

cardiac 

failure,  the  blood-forming  organs  automatically 

produce large quantities of extra red blood cells. 

 

 

Polycythemia Vera.  

In addition to those people who have physiologic polycythemia, others 
have  a 

pathological 

condition  known as  polycythaemia  vera,  in which 

hematocrit may be 

60

 

to

 

70 

per cent instead of the normal 40 to 45 per 

cent.  Polycythemia  vera  is  caused  by  a 

genetic 

aberration  in  the 

hemocytoblastic 

cells that produce the blood cells.  

In  polycythemia  vera,  not  only  does  the  hematocrit  increase,  but  the 
total 

blood  volume 

also  increases,  on  some  occasions  to  almost  twice 

normal.  As  a  result,  the  entire  vascular  system  becomes  intensely 
engorged.  In  addition, 

many  blood  capillaries  become  plugged 

by  the 

viscous  blood;  the  viscosity  of  the  blood  in  polycythaemia  vera 
sometimes increases from the normal of 3 times the viscosity of water 
to 

10 

times that of water. 

 

Effect  of  Polycythemia  on  Function  of  the  Circulatory 

System 

Because of the greatly increased 

viscosity 

of the blood in polycythemia, 

blood flow through the peripheral blood vessels is often very 

sluggish

decreases 

the rate of 

venous

 

return 

to the heart. Conversely, the blood 

volume 

is  greatly  increased  in  polycythemia,  which  tends  to  increase 

venous  return.  So,  the 

cardiac output  in  polycythemia  is  not  far  from 

normal. 

 

The 

arterial pressure 

is also normal in most people with polycythemia, 

although in about one third of them, the arterial pressure is elevated.  
 

The 

color of the skin 

depends to a great extent on the quantity of blood 

in  the  skin 

subpapillary 

venous  plexus.  In  polycythemia  vera,  the 

quantity  of  blood  in  this  plexus  is  greatly  increased.  Further,  because 
the blood passes 

sluggishly 

through the skin capillaries before entering 

the  venous  plexus,  deoxygenated  hemoglobin  is  elevated.  The 

blue 

color 

of  all  this  deoxygenated  hemoglobin  masks  the  red  color  of  the 

oxygenated hemoglobin givig bluish (cyanotic) tint to the skin.  
 




رفعت المحاضرة من قبل: Ismail AL Jarrah
المشاهدات: لقد قام 4 أعضاء و 104 زائراً بقراءة هذه المحاضرة








تسجيل دخول

أو
عبر الحساب الاعتيادي
الرجاء كتابة البريد الالكتروني بشكل صحيح
الرجاء كتابة كلمة المرور
لست عضواً في موقع محاضراتي؟
اضغط هنا للتسجيل