خلية دم حمراء

تمتلك الغالبية العظمى من الفقاريات، بما في ذلك الثدييات والبشر، خلايا دم حمراء. هذه الخلايا، المعروفة باسم الكريات الحمراء، هي خلايا موجودة في الدم لنقل الأكسجين. الفقاريات الوحيدة المعروفة التي لا تمتلك خلايا دم حمراء هي سمكة الجليد التمساحية (من عائلة Channichthyidae )؛ فهي تعيش في مياه باردة غنية بالأكسجين وتنقل الأكسجين المذاب بحرية في دمها. ^{[ 11 ]} ورغم أنها لم تعد تستخدم الهيموجلوبين، إلا أنه يمكن العثور على بقايا جينات الهيموجلوبين في جينومها . ^{[ 12 ]}

تتكون خلايا الدم الحمراء لدى الفقاريات بشكل رئيسي من الهيموجلوبين ، وهو بروتين فلزي معقد يحتوي على مجموعات الهيم ، حيث ترتبط ذرات الحديد فيه مؤقتًا بجزيئات الأكسجين (O₂ ₎ في الرئتين أو الخياشيم، ثم تُطلقها في جميع أنحاء الجسم. وينتشر الأكسجين بسهولة عبر غشاء خلية الدم الحمراء . كما ينقل الهيموجلوبين في خلايا الدم الحمراء جزءًا من ثاني أكسيد الكربون، وهو ناتج ثانوي، من الأنسجة؛ إلا أن معظم ثاني أكسيد الكربون يُنقل إلى الشعيرات الدموية الرئوية على شكل بيكربونات ( HCO₃⁻ ₎ مذابة في بلازما الدم . أما الميوغلوبين ^، وهو مركب ذو صلة بالهيموجلوبين، فيعمل على تخزين الأكسجين في خلايا العضلات . ^{[ 13 ]}

يعود لون خلايا الدم الحمراء إلى مجموعة الهيم في الهيموجلوبين. يكون لون بلازما الدم وحدها أصفر باهتًا، لكن خلايا الدم الحمراء يتغير لونها تبعًا لحالة الهيموجلوبين: فعند اتحاده مع الأكسجين، ينتج عنه هيموجلوبين مؤكسد بلون قرمزي، وعند تحرر الأكسجين، ينتج عنه هيموجلوبين منزوع الأكسجين بلون أحمر داكن مائل إلى العنابي. مع ذلك، قد يبدو الدم مائلًا إلى الزرقة عند رؤيته من خلال جدار الأوعية الدموية والجلد. ^{[ 14 ]} يستفيد قياس التأكسج النبضي من تغير لون الهيموجلوبين لقياس تشبع الأكسجين في الدم الشرياني مباشرةً باستخدام تقنيات قياس الألوان . كما أن للهيموجلوبين ألفة عالية جدًا لأول أكسيد الكربون ، مكونًا كاربوكسي هيموجلوبين، وهو ذو لون أحمر فاقع. يُشخَّص أحيانًا المرضى الذين يعانون من احمرار الوجه والتشوش الذهني، والذين تبلغ قراءة تشبع الأكسجين لديهم 100% على جهاز قياس التأكسج النبضي، بأنهم مصابون بتسمم أول أكسيد الكربون.

كان وجود البروتينات الحاملة للأكسجين داخل خلايا متخصصة (بدلاً من ذوبانها في سوائل الجسم) خطوةً مهمةً في تطور الفقاريات، إذ يسمح ذلك بدم أقل لزوجة ، وتركيزات أعلى من الأكسجين، وانتشار أفضل للأكسجين من الدم إلى الأنسجة. يتباين حجم خلايا الدم الحمراء بشكل كبير بين أنواع الفقاريات؛ إذ يبلغ عرضها في المتوسط ​​حوالي 25% أكبر من قطر الشعيرات الدموية ، وقد افترض الباحثون أن هذا يُحسّن نقل الأكسجين من خلايا الدم الحمراء إلى الأنسجة. ^{[ 15 ]}

تتخذ خلايا الدم الحمراء لدى الثدييات عادةً شكل أقراص مقعرة الوجهين: مسطحة ومنخفضة في المركز، ذات مقطع عرضي يشبه الدمبل ، وحافة دائرية على طرف القرص. يسمح هذا الشكل بنسبة عالية بين مساحة السطح والحجم (SA/V) لتسهيل انتشار الغازات. ^{[ 16 ]} ومع ذلك، توجد بعض الاستثناءات فيما يتعلق بالشكل في رتبة مزدوجات الأصابع ( ذوات الحوافر زوجية الأصابع ، بما في ذلك الأبقار والغزلان وأقاربها)، والتي تُظهر مجموعة واسعة من أشكال خلايا الدم الحمراء الغريبة: خلايا صغيرة بيضاوية الشكل للغاية في اللاما والإبل ( فصيلة الجمليات )، وخلايا كروية صغيرة في غزلان الفأر (فصيلة الغزلان )، وخلايا تتخذ أشكالًا مغزلية ورمحية وهلالية ومضلعة غير منتظمة وأشكالًا زاوية أخرى في الأيل الأحمر والأيل الجبلي (فصيلة الأيائل ). من الواضح أن أفراد هذه الرتبة قد طوروا نمطًا لتكوين خلايا الدم الحمراء يختلف اختلافًا جوهريًا عن النمط الطبيعي لدى الثدييات. ^{[ 10 ] [ 17 ]} عمومًا، تتميز خلايا الدم الحمراء لدى الثدييات بمرونة وقابلية تشكيل ملحوظة تمكنها من المرور عبر الشعيرات الدموية الدقيقة ، فضلًا عن زيادة مساحة سطحها الملامس للسطح الخارجي من خلال اتخاذ شكل السيجار، حيث تطلق حمولتها من الأكسجين بكفاءة عالية. ^{[ 18 ]}

تتميز خلايا الدم الحمراء لدى الثدييات عن غيرها من الفقاريات، إذ لا تحتوي معظم الأنواع على نواة عند نضجها. ^{[ 19 ]} تحتوي هذه الخلايا على نواة خلال المراحل المبكرة من تكوينها ، لكنها تتخلص منها أثناء نموها ونضجها، مما يوفر مساحة أكبر للهيموجلوبين. وتفقد خلايا الدم الحمراء الخالية من النواة، والتي تُسمى الخلايا الشبكية ، جميع العضيات الخلوية الأخرى، مثل الميتوكوندريا وجهاز جولجي والشبكة الإندوبلازمية .

يعمل الطحال كمخزن لخلايا الدم الحمراء، لكن هذا التأثير محدود نوعًا ما لدى البشر. أما في بعض الثدييات الأخرى، كالكلاب والخيول، فيقوم الطحال باحتجاز أعداد كبيرة من خلايا الدم الحمراء، التي تُطلق في الدم أثناء فترات الإجهاد البدني، مما يُحسّن قدرة نقل الأكسجين .

يبلغ قطر قرص خلية الدم الحمراء البشرية النموذجية حوالي 6.2-8.2 ميكرومتر ^{[ 20 ]} ، ويبلغ أقصى سمك لها 2-2.5  ميكرومتر، بينما يبلغ أدنى سمك لها في المركز 0.8-1  ميكرومتر، وهي أصغر بكثير من معظم خلايا الدم البشرية الأخرى . يبلغ متوسط ​​حجم هذه الخلايا حوالي 90 فمتولتر ^{[ 21 ]} ، ومساحة سطحها حوالي 136 ميكرومتر ^مربع ، ويمكنها أن تنتفخ لتصبح كروية الشكل تحتوي على 150 فمتولتر، دون تمدد الغشاء.

يحتوي جسم الإنسان البالغ على ما يقارب 20-30  تريليون خلية دم حمراء في أي وقت، ما يشكل حوالي 70% من إجمالي خلايا الدم. ^{[ 22 ]} ويبلغ عدد خلايا الدم الحمراء لدى النساء حوالي 4-5  ملايين خلية لكل ميكرولتر (ملليمتر مكعب) من الدم، بينما يبلغ لدى الرجال حوالي 5-6  ملايين خلية؛ أما الأشخاص الذين يعيشون في المرتفعات العالية ذات مستويات الأكسجين المنخفضة، فيكون لديهم عدد أكبر. وبالتالي، فإن خلايا الدم الحمراء أكثر شيوعًا من جزيئات الدم الأخرى: إذ يوجد حوالي 4000-11000 خلية دم بيضاء ، وحوالي 150000-400000 صفيحة دموية لكل ميكرولتر.

تستغرق خلايا الدم الحمراء البشرية في المتوسط ​​60 ثانية لإكمال دورة واحدة في الدورة الدموية. ^{[ 5 ] [ 9 ] [ 23 ]}

يعود اللون الأحمر للدم إلى الخصائص الطيفية لأيونات الحديد الهيمية في الهيموجلوبين . يحمل كل جزيء هيموجلوبين أربع مجموعات هيم، ويشكل الهيموجلوبين حوالي ثلث حجم الخلية الكلي. يُعد الهيموجلوبين مسؤولاً عن نقل أكثر من 98% من الأكسجين في الجسم (يُحمل الأكسجين المتبقي مذابًا في بلازما الدم ). تخزن خلايا الدم الحمراء لدى رجل بالغ متوسط ​​الحجم حوالي 2.5 غرام من الحديد، وهو ما يمثل حوالي 65% من إجمالي الحديد الموجود في الجسم. ^{[ 24 ] [ 25 ]}

تكون خلايا الدم الحمراء لدى الثدييات عديمة النواة عند نضجها، أي أنها تفتقر إلى نواة الخلية . في المقابل، تحتوي خلايا الدم الحمراء لدى الفقاريات الأخرى على نواة؛ والاستثناءات المعروفة الوحيدة هي سمندل عائلة Plethodontidae ، حيث طوّرت خمس مجموعات مختلفة درجات متفاوتة من خلايا الدم الحمراء عديمة النواة (معظمها تطور في بعض أنواع جنس Batrachoseps )، وأسماك جنس Maurolicus . ^{[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ]}

يُطرح اختفاء النواة في خلايا الدم الحمراء لدى الفقاريات كتفسير لتراكم الحمض النووي غير المشفر في الجينوم لاحقًا . ^{[ 17 ]} وتتلخص الحجة فيما يلي: يتطلب النقل الفعال للغازات مرور خلايا الدم الحمراء عبر شعيرات دموية دقيقة للغاية، مما يحد من حجمها. في غياب اختفاء النواة، يُقيد تراكم التسلسلات المتكررة بالحجم الذي تشغله النواة، والذي يزداد مع حجم الجينوم.

تتكون خلايا الدم الحمراء النواة في الثدييات من شكلين: الخلايا الحمراء الطبيعية، وهي الخلايا السلفية الطبيعية لتكوين خلايا الدم الحمراء الناضجة، والخلايا الضخمة، وهي خلايا سلفية كبيرة بشكل غير طبيعي تحدث في فقر الدم الضخم الأرومات .

تتميز خلايا الدم الحمراء بقدرتها على التشوه والمرونة، والالتصاق بالخلايا الأخرى، والتفاعل مع الخلايا المناعية. ويؤدي غشاؤها أدوارًا متعددة في هذه الوظائف، التي تعتمد بشكل كبير على تركيبه. يتكون غشاء خلية الدم الحمراء من ثلاث طبقات: الطبقة الخارجية (الغليكوكاليكس ) الغنية بالكربوهيدرات ؛ والطبقة الدهنية الثنائية التي تحتوي على العديد من البروتينات العابرة للغشاء ، بالإضافة إلى مكوناتها الدهنية الرئيسية؛ والهيكل الغشائي، وهو شبكة بروتينية تقع على السطح الداخلي للطبقة الدهنية الثنائية. يشكل البروتين نصف كتلة الغشاء في خلايا الدم الحمراء لدى الإنسان ومعظم الثدييات، بينما يشكل الفوسفوليبيدات والكوليسترول النصف الآخر . ^{[ 29 ]}

دهون الغشاء

يتكون غشاء خلايا الدم الحمراء من طبقة ثنائية نموذجية من الدهون ، تشبه تلك الموجودة في جميع خلايا الجسم تقريبًا. ببساطة، تتكون هذه الطبقة الثنائية من الكوليسترول والفوسفوليبيدات بنسب متساوية وزنيًا. يُعدّ تركيب الدهون مهمًا لأنه يُحدد العديد من الخصائص الفيزيائية، مثل نفاذية الغشاء وسيولته. بالإضافة إلى ذلك، يتم تنظيم نشاط العديد من بروتينات الغشاء من خلال تفاعلاتها مع الدهون في الطبقة الثنائية.

على عكس الكوليسترول، الذي يتوزع بالتساوي بين الطبقتين الداخلية والخارجية، فإن الفوسفوليبيدات الخمسة الرئيسية موزعة بشكل غير متماثل، كما هو موضح أدناه:

الطبقة الخارجية الأحادية

• فوسفاتيديل كولين (PC)؛
• السفينغوميلين (SM).

الطبقة الداخلية الأحادية

• فوسفاتيديل إيثانولامين (PE)؛
• فوسفاتيديل إينوزيتول (PI) (كميات صغيرة).
• فوسفاتيديل سيرين (PS)؛

يُعزى هذا التوزيع غير المتماثل للفوسفوليبيدات بين طبقتي الغشاء إلى وظيفة العديد من بروتينات نقل الفوسفوليبيدات ، بعضها يعتمد على الطاقة والبعض الآخر لا يعتمد عليها. تنقل بروتينات تُسمى " فليباز " الفوسفوليبيدات من الطبقة الخارجية إلى الطبقة الداخلية، بينما تقوم بروتينات أخرى تُسمى " فلوباز " بالعملية المعاكسة، أي عكس تدرج التركيز بطريقة تعتمد على الطاقة. إضافةً إلى ذلك، توجد أيضًا بروتينات " سكرامبليز " التي تنقل الفوسفوليبيدات في كلا الاتجاهين في آنٍ واحد، وفقًا لتدرجات تركيزها بطريقة لا تعتمد على الطاقة. ولا يزال هناك جدل كبير قائم حول هوية هذه البروتينات المسؤولة عن صيانة غشاء خلايا الدم الحمراء.

يُعد الحفاظ على توزيع غير متماثل للفوسفوليبيدات في الطبقة الثنائية (مثل التموضع الحصري للفوسفاتيديل سيرين والفوسفاتيديل إينوزيتول في الطبقة الأحادية الداخلية) أمرًا بالغ الأهمية لسلامة الخلية ووظيفتها لعدة أسباب:

• تتعرف الخلايا البلعمية على خلايا الدم الحمراء التي تُظهر الفوسفاتيديل سيرين على سطحها الخارجي، وتقوم بابتلاعها . لذا، فإن حصر الفوسفاتيديل سيرين في الطبقة الأحادية الداخلية أمر ضروري لبقاء الخلية على قيد الحياة في مواجهة خلايا الجهاز الشبكي البطاني بشكل متكرر ، وخاصة في الطحال .
• وقد تم ربط التدمير المبكر لخلايا الدم الحمراء المصابة بالثلاسيميا والمنجلية باضطرابات عدم تناسق الدهون مما يؤدي إلى كشف PS على الطبقة الأحادية الخارجية.
• قد يؤدي تعرض الفوسفاتيديل سيرين (PS) إلى زيادة التصاق خلايا الدم الحمراء بالخلايا البطانية الوعائية، مما يعيق مرورها الطبيعي عبر الأوعية الدموية الدقيقة. لذا، من المهم الحفاظ على وجود الفوسفاتيديل سيرين في الطبقة الداخلية فقط من الغشاء ثنائي الطبقة لضمان تدفق الدم الطبيعي في الدورة الدموية الدقيقة.
• يُمكن لكلٍّ من الفوسفاتيديل سيرين (PS) وفوسفاتيديل إينوزيتول 4،5-ثنائي الفوسفات (PIP2) تنظيم الوظيفة الميكانيكية للغشاء، وذلك من خلال تفاعلاتهما مع البروتينات الهيكلية مثل السبيكترين والبروتين 4.1R . وقد أظهرت دراسات حديثة أن ارتباط السبيكترين بالفوسفاتيديل سيرين يُعزز استقرار الغشاء الميكانيكي. يُحسّن PIP2 ارتباط البروتين 4.1R بالجليكوبروتين C ، ولكنه يُقلل من تفاعله مع البروتين 3 ، وبالتالي قد يُعدّل ارتباط الطبقة الثنائية بالهيكل الغشائي.

وصفت دراسات حديثة وجود تراكيب متخصصة تُسمى " جزر الدهون " في غشاء خلايا الدم الحمراء. هذه التراكيب غنية بالكوليسترول والدهون السفينغولية المرتبطة ببروتينات غشائية محددة، وهي: الفلوتيلينات ، والستوماتينات (البروتين 7)، والبروتينات G ، ومستقبلات بيتا الأدرينالية . وقد تبين أن جزر الدهون، التي لها دور في إشارات الخلايا غير الحمراء، تعمل في الخلايا الحمراء على التوسط في إشارات مستقبلات بيتا 2 الأدرينالية وزيادة مستويات cAMP ، وبالتالي تنظيم دخول طفيليات الملاريا إلى خلايا الدم الحمراء الطبيعية. ^{[ 30 ] [ 31 ]}

البروتينات الغشائية

تُعد البروتينات المكونة للهيكل الغشائي مسؤولة عن قابلية التشوه والمرونة والمتانة لخلايا الدم الحمراء، مما يُمكّنها من المرور عبر الشعيرات الدموية التي يقل قطرها عن نصف قطر خلية الدم الحمراء (7-8 ميكرومتر) واستعادة شكلها القرصي بمجرد توقف هذه الخلايا عن تلقي قوى الضغط، بطريقة مشابهة لجسم مصنوع من المطاط.

يوجد حاليًا أكثر من 50 بروتينًا غشائيًا معروفًا ، يتراوح عددها بين بضع مئات ومليون نسخة في كل خلية دم حمراء. يحمل حوالي 25 من هذه البروتينات الغشائية مستضدات فصائل الدم المختلفة، مثل مستضدات A وB وRh، وغيرها الكثير. تؤدي هذه البروتينات الغشائية وظائف متنوعة، منها نقل الأيونات والجزيئات عبر غشاء خلية الدم الحمراء، والالتصاق والتفاعل مع خلايا أخرى كالخلايا البطانية، والعمل كمستقبلات إشارات، بالإضافة إلى وظائف أخرى غير معروفة حاليًا. تُعزى فصائل الدم لدى البشر إلى اختلافات في البروتينات السكرية السطحية لخلايا الدم الحمراء. ترتبط اضطرابات البروتينات في هذه الأغشية بالعديد من الأمراض، مثل كثرة الكريات الحمر الكروية الوراثية ، وكثرة الكريات الحمر البيضاوية الوراثية ، وكثرة الكريات الحمر الفموية الوراثية ، وبيلة ​​الهيموغلوبين الليلية الانتيابية . ^{[ 29 ] [ 30 ]}

بروتينات غشاء خلايا الدم الحمراء مرتبة حسب وظيفتها:

ينقل

• البروتين الناقل للأنيونات ( البروتين 3) ، وهو أيضًا مكون هيكلي مهم لغشاء خلايا الدم الحمراء، يشكل ما يصل إلى 25% من سطح غشاء الخلية، وتحتوي كل خلية دم حمراء على ما يقرب من مليون نسخة منه. وهو ما يحدد فصيلة الدم دييغو ؛ ^{[ 33 ]}
• أكوابورين 1 - ناقل الماء، يحدد فصيلة دم كولتون ؛
• Glut1 – ناقل الجلوكوز وحمض L-ديهيدروأسكوربيك ؛
• MCT1 – ناقل أحادي الكربوكسيلات لتصدير حمض اللاكتيك إلى الكبد. انظر دورة كوري ؛ ^{[ 34 ]}
• بروتين مستضد كيد - ناقل اليوريا؛
• RHAG - ناقل الغاز، ربما لثاني أكسيد الكربون، يحدد فصيلة الدم Rh والنمط الظاهري غير العادي المرتبط بها Rh _null ؛
• Na ⁺ /K ⁺ – ATPase ;
• Ca ²⁺ – ATPase ;
• Na ⁺ K ⁺ 2Cl ⁻ – ناقل مشترك ;
• Na ⁺ -Cl ⁻ – ناقل مشترك ;
• مبادل الصوديوم والهيدروجين ؛
• ناقل مشترك K-Cl ؛
• قناة غاردوس .

التصاق الخلايا

• ICAM-4 – يتفاعل مع الإنتغرينات ؛
• BCAM – بروتين سكري يحدد فصيلة الدم اللوثرية ويعرف أيضًا باسم Lu أو البروتين الرابط لللامينين .

الدور الهيكلي - تعمل البروتينات الغشائية التالية على إنشاء روابط مع البروتينات الهيكلية وقد تلعب دورًا مهمًا في تنظيم التماسك بين الطبقة الدهنية الثنائية والهيكل الغشائي، مما قد يمكّن الخلية الحمراء من الحفاظ على مساحة سطح الغشاء المواتية عن طريق منع الغشاء من الانهيار (التكيس).

• مركب جزيئي ضخم قائم على الأنكيرين - بروتينات تربط الطبقة الثنائية بالهيكل الغشائي من خلال تفاعل نطاقاتها السيتوبلازمية مع الأنكيرين .
  • يقوم النطاق 3 أيضًا بتجميع العديد من إنزيمات التحلل السكري ، وناقل _ثاني أكسيد الكربون المفترض ، وأنهيدراز الكربونيك في مركب جزيئي ضخم يسمى " ميتابولون "، والذي قد يلعب دورًا رئيسيًا في تنظيم استقلاب خلايا الدم الحمراء ووظيفة نقل الأيونات والغازات .
  • RHAG - يشارك أيضًا في النقل، ويحدد النمط الظاهري غير العادي المرتبط بفصيلة الدم Rh _mod .
• مركب جزيئي ضخم قائم على البروتين 4.1R - البروتينات التي تتفاعل مع البروتين 4.1R .
  • البروتين 4.1R – تعبير ضعيف عن مستضدات جرثومة الجرب ؛
  • بروتين جليكوبروتين C و D – بروتين سكري، يحدد فصيلة دم جيربيتش ؛
  • XK – يحدد فصيلة دم كيل والنمط الظاهري غير العادي لماكلويد (نقص مستضد Kx وانخفاض كبير في التعبير عن مستضدات كيل)؛
  • RhD/RhCE – يحدد فصيلة الدم Rh والنمط الظاهري غير العادي المرتبط بها Rh _null ؛
  • تم اقتراح أن بروتين دافي مرتبط بتصفية الكيموكين ؛ ^{[ 35 ]}
  • أدكتين – التفاعل مع النطاق 3؛
  • ديماتين - التفاعل مع ناقل الجلوكوز Glut1.

^{[ 29 ] [ 30 ]}

جهد زيتا هو خاصية كهروكيميائية لأسطح الخلايا، ويتحدد بالشحنة الكهربائية الصافية للجزيئات المعرضة على سطح أغشية الخلايا. يبلغ جهد زيتا الطبيعي لخلايا الدم الحمراء -15.7  ملي فولت (mV). ^{[ 36 ]} ويبدو أن جزءًا كبيرًا من هذا الجهد ناتج عن بقايا حمض السياليك المكشوفة في الغشاء: إذ يؤدي إزالتها إلى جهد زيتا قدره -6.06  ملي فولت.

تذكر أن عملية التنفس ، كما هو موضح تخطيطيًا هنا بوحدة من الكربوهيدرات، تنتج عددًا من جزيئات ثاني أكسيد الكربون، CO2، يساوي تقريبًا _عدد جزيئات الأكسجين، _O2 . ^{[ 37 ]}

${\displaystyle {\ce {HCOH + O2 -> CO2 + H2O}}}$

وبالتالي، فإن وظيفة الجهاز الدوري لا تقل أهمية عن نقل الأكسجين، فهي لا تقتصر على نقل ثاني أكسيد الكربون فحسب، بل تشمل نقل الأكسجين أيضاً. وكما ذُكر في موضع آخر من هذه المقالة، فإن معظم ثاني أكسيد الكربون في الدم يكون على شكل أيون البيكربونات، الذي يُوفر مُنظماً حرجاً لدرجة الحموضة . ^{[ 38 ]} لذا، وعلى عكس الهيموجلوبين المسؤول عن نقل الأكسجين _{، فإن عدم وجود جزيء ناقل مُخصص لثاني} أكسيد الكربون يُعد ميزة فسيولوجية .

مع ذلك، تلعب خلايا الدم الحمراء دورًا محوريًا في عملية نقل ثاني أكسيد الكربون _، وذلك لسببين. أولًا، لأنها، بالإضافة إلى الهيموجلوبين، تحتوي على عدد كبير من نسخ إنزيم الأنهيدراز الكربوني على الغشاء الخلوي الداخلي. ^{[ 39 ]} يعمل الأنهيدراز الكربوني، كما يوحي اسمه، كمحفز لتبادل حمض الكربونيك وثاني أكسيد الكربون (وهو أنهيدريد حمض الكربونيك). ولأنه محفز، فإنه يؤثر على العديد من جزيئات ثاني أكسيد الكربون _، وبالتالي يؤدي دوره الأساسي دون الحاجة إلى عدد كبير من النسخ كما هو الحال لنقل الأكسجين _بواسطة الهيموجلوبين. في وجود هذا المحفز، يصل ثاني أكسيد الكربون وحمض الكربونيك إلى حالة توازن بسرعة كبيرة، بينما لا تزال خلايا الدم الحمراء تتحرك عبر الشعيرات الدموية. وهكذا، تضمن خلايا الدم الحمراء نقل معظم ثاني أكسيد الكربون على شكل بيكربونات _. ^{[ 40 ] [ 41 ]} عند درجة الحموضة الفسيولوجية، يميل التوازن بشدة لصالح حمض الكربونيك، الذي يتفكك في الغالب إلى أيون البيكربونات. ^{[ 42 ]}

${\displaystyle {\ce {CO2 + H2O <=>> H2CO3 <=>> HCO3- + H+}}}$

تعمل أيونات H+ التي يتم إطلاقها من خلال هذا التفاعل السريع داخل خلايا الدم الحمراء، بينما لا تزال في الشعيرات الدموية، على تقليل ألفة ارتباط الأكسجين بالهيموجلوبين، وهو تأثير بور .

تتمثل المساهمة الرئيسية الثانية لخلايا الدم الحمراء في نقل ثاني أكسيد الكربون في تفاعله المباشر مع مكونات بروتين الغلوبين في الهيموغلوبين لتكوين مركبات كاربامينوهيموغلوبين . ومع إطلاق الأكسجين في الأنسجة، يرتبط المزيد من ثاني أكسيد الكربون _{بالهيموغلوبين} ، وعندما يرتبط الأكسجين في الرئتين، فإنه يحل محل ثاني أكسيد الكربون المرتبط بالهيموغلوبين _، وهذا ما يُعرف بتأثير هالدين . وعلى الرغم من أن كمية ضئيلة فقط من ثاني أكسيد الكربون _في الدم ترتبط بالهيموغلوبين في الدم الوريدي، فإن نسبة أكبر من التغير في محتوى ثاني أكسيد الكربون _بين الدم الوريدي والشرياني ناتجة عن التغير في هذا ثاني أكسيد الكربون المرتبط _. [ ^{43 ] أي} أن هناك وفرة دائمة من البيكربونات في الدم، سواء الوريدي أو الشرياني، نظرًا لدورها المذكور سابقًا كمنظم لدرجة الحموضة.

باختصار، ينتشر ثاني أكسيد الكربون الناتج عن التنفس الخلوي بسرعة كبيرة إلى مناطق ذات تركيز أقل، وتحديدًا إلى الشعيرات الدموية المجاورة. ^{[ 44 ] [ 45 ]} عند انتشاره إلى داخل خلية الدم الحمراء، يتحول ثاني أكسيد الكربون _بسرعة بواسطة إنزيم الأنهيدراز الكربوني الموجود على الغشاء الداخلي للخلية إلى أيون البيكربونات. تغادر أيونات البيكربونات بدورها خلية الدم الحمراء مقابل أيونات الكلوريد من البلازما، وذلك بفضل بروتين نقل الأنيونات من النوع 3 الموجود في غشاء خلية الدم الحمراء. لا يعود أيون البيكربونات إلى خارج الشعيرة الدموية، بل يُنقل إلى الرئتين. في الرئتين، يؤدي انخفاض الضغط الجزئي لثاني أكسيد الكربون في الحويصلات الهوائية إلى انتشاره بسرعة من الشعيرة الدموية إلى الحويصلات الهوائية. يحافظ إنزيم الأنهيدراز الكربوني في خلايا الدم الحمراء على توازن أيون البيكربونات مع ثاني أكسيد الكربون. لذا، عندما يخرج ثاني أكسيد الكربون من الشعيرة الدموية، ويحل الأكسجين _محل ثاني _{أكسيد الكربون} على الهيموجلوبين، يتحول أيون البيكربونات بكمية كافية وبسرعة إلى ثاني أكسيد الكربون للحفاظ على التوازن. ^{[ 39 ] [ 46 ] [ 47 ] [ 48 ]}

عندما تتعرض خلايا الدم الحمراء لإجهاد القص في الأوعية الدموية المتضيقة، فإنها تطلق الأدينوسين ثلاثي الفوسفات (ATP )، مما يؤدي إلى استرخاء جدران الأوعية وتوسعها لتعزيز تدفق الدم الطبيعي. ^{[ 49 ]}

عندما يتم إزالة الأكسجين من جزيئات الهيموجلوبين الخاصة بها، تطلق خلايا الدم الحمراء S-Nitrosothiols ، والتي تعمل أيضًا على توسيع الأوعية الدموية، ^{[ 50 ]} وبالتالي توجيه المزيد من الدم إلى مناطق الجسم التي تعاني من نقص الأكسجين.

تستطيع خلايا الدم الحمراء أيضاً تصنيع أكسيد النيتريك إنزيمياً، باستخدام الأرجينين كمادة أساسية، كما تفعل الخلايا البطانية . ^{[ 51 ]} يؤدي تعريض خلايا الدم الحمراء لمستويات فسيولوجية من إجهاد القص إلى تنشيط إنزيم أكسيد النيتريك سينثاز وتصدير أكسيد النيتريك، ^{[ 52 ]} مما قد يساهم في تنظيم توتر الأوعية الدموية.

تستطيع خلايا الدم الحمراء أيضاً إنتاج كبريتيد الهيدروجين ، وهو غاز إشاري يعمل على إرخاء جدران الأوعية الدموية. ويُعتقد أن التأثيرات الوقائية للثوم على القلب تعود إلى تحويل خلايا الدم الحمراء لمركبات الكبريت الموجودة فيه إلى كبريتيد الهيدروجين. ^{[ 53 ]}

تؤدي خلايا الدم الحمراء أيضاً دوراً في استجابة الجسم المناعية : فعندما تتحلل بفعل مسببات الأمراض مثل البكتيريا، يطلق الهيموجلوبين الموجود فيها جذوراً حرة ، والتي بدورها تُحلل جدار الخلية والغشاء الخاص بمسبب المرض، مما يؤدي إلى قتله. ^{[ 54 ] [ 55 ]}

نتيجةً لعدم احتوائها على الميتوكوندريا ، لا تستخدم خلايا الدم الحمراء أيًا من الأكسجين الذي تنقله؛ بل تُنتج جزيء ATP، وهو ناقل الطاقة ، من خلال تحلل الجلوكوز وتخمر حمض اللاكتيك على البيروفات الناتج . ^{[ 56 ] [ 57 ]} علاوة على ذلك، يلعب مسار فوسفات البنتوز دورًا هامًا في خلايا الدم الحمراء؛ انظر نقص إنزيم نازعة هيدروجين الجلوكوز-6-فوسفات لمزيد من المعلومات.

بما أن خلايا الدم الحمراء لا تحتوي على نواة، فمن المفترض حاليًا أن عملية تخليق البروتين غائبة في هذه الخلايا.

بسبب افتقارها للنوى والعضيات، لا تحتوي خلايا الدم الحمراء الناضجة على الحمض النووي (DNA) ولا تستطيع تصنيع الحمض النووي الريبوزي (RNA ) (على الرغم من احتوائها على الحمض النووي الريبوزي)، ^{[ 58 ] [ 59 ]} وبالتالي لا يمكنها الانقسام ولديها قدرات محدودة على الإصلاح. ^{[ 60 ]} إن عدم قدرتها على تصنيع البروتين يعني أنه لا يمكن لأي فيروس أن يتطور ليستهدف خلايا الدم الحمراء لدى الثدييات. ^{[ 61 ]} ومع ذلك، يمكن أن تؤثر العدوى بالفيروسات الصغيرة (مثل فيروس بارفو البشري B19 ) على سلائف خلايا الدم الحمراء بينما لا تزال تحتوي على الحمض النووي (DNA)، كما يتضح من وجود خلايا أرومية حمراء عملاقة تحتوي على جزيئات فيروسية وأجسام تضمينية ، مما يؤدي إلى استنزاف مؤقت للخلايا الشبكية في الدم والتسبب في فقر الدم . ^{[ 62 ]}

تكوين الكريات الحمراء هو العملية التي يتم من خلالها إنتاج خلايا دم حمراء جديدة، وتستغرق حوالي 7 أيام. خلال هذه العملية، تُنتَج خلايا الدم الحمراء باستمرار في نخاع العظم الأحمر للعظام الكبيرة. (في الجنين ، يُعد الكبد الموقع الرئيسي لإنتاج خلايا الدم الحمراء). يمكن تحفيز هذا الإنتاج بواسطة هرمون الإريثروبويتين (EPO)، الذي تُصنّعه الكلية. قبل مغادرة نخاع العظم وبعدها مباشرة، تُعرف الخلايا النامية بالخلايا الشبكية ؛ وهي تُشكّل حوالي 1% من خلايا الدم الحمراء المنتشرة في الدم.

يبلغ العمر الوظيفي لخلايا الدم الحمراء حوالي 100-120 يومًا، وخلال هذه الفترة تتحرك خلايا الدم الحمراء باستمرار في الجهاز الدوري. ^{[ 64 ]}

تخضع خلايا الدم الحمراء الهرمة لتغيرات في غشائها البلازمي ، مما يجعلها عرضة للتعرف الانتقائي من قبل البلاعم ، وبالتالي البلعمة في الجهاز البلعمي أحادي النواة ( الطحال والكبد والعقد اللمفاوية )، وبالتالي إزالة الخلايا القديمة والتالفة وتنقية الدم باستمرار. تُعرف هذه العملية باسم موت خلايا الدم الحمراء المبرمج (إريبتوزيس ) . ^{[ 65 ]} تحدث هذه العملية عادةً بنفس معدل إنتاج خلايا الدم الحمراء عن طريق عملية تكوين الكريات الحمراء، مما يحافظ على توازن العدد الإجمالي لخلايا الدم الحمراء في الدورة الدموية. يزداد معدل الإريبتوزيس في مجموعة واسعة من الأمراض، بما في ذلك الإنتان ، ومتلازمة انحلال الدم اليوريمي ، والملاريا ، وفقر الدم المنجلي ، وبيتا ثلاسيميا ، ونقص إنزيم جلوكوز-6-فوسفات ديهيدروجينيز ، ونقص الفوسفات، ونقص الحديد، وداء ويلسون . يمكن أن يحدث موت الخلايا الحمراء المبرمج (Eryptosis) نتيجةً للصدمة الأسموزية، والإجهاد التأكسدي ، ونقص الطاقة، بالإضافة إلى مجموعة واسعة من الوسائط الداخلية والمواد الغريبة . ويُلاحظ فرط موت الخلايا الحمراء المبرمج في خلايا الدم الحمراء التي تفتقر إلى بروتين كيناز المعتمد على cGMP من النوع الأول أو بروتين كيناز المنشط بواسطة AMP (AMPK). وتشمل مثبطات موت الخلايا الحمراء المبرمج الإريثروبويتين ، وأكسيد النيتريك ، والكاتيكولامينات ، والتركيزات العالية من اليوريا .

تُعاد تدوير معظم نواتج التحلل الناتجة في الجسم. يتحلل الهيم، وهو أحد مكونات الهيموجلوبين، إلى حديد (Fe³⁺ ⁾ وبيلفيردين . يُختزل البيلفيردين إلى بيليروبين ، الذي يُطلق في البلازما ويُعاد تدويره إلى الكبد مرتبطًا بالألبومين . يُطلق الحديد في البلازما ليُعاد تدويره بواسطة بروتين ناقل يُسمى ترانسفيرين . تُزال جميع خلايا الدم الحمراء تقريبًا من الدورة الدموية بهذه الطريقة قبل أن تبلغ من العمر ما يكفي للتحلل . يرتبط الهيموجلوبين المتحلل ببروتين في البلازما يُسمى هابتوغلوبين ، والذي لا يُفرز عن طريق الكلى. ^{[ 66 ]}

تشمل أمراض الدم التي تصيب خلايا الدم الحمراء ما يلي:

• فقر الدم (أو فقر الدم) هو مرض يتميز بانخفاض قدرة الدم على نقل الأكسجين، بسبب انخفاض عدد خلايا الدم الحمراء أو وجود خلل ما في خلايا الدم الحمراء أو الهيموجلوبين.

• فقر الدم الناتج عن نقص الحديد هو أكثر أنواع فقر الدم شيوعاً؛ ويحدث عندما يكون تناول الحديد في النظام الغذائي أو امتصاصه غير كافٍ، ولا يمكن تكوين الهيموجلوبين الذي يحتوي على الحديد.

• فقر الدم الخبيث هو مرض مناعي ذاتي يفتقر فيه الجسم إلى العامل الداخلي ، وهو ضروري لامتصاص فيتامين ب ₁₂ من الطعام. يُعد فيتامين ب ₁₂ ضروريًا لإنتاج خلايا الدم الحمراء والهيموجلوبين.

• مرض فقر الدم المنجلي هو مرض وراثي ينتج عنه جزيئات هيموجلوبين غير طبيعية. عندما تُطلق هذه الجزيئات حمولتها من الأكسجين في الأنسجة، تصبح غير قابلة للذوبان، مما يؤدي إلى تشوه خلايا الدم الحمراء. تتميز هذه الخلايا المنجلية الشكل بقلة مرونتها وقلة قابليتها للتشوه ، مما يعني أنها تصبح صلبة وقد تُسبب انسداد الأوعية الدموية، والألم، والسكتات الدماغية، وتلف الأنسجة.

• الثلاسيميا مرض وراثي ينتج عنه إنتاج نسبة غير طبيعية من وحدات الهيموجلوبين الفرعية.

• متلازمات كثرة الكريات الحمر الكروية الوراثية هي مجموعة من الاضطرابات الوراثية التي تتميز بوجود عيوب في غشاء خلايا الدم الحمراء ، مما يجعلها صغيرة وكروية الشكل وهشة بدلاً من أن تكون حلقية الشكل ومرنة. يقوم الطحال بتدمير هذه الخلايا غير الطبيعية . وهناك العديد من الاضطرابات الوراثية الأخرى المعروفة التي تصيب غشاء خلايا الدم الحمراء. ^{[ 67 ]}

• يحدث فقر الدم اللاتنسجي بسبب عدم قدرة نخاع العظم على إنتاج خلايا الدم.

• يحدث فقر الدم النقي بسبب عدم قدرة نخاع العظم على إنتاج خلايا الدم الحمراء فقط.

• انحلال الدم هو المصطلح العام للتحلل المفرط لخلايا الدم الحمراء. وله أسباب عديدة، وقد يؤدي إلى فقر الدم الانحلالي .

• يقضي طفيل الملاريا جزءًا من دورة حياته داخل خلايا الدم الحمراء، ويتغذى على الهيموجلوبين فيها ثم يحللها، مما يسبب الحمى. وينتشر كل من مرض فقر الدم المنجلي والثلاسيميا بشكل أكبر في المناطق الموبوءة بالملاريا، لأن هذه الطفرات توفر بعض الحماية ضد الطفيل.

• كثرة الحمر (أو داء كثرة الكريات الحمر) هي أمراض تتميز بزيادة عدد خلايا الدم الحمراء. ويمكن أن تؤدي زيادة لزوجة الدم إلى ظهور عدد من الأعراض.

• في حالة كثرة الحمر الحقيقية، ينتج ازدياد عدد خلايا الدم الحمراء عن خلل في نخاع العظم.

• تظهر العديد من أمراض الأوعية الدموية الدقيقة ، بما في ذلك التخثر المنتشر داخل الأوعية الدموية واعتلالات الأوعية الدموية الدقيقة الخثارية ، بوجود شظايا مميزة (تشخيصية) من خلايا الدم الحمراء تُسمى الخلايا الشظوية . تُنتج هذه الأمراض خيوطًا من الفيبرين تقطع خلايا الدم الحمراء أثناء محاولتها المرور عبر الخثرة .

قد تُعطى خلايا الدم الحمراء كجزء من عملية نقل الدم . يمكن التبرع بالدم من شخص آخر، أو تخزينه لدى المتلقي مسبقًا. عادةً ما يتطلب الدم المتبرع به فحصًا للتأكد من خلو المتبرعين من عوامل خطر الإصابة بالأمراض المنقولة بالدم، أو من عدم تعرضهم للخطر نتيجة التبرع بالدم. يُجمع الدم عادةً ويُفحص للكشف عن الأمراض الشائعة أو الخطيرة المنقولة بالدم ، بما في ذلك التهاب الكبد B والتهاب الكبد C وفيروس نقص المناعة البشرية. تُحدد فصيلة الدم (A أو B أو AB أو O) أو منتج الدم وتُطابق مع دم المتلقي لتقليل احتمالية حدوث تفاعل انحلال الدم الحاد ، وهو نوع من تفاعلات نقل الدم . يرتبط هذا بوجود مستضدات على سطح الخلية. بعد هذه العملية، يُخزن الدم ويُستخدم خلال فترة قصيرة. يمكن إعطاء الدم كمنتج كامل أو خلايا الدم الحمراء مفصولة ومُعبأة .

يُجرى نقل الدم عادةً عند وجود فقر دم معروف، أو نزيف نشط، أو عند توقع فقدان كمية كبيرة من الدم، كما هو الحال قبل إجراء عملية جراحية. قبل إعطاء الدم، تُفحص عينة صغيرة من دم المتلقي مع الدم المنقول في عملية تُعرف باسم اختبار التوافق .

في عام ٢٠٠٨، أُفيد بنجاح تحويل الخلايا الجذعية الجنينية البشرية إلى خلايا دم حمراء في المختبر. تمثلت الخطوة الصعبة في حث الخلايا على إخراج نواتها، وقد تحقق ذلك من خلال زراعة الخلايا على خلايا اللحمة المتوسطة من نخاع العظم. ويُؤمل أن تُستخدم خلايا الدم الحمراء الاصطناعية هذه في عمليات نقل الدم في نهاية المطاف. ^{[ ٦٨ ]}

أُجريت تجربة سريرية على البشر في عام 2022، باستخدام دم مُستنبت من خلايا جذعية مأخوذة من دم متبرع. ^{[ 69 ]}

تتضمن العديد من فحوصات الدم فحص خلايا الدم الحمراء. وتشمل هذه الفحوصات تعداد خلايا الدم الحمراء (عدد خلايا الدم الحمراء في وحدة حجم الدم)، وحساب الهيماتوكريت (نسبة حجم الدم التي تشغلها خلايا الدم الحمراء)، وسرعة ترسب كريات الدم الحمراء . ويجب تحديد فصيلة الدم استعدادًا لنقل الدم أو زراعة الأعضاء .

تُشخَّص العديد من الأمراض التي تصيب خلايا الدم الحمراء عن طريق فحص مسحة الدم (أو مسحة الدم المحيطي)، حيث تُفرَز طبقة رقيقة من الدم على شريحة مجهرية. قد يكشف هذا الفحص عن تغيرات في شكل خلايا الدم الحمراء، مثل تباين شكلها. أحيانًا تتراص خلايا الدم الحمراء على شكل طبقات، بحيث يكون سطحها المسطح متجاورًا. يُعرف هذا بتكوين الرول ، ويكثر حدوثه عند ارتفاع مستويات بعض بروتينات المصل، كما هو الحال أثناء الالتهاب .

يمكن الحصول على خلايا الدم الحمراء من الدم الكامل عن طريق الطرد المركزي ، الذي يفصل الخلايا عن بلازما الدم في عملية تُعرف بتجزئة الدم . تُستخدم خلايا الدم الحمراء المُكدسة ، المُصنعة بهذه الطريقة من الدم الكامل بعد إزالة البلازما، في طب نقل الدم . ^{[ 70 ]} أثناء التبرع بالبلازما ، تُضخ خلايا الدم الحمراء إلى الجسم مباشرةً، ويتم جمع البلازما فقط.

لجأ بعض الرياضيين إلى تحسين أدائهم عن طريق تعاطي المنشطات الدموية : حيث  يُسحب لتر واحد تقريبًا من دمائهم، ثم تُفصل خلايا الدم الحمراء وتُجمد وتُخزن، ليتم حقنها مجددًا قبل المنافسة بفترة وجيزة. (يمكن حفظ خلايا الدم الحمراء لمدة 5 أسابيع عند درجة حرارة -79 درجة مئوية أو -110 درجة فهرنهايت ، أو لأكثر من 10 سنوات باستخدام مواد حافظة للتجميد ^{[ 71 ]} ). يصعب كشف هذه الممارسة، لكنها قد تُعرّض الجهاز القلبي الوعائي للخطر ، فهو غير مُهيأ للتعامل مع الدم ذي اللزوجة العالية الناتجة . وهناك طريقة أخرى لتعاطي المنشطات الدموية تتضمن حقن الإريثروبويتين لتحفيز إنتاج خلايا الدم الحمراء. وقد حظرت الوكالة العالمية لمكافحة المنشطات كلا الممارستين .