Was passiert, wenn rote Blutkörperchen in reines Wasser gegeben werden?

Das Schicksal roter Blutkörperchen in reinem Wasser: Ein Fall von Osmose und Hämolyse

Rote Blutkörperchen, auch Erythrozyten genannt, sind die fleißigen Transportarbeiter unseres Blutes, die lebenswichtigen Sauerstoff zu den Zellen unseres Körpers befördern. Ihre Form – die charakteristische bikonkave Scheibe – ist dabei nicht zufällig. Sie ist optimal auf ihre Funktion abgestimmt und empfindlich auf Veränderungen ihrer Umgebung. Ein besonders anschauliches Beispiel für diese Empfindlichkeit liefert das Experiment, rote Blutkörperchen in reines Wasser zu geben. Das Ergebnis ist dramatisch: Die Zellen platzen. Doch warum?

Der Schlüssel zum Verständnis dieses Phänomens liegt im Begriff der Osmose. Osmose beschreibt den passiven Transport von Wasser durch eine semipermeable Membran, also eine Membran, die den Durchtritt bestimmter Stoffe selektiv erlaubt. Die Zellmembran der Erythrozyten ist eine solche semipermeable Membran. Sie lässt Wasser passieren, aber nicht alle gelösten Stoffe im Blutplasma.

Das Blutplasma ist eine wässrige Lösung, die zahlreiche gelöste Stoffe wie Proteine, Ionen (z.B. Natrium, Kalium, Chlorid) und Glucose enthält. Diese gelösten Stoffe erzeugen einen osmotischen Druck. Dieser Druck beschreibt das Bestreben des Wassers, durch die Zellmembran in den Bereich mit der höheren Konzentration an gelösten Stoffen zu fließen, um ein Konzentrationsgleichgewicht herzustellen.

In reinem Wasser hingegen ist die Konzentration an gelösten Stoffen verschwindend gering. Der osmotische Druck im Inneren der Erythrozyten, der durch die höhere Konzentration an gelösten Stoffen im Zellplasma verursacht wird, ist deutlich höher als der osmotische Druck im umgebenden Wasser. Dieser Unterschied im osmotischen Druck führt zu einem Nettofluss von Wasser in die roten Blutkörperchen.

Das Wasser strömt durch die Zellmembran in die Zelle und erhöht deren Volumen. Die Zellmembran ist jedoch nur begrenzt dehnbar. Sobald die Zelle ein bestimmtes Volumen überschreitet, kann die Zellmembran dem Druck nicht mehr standhalten und reißt. Dieser Prozess wird als Hämolyse bezeichnet. Die roten Blutkörperchen zerplatzen, und Hämoglobin, der rote Farbstoff, der den Sauerstoff transportiert, wird freigesetzt. Das Wasser wird trüb und nimmt eine leicht rötliche Färbung an.

Das Experiment verdeutlicht die Bedeutung der isotonischen Umgebung für rote Blutkörperchen. Eine isotone Lösung besitzt den gleichen osmotischen Druck wie das Zellplasma. In einer solchen Lösung findet kein Nettofluss von Wasser in oder aus der Zelle statt, und die Erythrozyten behalten ihre Form und Funktion. Im Gegensatz dazu führt eine hypotonische Lösung (wie reines Wasser), mit einem niedrigeren osmotischen Druck als das Zellplasma, zur Hämolyse, während eine hypertonische Lösung, mit einem höheren osmotischen Druck, zur Zellschrumpfung (Kräuselung) führt. Das Verständnis dieser osmotischen Vorgänge ist essentiell für viele Bereiche der Medizin, insbesondere für die Infusion von Flüssigkeiten und die Behandlung von Dehydration.