Red blood cell

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 ]}

Red blood cells in mammals are anucleate when mature, meaning that they lack a cell nucleus. In comparison, the red blood cells of other vertebrates have nuclei; the only known exceptions are salamanders of the family Plethodontidae, where five different clades has evolved various degrees of enucleated red blood cells (most evolved in some species of the genus Batrachoseps), and fish of the genus Maurolicus.^[26][27][28]

The elimination of the nucleus in vertebrate red blood cells has been offered as an explanation for the subsequent accumulation of non-coding DNA in the genome.^[17] The argument runs as follows: Efficient gas transport requires red blood cells to pass through very narrow capillaries, and this constrains their size. In the absence of nuclear elimination, the accumulation of repeat sequences is constrained by the volume occupied by the nucleus, which increases with genome size.

Nucleated red blood cells in mammals consist of two forms: normoblasts, which are normal erythropoietic precursors to mature red blood cells, and megaloblasts, which are abnormally large precursors that occur in megaloblastic anemias.

Red blood cells are deformable, flexible, are able to adhere to other cells, and are able to interface with immune cells. Their membrane plays many roles in this. These functions are highly dependent on the membrane composition. The red blood cell membrane is composed of 3 layers: the glycocalyx on the exterior, which is rich in carbohydrates; the lipid bilayer which contains many transmembrane proteins, besides its lipidic main constituents; and the membrane skeleton, a structural network of proteins located on the inner surface of the lipid bilayer. Half of the membrane mass in human and most mammalian red blood cells are proteins. The other half are lipids, namely phospholipids and cholesterol.^[29]

Membrane lipids

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.
• Both PS and phosphatidylinositol 4,5-bisphosphate (PIP2) can regulate membrane mechanical function, due to their interactions with skeletal proteins such as spectrin and protein 4.1R. Recent studies have shown that binding of spectrin to PS promotes membrane mechanical stability. PIP2 enhances the binding of protein band 4.1R to glycophorin C but decreases its interaction with protein band 3, and thereby may modulate the linkage of the bilayer to the membrane skeleton.

The presence of specialized structures named "lipid rafts" in the red blood cell membrane have been described by recent studies. These are structures enriched in cholesterol and sphingolipids associated with specific membrane proteins, namely flotillins, STOMatins (band 7), G-proteins, and β-adrenergic receptors. Lipid rafts that have been implicated in cell signaling events in nonerythroid cells have been shown in erythroid cells to mediate β2-adregenic receptor signaling and increase cAMP levels, and thus regulating entry of malarial parasites into normal red cells.^[30][31]

Membrane proteins

The proteins of the membrane skeleton are responsible for the deformability, flexibility and durability of the red blood cell, enabling it to squeeze through capillaries less than half the diameter of the red blood cell (7–8 μm) and recovering the discoid shape as soon as these cells stop receiving compressive forces, in a similar fashion to an object made of rubber.

There are currently more than 50 known membrane proteins, which can exist in a few hundred up to a million copies per red blood cell. Approximately 25 of these membrane proteins carry the various blood group antigens, such as the A, B and Rh antigens, among many others. These membrane proteins can perform a wide diversity of functions, such as transporting ions and molecules across the red cell membrane, adhesion and interaction with other cells such as endothelial cells, as signaling receptors, as well as other currently unknown functions. The blood types of humans are due to variations in surface glycoproteins of red blood cells. Disorders of the proteins in these membranes are associated with many disorders, such as hereditary spherocytosis, hereditary elliptocytosis, hereditary stomatocytosis, and paroxysmal nocturnal hemoglobinuria.^[29][30]

The red blood cell membrane proteins organized according to their function:

Transport

• Band 3 – Anion transporter, also an important structural component of the red blood cell membrane, makes up to 25% of the cell membrane surface, each red cell contains approximately one million copies. Defines the Diego Blood Group;^[33]
• Aquaporin 1 – water transporter, defines the Colton Blood Group;
• Glut1 – glucose and L-dehydroascorbic acid transporter;
• MCT1 – Monocarboxylate transporter for exporting Lactic acid to the liver. See Cori cycle.;^[34]
• Kidd antigen protein – urea transporter;
• RHAG – gas transporter, probably of carbon dioxide, defines Rh Blood Group and the associated unusual blood group phenotype Rh_null;
• Na⁺/K⁺ – ATPase;
• Ca²⁺ – ATPase;
• Na⁺ K⁺ 2Cl⁻ – cotransporter;
• Na⁺-Cl⁻ – cotransporter;
• Na-H exchanger;
• K-Cl – cotransporter;
• Gardos Channel.

Cell adhesion

• ICAM-4 – interacts with integrins;
• BCAM – a glycoprotein that defines the Lutheran blood group and also known as Lu or laminin-binding protein.

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 الدموية 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.

Because of the lack of nuclei and organelles, mature red blood cells do not contain DNA and cannot synthesize any RNA (although it does contain RNAs),^[58][59] and consequently cannot divide and have limited repair capabilities.^[60] The inability to carry out protein synthesis means that no virus can evolve to target mammalian red blood cells.^[61] However, infection with parvoviruses (such as human parvovirus B19) can affect erythroid precursors while they still have DNA, as recognized by the presence of giant pronormoblasts with viral particles and inclusion bodies, thus temporarily depleting the blood of reticulocytes and causing anemia.^[62]

Erythropoiesis is the process by which new red blood cells are produced; it lasts about 7 days. Through this process red blood cells are continuously produced in the red bone marrow of large bones. (In the embryo, the liver is the main site of red blood cell production.) The production can be stimulated by the hormoneerythropoietin (EPO), synthesised by the kidney. Just before and after leaving the bone marrow, the developing cells are known as reticulocytes; these constitute about 1% of circulating red blood cells.

The functional lifetime of a red blood cell is about 100–120 days, during which time the red blood cells are continually moving in the circulatory system.^[64]

The aging red blood cell undergoes changes in its plasma membrane, making it susceptible to selective recognition by macrophages and subsequent phagocytosis in the mononuclear phagocyte system (spleen, liver and lymph nodes), thus removing old and defective cells and continually purging the blood. This process is termed eryptosis, red blood cell programmed death.^[65] This process normally occurs at the same rate of production by erythropoiesis, balancing the total circulating red blood cell count. Eryptosis is increased in a wide variety of diseases including sepsis, haemolytic uremic syndrome, malaria, sickle cell anemia, beta-thalassemia, glucose-6-phosphate dehydrogenase deficiency, phosphate depletion, iron deficiency and Wilson's disease. Eryptosis can be elicited by osmotic shock, oxidative stress, and energy depletion, as well as by a wide variety of endogenous mediators and xenobiotics. Excessive eryptosis is observed in red blood cells lacking the cGMP-dependent protein kinase type I or the AMP-activated protein kinase AMPK. Inhibitors of eryptosis include erythropoietin, nitric oxide, catecholamines and high concentrations of urea.

Much of the resulting breakdown products are recirculated in the body. The heme constituent of hemoglobin are broken down into iron (Fe³⁺) and biliverdin. The biliverdin is reduced to bilirubin, which is released into the plasma and recirculated to the liver bound to albumin. The iron is released into the plasma to be recirculated by a carrier protein called transferrin. Almost all red blood cells are removed in this manner from the circulation before they are old enough to hemolyze. Hemolyzed hemoglobin is bound to a protein in plasma called haptoglobin, which is not excreted by the kidney.^[66]

Blood diseases involving the red blood cells include:

• Anemias (or anaemias) are diseases characterized by low oxygen transport capacity of the blood, because of low red cell count or some abnormality of the red blood cells or the hemoglobin.

• Iron deficiency anemia is the most common anemia; it occurs when the dietary intake or absorption of iron is insufficient, and hemoglobin, which contains iron, cannot be formed.

• Pernicious anemia is an autoimmune disease wherein the body lacks intrinsic factor, required to absorb vitamin B₁₂ from food. Vitamin B₁₂ is needed for the production of red blood cells and hemoglobin.

• Sickle-cell disease is a genetic disease that results in abnormal hemoglobin molecules. When these release their oxygen load in the tissues, they become insoluble, leading to mis-shaped red blood cells. These sickle shaped red cells are less deformable and viscoelastic, meaning that they have become rigid and can cause blood vessel blockage, pain, strokes, and other tissue damage.

• Thalassemia is a genetic disease that results in the production of an abnormal ratio of hemoglobin subunits.

• Hereditary spherocytosis syndromes are a group of inherited disorders characterized by defects in the red blood cell's cell membrane, causing the cells to be small, sphere-shaped, and fragile instead of donut-shaped and flexible. These abnormal red blood cells are destroyed by the spleen. Several other hereditary disorders of the red blood cell membrane are known.^[67]

• Aplastic anemia is caused by the inability of the bone marrow to produce blood cells.

• Pure red cell aplasia is caused by the inability of the bone marrow to produce only red blood cells.

• Hemolysis is the general term for excessive breakdown of red blood cells. It can have several causes and can result in hemolytic anemia.

• The malaria parasite spends part of its life-cycle in red blood cells, feeds on their hemoglobin and then breaks them apart, causing fever. Both sickle-cell disease and thalassemia are more common in malaria areas, because these mutations convey some protection against the parasite.

• Polycythemias (or erythrocytoses) are diseases characterized by a surplus of red blood cells. The increased viscosity of the blood can cause a number of symptoms.

• In polycythemia vera the increased number of red blood cells results from an abnormality in the bone marrow.

• Several microangiopathic diseases, including disseminated intravascular coagulation and thrombotic microangiopathies, present with pathognomonic (diagnostic) red blood cell fragments called schistocytes. These pathologies generate fibrin strands that sever red blood cells as they try to move past a thrombus.

Red blood cells may be given as part of a blood transfusion. Blood may be donated from another person, or stored by the recipient at an earlier date. Donated blood usually requires screening to ensure that donors do not contain risk factors for the presence of blood-borne diseases, or will not suffer themselves by giving blood. Blood is usually collected and tested for common or serious blood-borne diseases including Hepatitis B, Hepatitis C and HIV. The blood type (A, B, AB, or O) or the blood product is identified and matched with the recipient's blood to minimise the likelihood of acute hemolytic transfusion reaction, a type of transfusion reaction. This relates to the presence of antigens on the cell's surface. After this process, the blood is stored, and within a short duration is used. Blood can be given as a whole product or the red blood cells separated as packed red blood cells.

Blood is often transfused when there is known anaemia, active bleeding, or when there is an expectation of serious blood loss, such as prior to an operation. Before blood is given, a small sample of the recipient's blood is tested with the transfusion in a process known as cross-matching.

In 2008 it was reported that human embryonic stem cells had been successfully coaxed into becoming red blood cells in the lab. The difficult step was to induce the cells to eject their nucleus; this was achieved by growing the cells on stromal cells from the bone marrow. It is hoped that these artificial red blood cells can eventually be used for blood transfusions.^[68]

A human trial is conducted in 2022, using blood cultured from stem cells obtained from donor blood.^[69]

Several blood tests involve red blood cells. These include a RBC count (the number of red blood cells per volume of blood), calculation of the hematocrit (percentage of blood volume occupied by red blood cells), and the erythrocyte sedimentation rate. The blood type needs to be determined to prepare for a blood transfusion or an organ transplantation.

Many diseases involving red blood cells are diagnosed with a blood film (or peripheral blood smear), where a thin layer of blood is smeared on a microscope slide. This may reveal poikilocytosis, which are variations in red blood cell shape. When red blood cells sometimes occur as a stack, flat side next to flat side. This is known as rouleaux formation, and it occurs more often if the levels of certain serum proteins are elevated, as for instance during inflammation.

Red blood cells can be obtained from whole blood by centrifugation, which separates the cells from the blood plasma in a process known as blood fractionation. Packed red blood cells, which are made in this way from whole blood with the plasma removed, are used in transfusion medicine.^[70] During plasma donation, the red blood cells are pumped back into the body right away and only the plasma is collected.

Some athletes have tried to improve their performance by blood doping: first about 1 litre of their blood is extracted, then the red blood cells are isolated, frozen and stored, to be reinjected shortly before the competition. (Red blood cells can be conserved for 5 weeks at −79 °C or −110 °F, or over 10 years using cryoprotectants^[71]) This practice is hard to detect but may endanger the human cardiovascular system which is not equipped to deal with blood of the resulting higher viscosity. Another method of blood doping involves injection with erythropoietin to stimulate production of red blood cells. Both practices are banned by the World Anti-Doping Agency.