I biokemi er Rapoport-Lübering-cyklussen , også kendt som Rapoport-Lübering- shunt , Rapoport-Lübering-shuttle , phosphoglycerat-cyklus eller 2,3 -BPG-cyklus , en metabolisk vej , der primært forekommer i pattedyrs røde blodlegemer (erythrocytter) . , så er der en sekvens af enzymatisk kontrollerede kemiske reaktioner . Det er en sidevej til glykolyse , bestående af tre delreaktioner, og er central for energiproduktion og kulhydratmetabolisme i næsten alt levende. Rapoport-Lubering-cyklussen er således en af de biokemiske processer for nedbrydning af glukose i dyrekroppen .
Dens vigtigste reaktion er dannelsen af mellemproduktet 2,3-bisphosphoglycerat (2,3-BPG) fra 1,3-bisphosphoglycerat , dannet i glykolyse styret af enzymet bisphosphoglycerat mutase . 2,3-BPG, dannet i Rapoport-Lübering cyklussen, fungerer som en vigtig biokemisk effektor til at regulere evnen (affiniteten) af hæmoglobin, blodfarvestoffet, til at binde til luftvejsgas oxygen, især for deres langsigtede tilpasning til oxygen afsavn, hvilket gør det vigtigt at frigive ilt fra røde blodlegemer til væv. Det er også involveret i den enzymatiske kontrol af glykolyse og fungerer som et energi- og fosfatlager i røde blodlegemer.
Opdagelsen af Rapoport-Lubering-cyklussen og vigtigheden af 2,3-BPG i energibalancen af erytrocytter i 1940'erne af biokemikeren Samuel Mitya Rapoport og hans assistent Janet Lubering var af stor medicinsk betydning på grund af forståelsen af disse processer. holdbarheden af dåseblod kan forlænges betydeligt.
Rapoport- Lübering -cyklussen er et biprodukt af glykolyse i pattedyrserythrocytter , inklusive mennesker . Startende med 1,3-bisphosphoglycerat (1,3-BPG) fra glykolyse, fører det til dannelsen af 2,3-bisphosphoglycerat (2,3-BPG). Herfra dannes phosphoglycerinsyreforbindelserne 3-phosphoglycerat (3-PG) og ved dets isomerisering 2 -phosphoglycerat (2-PG), som indgår i glykolysereaktionen [1] .
Tilstedeværelsen af enzymet bisphosphoglycerat mutase (BPGM), der er ansvarlig for disse reaktioner, er i det væsentlige begrænset til erytrocytter og erytropoietisk væv og har, da det er et trifunktionelt enzym, tre forskellige aktiviteter [2] [3] . Afhængigt af pH -værdien virker den enten som en syntase (2,3-BPG-syntase, synonym for bisphosphoglyceratmutase; EF-nummer 5.4.2.4) til at omdanne 1,3-BPG til 2,3-BPG eller som en fosfatase . (2. 3-bisphosphoglyceratphosphatase; EF-nummer 3.1.3.13) for at omdanne 2,3-BPG til 3-PG. Derudover katalyserer den som en mutase (monophosphoglycerat mutase; EF-nummer 5.4.2.1) ligevægtsreaktionen mellem 3-PG og 2-PG [3] .
Hovedaktiviteten af BFGM er syntasereaktionen fra 1,3-BPG til 2,3-BPG, som er irreversibel . Det sidste trin i Rapoport-Lübering-cyklussen, omdannelsen af 3-PG til 2-PG, er en partiel glykolysereaktion, der også forekommer i andre celler af enzymet phosphoglycerat mutase . Derudover er lav aktivitet som en 2,3-BPG-syntase og phosphatase blevet fundet for phosphoglyceratmutase, som ligner BPGM med hensyn til dens molekylvægt , dens underenhedsstruktur og aminosyresekvens [4] . Det fungerer sandsynligvis som et trifunktionelt enzym, der ligner BFGM, men med et forskelligt forhold mellem de tre enzymers aktiviteter i forhold til hinanden. Ud over BFGM - ekspression i nogle ikke-erytropoietiske væv, såsom placenta og lever , er dette en mulig forklaring på lave niveauer af 2,3-BPG i ikke-erythroide celler [5] . De omvendte reaktioner fra 2-PG gennem 3-PG til 1,3-BPG, og dermed delprocesserne af glykolyse, der løber parallelt med Rapoport-Lübering-cyklussen, forekommer inden for gluconeogenese .
Den første fase af Rapoport-Lübering-cyklussen, omlægning af 1,3-BPG til 2,3-BPG, er en isomerisering med en neutral materialebalance. Imidlertid kræver bisphosphoglycerat mutase, som enzymet i denne reaktion, tilstedeværelsen af magnesiumioner [6] . Den hydrolytiske spaltning af 2,3-BPG til 3-PG i andet trin fortsætter med forbruget af et vandmolekyle og frigivelsen af uorganisk fosfat . I modsætning til omdannelsen af 1,3-BPG til 3-PG med phosphoglyceratkinase under glykolyse, dannes adenosintriphosphat (ATP) ikke i Rapoport-Lubering-cyklussen . Således er energiudbyttet af den sekundære vej gennem 2,3-BPG lavere end for den direkte vej i glykolyse.
Forbindelserne 2,3-BPG og 3-PG, som dannes i Rapoport-Lübering-cyklussen, hæmmer denne sekundære vej, som derfor er autoregulerende [7] . 2,3-BPG hæmmer også adskillige enzymer opstrøms for Rapoport-Lübering-cyklussen i glykolysesekvensen, såsom hexokinase og phosphofructokinase [1] . Derudover fungerer det som en cofaktor for phosphoglycerat mutase i glykolyse [8] . En stigning i mængden af 1,3-BPG stimulerer produktionen af 2,3-BPG. Alle glykolyseprocesser, der fører til en stigning i koncentrationen af 1,3-BPG på grund af aktivering eller inhibering af enzymer, fremskynder derved dannelsen af 2,3-BPG [7] .
Forøgelse af pH-værdien giver også mere 2,3-BPG, da den optimale pH-værdi for BFGM-syntaseaktivitet er omkring 7,2, mens phosphataseaktiviteten har sit optimale i det sure område, og så dominerer den modsatte 2,3-dannelse af BPG. Hormonerne thyroxin , somatotropin , testosteron og erythropoietin stimulerer også dannelsen af 2,3-BPG [9] . Tværtimod fører chlorid , fosfat og frem for alt den fysiologiske fosfataseaktivator 2-phosphoglycolat til øget spaltning af 2,3-BPG til 3-PG af phosphatasefunktionen af BFGM [3] .
Fordi pattedyrerythrocytter, i modsætning til de fleste andre kropsceller, ikke har en cellekerne eller mitokondrier , har de specialiseret kulhydrat- og energimetabolisme uden citronsyrecyklussen og åndedrætskæden . Ud over pentosephosphat-vejen er glykolyse den eneste måde at opnå energi i erytrocytter [10] . Omkring 20 % af 1,3-BPG dannet i erytrocytter under glykolyse omdannes i henhold til Rapoport-Lübering cyklussen, andelen af dannet 2,3-BPG udgør omkring 50 % af alle glykolysemellemprodukter i erytrocytter [1] og ca. tredjedele af den samlede mængde fosfater erytrocytter [11] . Under fysiologiske forhold er 2,3-BPG til stede i erytrocytter i omtrent samme molære koncentration som blodets hæmoglobinpigment og cirka fire gange koncentrationen af ATP [7] . Mængden af 2,3-BPG bestemmes af forholdet mellem syntase- og phosphataseaktiviteterne af BFGM.
2,3-BPG, dannet i Rapoport -Lübering- cyklussen , virker hovedsageligt som en allosterisk hæmningshæmmer af hæmoglobin, stabiliserer dets ikke- iltede deoxyform og regulerer således hæmoglobins bindingsevne (affinitet) til ilt [7] . 2,3-BPG binder mellem to hæmoglobin beta-underenheder i en lomme, der dannes i ubelastet tilstand, også kendt som T-formen [12] . Det biofysiske grundlag for binding er interaktionen mellem de negativt ladede grupper af 2,3-BPG og de positivt ladede aminosyrerester i bindingslommen. En stigning i koncentrationen af 2,3-BPG flytter hæmoglobin-iltbindingskurven mod højre, hvilket letter frigivelsen af bundet oxygen. Omvendt fører et fald i koncentrationen af 2,3-BPG til et skift i iltbindingskurven til venstre og dermed til en stærkere binding af ilt til hæmoglobin.
Andre faktorer, der fører til en stigning i hæmoglobins affinitet for oxygen og til dels også påvirker niveauet af 2,3-BPG, er et fald i temperatur , en stigning i pH og et fald i kuldioxidkoncentrationen . Den kombinerede indflydelse af pH-værdien og kuldioxidens partialtryk på hæmoglobinets evne til at binde ilt kaldes også Bohr-effekten og er det fysisk-kemiske grundlag for regulering af gasudveksling i lungerne og tilførsel af metabolisk aktivt væv med ilt. Kulilte reducerer på den anden side hæmoglobinets evne til at binde ilt, fordi det konkurrerer med ilt om det samme bindingssted i hæmoglobinmolekylet. Forøgelse af mængden af 2,3-BPG forbedrer leveringen af ilt til kroppens periferi og dermed forsyningen af ilt til væv, især under ugunstige forhold, såsom tilstande forbundet med iltsult. For eksempel fører eksponering for store højder til en stigning i koncentrationen af 2,3-BPG, som vender tilbage til normale værdier cirka to dage efter tilbagevenden til baseline [7] . Kortvarig eller langvarig fysisk aktivitet og udholdenhedstræning påvirker også koncentrationen af 2,3-BPG på forskellige måder [13] .
Ud over denne funktion som kompenserende mekanisme, spiller Rapoport-Lübering cyklussen sandsynligvis også en rolle i reguleringen af masse- og energibalancen af glykolysen [9] [13] . Det giver således en øget dannelse af coenzymet nikotinamid adenindinukleotid (NADH) i glykolyse uden en efterfølgende stigning i koncentrationen af ATP og tillader glykolyse at forekomme selv med en lav efterspørgsel efter ATP. Derudover er 2,3-BPG et lager af energi og fosfat i erytrocytter.
Enzymdefekter i de glykolytiske reaktioner, der opstår efter dannelsen af 2,3-BPG, forårsager en stigning i dets koncentration, et fald i hæmoglobins affinitet for ilt og dermed en øget frigivelse af ilt til vævet [1] . Omvendt fører defekter i glykolytiske reaktioner før Rapoport-Lübering-cyklussen til et fald i koncentrationen af 2,3-BPG og dermed til et fald i ilttilførsel til væv.
Den målrettede regulering af bisphosphoglycerat mutase til at påvirke koncentrationen af 2,3-BPG i erytrocytter kan være af terapeutisk interesse, for eksempel til behandling af iskæmi og seglcelleanæmi [3] [14] . Et fald i BFGM-aktivitet på grund af glycation er blevet beskrevet hos diabetespatienter [2] . Medfødt BFGM-mangel er kun blevet dokumenteret i få tilfælde [15] . Bortset fra sekundær erytrocytose (øget produktion af røde blodlegemer) var patienterne for det meste asymptomatiske. Laboratoriebestemmelse af 2,3-BPG i erytrocytter og serum er mulig, men ikke almindelig på grund af lav diagnostisk værdi og er kun af interesse for specielle spørgsmål.
2,3-BPG i erytrocytter, ligesom ATP, påvirker holdbarheden af aflejret blod . På grund af stigningen i laktatkoncentrationen efterhånden som lagringsperioden øges, skifter pH-værdien af det udtagne blod til den sure region, hvilket betyder, at 2,3-BPG spaltes mere, og dets neogenese hæmmes. Tilsætning af additiver såsom dextrose og adenin , såsom dem, der findes i aktuelt anvendte CPDA eller CPD/SAGM blodposer, kan forsinke faldet i 2,3-BPG og dermed øge levetiden og funktionen af lagret blod [16] .
Koncentrationen af 2,3-BPG i erytrocytter og graden af dets virkning på hæmoglobin er forskellig hos forskellige pattedyr [9] [13] [17] . Hæmoglobinerne fra mennesker , heste , hunde , grise , kaniner , marsvin , mus og rotter , hvis erytrocytter har en høj koncentration på 2,3-BPG, reagerer derfor kraftigt. Tværtimod er virkningen af 2,3-BPG på hæmoglobin, såvel som indholdet af 2,3-BPG i erytrocytter hos får , geder og kvæg , hjorte , antiloper og giraffer , samt hyæner og katte , lavere .
Hos fugle virker 2,3-BPG kun som en regulator af hæmoglobins iltaffinitet under embryonal udvikling . Få dage efter udklækningen er ægget fuldstændigt ødelagt, og senere i livet overtages funktionen af 2,3-BPG af inositolphosphater såsom inositolhexaphosphat (IHP) [18] . I fisk findes 2,3-BPG kun i få arter; de dominerende organofosfater i fiskeerythrocytter er ATP og guanosintrifosfat (GTP) [19] . I krybdyrerythrocytter findes hovedsageligt organofosfater: ATP, IHP og myo-inositol-5-phosphat (IP5) .
Årsagen til forskellene mellem pattedyr og andre hvirveldyr er erytrocytternes særlige energiomsætning hos pattedyr. I de nukleerede erytrocytter fra andre hvirveldyr er åndedrætskæden hovedvejen for energiproduktion, snarere end glykolyse, som i pattedyrserythrocytter [19] .
2,3-BPG, et reaktionsprodukt fra Rapoport-Lübering-cyklussen, blev første gang beskrevet og isoleret i 1925 [20] udgangsmateriale 1,3-BPG af Erwin Negelein i 1939 [21] østrigskfødte biokemiker Samuel Mitya Rapoport og hans daværende teknisk assistent Janet Lubering opdagede derefter de reaktioner, der var nødvendige for at danne 2,3-BPG i USA i 1940'erne og beskrev dem i flere fælles publikationer i begyndelsen af 1950'erne [22] [23] . Forskning i denne metaboliske vej førte til udviklingen af citrat- og dextroseholdigt ACD-medium, som kunne øge holdbarheden af blodforsyninger fra en til omkring tre uger. På grund af vigtigheden af denne opdagelse for militærmedicin under Anden Verdenskrig, blev Samuel Mitya Rapoport tildelt den amerikanske præsident Harry S. Trumans "præsidentielle brev" [24] .
På grund af sin politiske overbevisning gik Samuel Mitya Rapoport, som modtog et etårigt stipendium ved University of Cincinnati Children's Hospital i 1937 og ikke vendte tilbage til Europa efter Tysklands annektering af Østrig på grund af sin jødiske baggrund, til Tysklands Demokratiske Parti . Republik (DDR) i 1952. Her blev han en af landets førende biokemikere og fortsatte sin forskning i erytrocytstofskiftet. Sammen med konen Ingeborga Rapoport , en børnelæge, og sønnen Tom Rapoport , der flyttede til Harvard University i 1995, udgav han artikler i 1970'erne om pH-afhængigheden af 2,3-BPG-dannelse og om reguleringen af glykolyse. i erytrocytter.
Egenskaberne af bisphosphoglycerat mutase som det centrale enzym i Rapoport-Lübering cyklussen og dets trifunktionelle aktivitet blev karakteriseret mere detaljeret i 1960'erne og 1970'erne [4] [25] . I 1967 blev virkningen af 2,3-BPG på hæmoglobin belyst [26] , i 1978 blev en medfødt forekomst af en fuldstændig BFGM-mangel hos en patient beskrevet [27] . Ti år senere blev enzymgenet isoleret og karakteriseret på humant kromosom 7 [5] . Det molekylære grundlag for BFGM-funktionen blev undersøgt mere detaljeret i 1990'erne [14] [28] , i 2004 blev enzymmolekylets krystalstruktur belyst [3] . Fire år senere blev enzymet multipel inositol polyphosphat phosphatase (MIPP), fundet i forskellige væv, også beskrevet at have 2,3-BPG-phosphatase aktivitet [29] . Denne opdagelse er vigtig for reguleringen af iltfrigivelse fra hæmoglobin og dermed for den fysiologiske rolle af Rapoport-Lübering-cyklussen.
| Blod | |
|---|---|
| hæmatopoiesis | |
| Komponenter | |
| Biokemi | |
| Sygdomme | |
| Se også: Hæmatologi , Onkohæmatologi | |
| Metabolisme , katabolisme , anabolisme | |||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Generel |
| ||||||||||||||||||||||||||
| energiudveksling _ |
| ||||||||||||||||||||||||||
| Betonstier _ |
| ||||||||||||||||||||||||||