Inom biokemi är Rapoport-Lübering-cykeln , även känd som Rapoport-Lübering- shunten , Rapoport-Lübering-skytteln , fosfoglyceratcykeln eller 2,3- BPG-cykeln , en metabolisk väg som förekommer främst i röda blodkroppar från däggdjur (erytrocyter) . , då finns det en sekvens av enzymatiskt kontrollerade kemiska reaktioner . Det är en sidoväg av glykolys , bestående av tre partiella reaktioner, vilket är centralt för energiproduktion och kolhydratmetabolism.nästan alla levande varelser. Således är Rapoport-Lubering-cykeln en av de biokemiska processerna för nedbrytning av glukos i djurkroppen .
Dess huvudsakliga reaktion är bildningen av mellanprodukten 2,3-bisfosfoglycerat (2,3-BPG) från 1,3-bisfosfoglycerat , bildad i glykolys kontrollerad av enzymet bisfosfoglyceratmutas . 2,3-BPG, bildad i Rapoport-Lübering-cykeln, fungerar som en viktig biokemisk effektor för att reglera förmågan (affiniteten) hos hemoglobin, blodfärgämnet, att binda till andningsgasens syre, särskilt för deras långsiktiga anpassning till syre deprivation, vilket gör det viktigt för att frigöra syre från röda blodkroppar till vävnader. Det är också involverat i den enzymatiska kontrollen av glykolysen och fungerar som ett energi- och fosfatlager i röda blodkroppar.
Upptäckten av Rapoport-Lubering-cykeln och betydelsen av 2,3-BPG i energibalansen hos erytrocyter på 1940-talet av biokemisten Samuel Mitya Rapoport och hans assistent Janet Lubering var av stor medicinsk betydelse på grund av förståelsen för dessa processer. hållbarheten för konserverat blod kan förlängas avsevärt.
Rapoport- Lübering -cykeln är en biprodukt av glykolys i däggdjurserytrocyter , inklusive människor . Med utgångspunkt från 1,3-bisfosfoglycerat (1,3-BPG) från glykolys, leder det till bildningen av 2,3-bisfosfoglycerat (2,3-BPG). Härifrån bildas fosfoglycersyraföreningar 3-fosfoglycerat (3-PG) och, genom dess isomerisering , 2-fosfoglycerat (2-PG), som ingår i glykolysreaktionen [1] .
Närvaron av enzymet bisfosfoglyceratmutas (BPGM) som är ansvarigt för dessa reaktioner är i huvudsak begränsad till erytrocyter och erytropoetisk vävnad och har, eftersom det är ett trifunktionellt enzym, tre distinkta aktiviteter [2] [3] . Beroende på pH fungerar det antingen som ett syntas (2,3-BPG-syntas, synonym för bisfosfoglyceratmutas; EG-nummer 5.4.2.4) för att omvandla 1,3-BPG till 2,3-BPG, eller som ett fosfatas . (2:a, 3-bisfosfoglyceratfosfatas; EG-nummer 3.1.3.13) för att omvandla 2,3-BPG till 3-PG. Dessutom, som ett mutas (monofosfoglyceratmutas; EG-nummer 5.4.2.1), katalyserar det jämviktsreaktionen mellan 3-PG och 2-PG [3] .
Huvudaktiviteten för BFGM är syntasreaktionen från 1,3-BPG till 2,3-BPG, som är irreversibel . Det sista steget i Rapoport-Lübering-cykeln, omvandlingen av 3-PG till 2-PG, är en partiell glykolysreaktion som även sker i andra celler av enzymet fosfoglyceratmutas . Dessutom har låg aktivitet som ett 2,3-BPG-syntas och fosfatas hittats för fosfoglyceratmutas, som liknar BPGM när det gäller dess molekylvikt , dess underenhetsstruktur och aminosyrasekvens [4] . Det fungerar förmodligen som ett trifunktionellt enzym som liknar BFGM, men med ett annat förhållande mellan de tre enzymernas aktiviteter i förhållande till varandra. Förutom BFGM- uttryck i vissa icke-erytropoetiska vävnader såsom placenta och lever , är detta en möjlig förklaring till låga nivåer av 2,3-BPG i icke-erytroida celler [5] . De omvända reaktionerna från 2-PG till 3-PG till 1,3-BPG, och därmed delprocesserna av glykolys som löper parallellt med Rapoport-Lübering-cykeln, inträffar inom glukoneogenesen .
Det första steget i Rapoport-Lübering-cykeln, omarrangemang av 1,3-BPG till 2,3-BPG, är en isomerisering med en neutral materialbalans. Men bisfosfoglyceratmutas, som enzymet i denna reaktion, kräver närvaro av magnesiumjoner [6] . Den hydrolytiska klyvningen av 2,3-BPG till 3-PG i det andra steget fortsätter med konsumtionen av en vattenmolekyl och frigörandet av oorganiskt fosfat . I motsats till omvandlingen av 1,3-BPG till 3-PG av fosfoglyceratkinas under glykolys, bildas inte adenosintrifosfat (ATP) i Rapoport-Lubering-cykeln . Således är energiutbytet för den sekundära vägen genom 2,3-BPG lägre än den för den direkta vägen vid glykolys.
Föreningarna 2,3-BPG och 3-PG, som bildas i Rapoport-Lübering-cykeln, hämmar denna sekundära väg, som därför är autoregulatorisk [7] . 2,3-BPG hämmar också flera enzymer uppströms om Rapoport-Lübering-cykeln i glykolyssekvensen, såsom hexokinas och fosfofruktokinas [1] . Dessutom fungerar det som en kofaktor för fosfoglyceratmutas i glykolys [8] . En ökning av mängden 1,3-BPG stimulerar produktionen av 2,3-BPG. Alla glykolysprocesser, som leder till en ökning av koncentrationen av 1,3-BPG på grund av aktivering eller hämning av enzymer, påskyndar därigenom bildandet av 2,3-BPG [7] .
Att höja pH-värdet ger också mer 2,3-BPG, eftersom det optimala pH-värdet för BFGM-syntasaktivitet är runt 7,2, medan fosfatasaktiviteten har sitt optimum i det sura området, och då dominerar den motsatta 2,3-bildningen av BPG. Hormonerna tyroxin , somatotropin , testosteron och erytropoietin stimulerar också bildningen av 2,3-BPG [9] . Tvärtom leder klorid , fosfat och framför allt den fysiologiska fosfatasaktivatorn 2-fosfoglykolat till ökad klyvning av 2,3-BPG till 3-PG genom fosfatasfunktionen hos BFGM [3] .
Eftersom däggdjurserytrocyter, till skillnad från de flesta andra kroppsceller, inte har en cellkärna eller mitokondrier , har de specialiserad kolhydrat- och energiomsättning utan citronsyracykeln och andningskedjan . Förutom pentosfosfatvägen är glykolys det enda sättet att få energi i erytrocyter [10] . Cirka 20 % av 1,3-BPG som bildas i erytrocyter under glykolys omvandlas enligt Rapoport-Lübering-cykeln, andelen 2,3-BPG som bildas står för cirka 50 % av alla glykolysintermediärer i erytrocyter [1] och ungefär två tredjedelar av den totala mängden fosfater erytrocyter [11] . Under fysiologiska förhållanden är 2,3-BPG närvarande i erytrocyter i ungefär samma molära koncentration som blodhemoglobinpigmentet och ungefär fyra gånger koncentrationen av ATP [7] . Mängden 2,3-BPG bestäms av förhållandet mellan syntas- och fosfatasaktiviteter för BFGM.
2,3-BPG, bildad i Rapoport -Lübering- cykeln , fungerar huvudsakligen som en allosterisk hämmare av hemoglobin, stabiliserar dess icke- syresatta deoxiform , och reglerar därmed dess bindningsförmåga (affinitet) av hemoglobin till syre [7] . 2,3-BPG binder mellan två hemoglobin beta-subenheter i en ficka som bildas i ett obelastat tillstånd, även känd som T-formen [12] . Den biofysiska grunden för bindning är interaktionen mellan de negativt laddade grupperna av 2,3-BPG och de positivt laddade aminosyraresterna i bindningsfickan. En ökning av koncentrationen av 2,3-BPG förskjuter hemoglobinsyrebindningskurvan åt höger, vilket underlättar frisättningen av bundet syre. Omvänt leder en minskning av koncentrationen av 2,3-BPG till en förskjutning av syrebindningskurvan åt vänster och därmed till en starkare bindning av syre till hemoglobin.
Andra faktorer som leder till en ökning av hemoglobinets affinitet för syre och delvis också påverkar nivån av 2,3-BPG är en temperatursänkning , en ökning av pH och en minskning av koldioxidkoncentrationen . Den kombinerade påverkan av pH-värdet och koldioxidens partialtryck på hemoglobinets förmåga att binda syre kallas också för Bohr-effekten och är den fysikalisk-kemiska grunden för regleringen av gasutbytet i lungorna och tillförseln av metaboliskt aktiv vävnad med syre. Kolmonoxid minskar å andra sidan hemoglobinets förmåga att binda syre eftersom det konkurrerar med syre om samma bindningsställe i hemoglobinmolekylen. En ökning av mängden 2,3-BPG förbättrar tillförseln av syre till kroppens periferi och därmed tillförseln av syre till vävnader, särskilt under ogynnsamma förhållanden, såsom tillstånd förknippade med syresvält. Exponering för höga höjder leder till exempel till en ökning av koncentrationen av 2,3-BPG, som återgår till normala värden ungefär två dagar efter återgång till baslinjen [7] . Kortvarig eller långvarig fysisk aktivitet och uthållighetsträning påverkar också koncentrationen av 2,3-BPG på olika sätt [13] .
Förutom denna funktion som kompensationsmekanism spelar Rapoport-Lübering-cykeln troligen också en roll i regleringen av glykolysens massa- och energibalans [9] [13] . Således ger det en ökad bildning av koenzymet nikotinamidadenindinukleotid (NADH) i glykolys utan en efterföljande ökning av koncentrationen av ATP och tillåter glykolys att ske även med en låg efterfrågan på ATP. Dessutom är 2,3-BPG ett förråd av energi och fosfat i erytrocyter.
Enzymdefekter i de glykolytiska reaktionerna som inträffar efter bildandet av 2,3-BPG orsakar en ökning av dess koncentration, en minskning av hemoglobinets affinitet för syre och därmed en ökad frisättning av syre i vävnaden [1] . Omvänt leder defekter i glykolytiska reaktioner före Rapoport-Lübering-cykeln till en minskning av koncentrationen av 2,3-BPG och därmed till en minskning av syretillförseln till vävnader.
Den riktade regleringen av bisfosfoglyceratmutas för att påverka koncentrationen av 2,3-BPG i erytrocyter kan vara av terapeutiskt intresse, till exempel för behandling av ischemi och sicklecellanemi [3] [14] . En minskning av BFGM-aktivitet på grund av glykering har beskrivits hos diabetespatienter [2] . Medfödd BFGM-brist har dokumenterats i endast ett fåtal fall [15] . Förutom sekundär erytrocytos (ökad produktion av röda blodkroppar) var patienterna oftast asymtomatiska. Laboratoriebestämning av 2,3-BPG i erytrocyter och serum är möjlig, men inte vanligt på grund av lågt diagnostiskt värde och är av intresse endast för speciella frågor.
2,3-BPG i erytrocyter, som ATP, påverkar hållbarheten för avsatt blod . På grund av ökningen av laktatkoncentrationen när lagringsperioden ökar, skiftar pH-värdet för det upptagna blodet till den sura regionen, vilket innebär att 2,3-BPG klyvs mer och dess neogenes hämmas. Tillsatsen av tillsatser som dextros och adenin , såsom de som finns i för närvarande använda CPDA- eller CPD/SAGM-blodpåsar, kan fördröja minskningen av 2,3-BPG och därmed öka livslängden och funktionen hos lagrat blod [16] .
Koncentrationen av 2,3-BPG i erytrocyter och graden av dess effekt på hemoglobin skiljer sig åt hos olika däggdjur [9] [13] [17] . Följaktligen reagerar hemoglobinerna hos människor , hästar , hundar , grisar , kaniner , marsvin , möss och råttor , vars erytrocyter har en hög koncentration av 2,3-BPG, starkt. Tvärtom är effekten av 2,3-BPG på hemoglobin, såväl som halten av 2,3-BPG i erytrocyter från får , getter och nötkreatur , hjortdjur , antiloper och giraffer , lägre samt hyenor och katter . .
Hos fåglar fungerar 2,3-BPG endast som en regulator av hemoglobins syreaffinitet under embryonal utveckling . Några dagar efter kläckningen är ägget helt förstört, och senare i livet tas funktionen av 2,3-BPG över av inositolfosfater som inositolhexafosfat (IHP) [18] . Hos fisk finns 2,3-BPG endast i ett fåtal arter; de dominerande organofosfaterna i fiskerytrocyter är ATP och guanosintrifosfat (GTP) [19] . I reptilerytrocyter finns främst organofosfater: ATP, IHP och myo-inositol-5-fosfat (IP5) .
Orsaken till skillnaderna mellan däggdjur och andra ryggradsdjur är erytrocyternas speciella energiomsättning hos däggdjur. I de kärnförsedda erytrocyterna hos andra ryggradsdjur är andningskedjan den huvudsakliga vägen för energiproduktion, snarare än glykolys, som i däggdjurserytrocyter [19] .
2,3-BPG, en reaktionsprodukt från Rapoport-Lübering-cykeln, beskrevs och isolerades första gången 1925 [20] utgångsmaterial 1,3-BPG av Erwin Negelein 1939 [21] Österrikiskfödde biokemisten Samuel Mitya Rapoport och hans då tekniska assistenten Janet Lubering upptäckte sedan reaktionerna som var nödvändiga för att bilda 2,3-BPG i USA på 1940-talet och beskrev dem i flera gemensamma publikationer i början av 1950-talet [22] [23] . Forskning om denna metaboliska väg ledde till utvecklingen av citrat- och dextrosinnehållande ACD-medium, vilket kan öka hållbarheten för blodtillförsel från en till cirka tre veckor. På grund av betydelsen av denna upptäckt för militärmedicin under andra världskriget tilldelades Samuel Mitya Rapoport "Presidential Letter" av USA:s president Harry S. Truman [24] .
På grund av sin politiska övertygelse gick Samuel Mitya Rapoport, som fick ett ettårigt stipendium vid University of Cincinnati Children's Hospital 1937 och inte återvände till Europa efter att Tyskland annekterade Österrike på grund av sin judiska bakgrund, till Tysklands demokratiska parti . Republiken (DDR) 1952. Här blev han en av landets ledande biokemister och fortsatte sin forskning om erytrocytomsättning. Tillsammans med hustrun Ingeborga Rapoport , en barnläkare, och sonen Tom Rapoport , som flyttade till Harvard University 1995, publicerade han artiklar på 1970-talet om pH-beroendet av 2,3-BPG-bildning och om reglering av glykolys. i erytrocyter.
Egenskaperna hos bisfosfoglyceratmutas som det centrala enzymet i Rapoport-Lübering-cykeln och dess trifunktionella aktivitet karakteriserades mer i detalj på 1960- och 1970-talen [4] [25] . År 1967 klargjordes effekten av 2,3-BPG på hemoglobin [26] , 1978 beskrevs en medfödd förekomst av en fullständig BFGM-brist hos en patient [27] . Tio år senare isolerades enzymgenen och karakteriserades på human kromosom 7 [5] . Den molekylära grunden för BFGM-funktionen studerades mer i detalj på 1990-talet [14] [28] , 2004 klargjordes enzymmolekylens kristallstruktur [3] . Fyra år senare beskrevs också enzymet multipelt inositolpolyfosfatfosfatas (MIPP), som finns i olika vävnader, ha 2,3-BPG-fosfatasaktivitet [29] . Denna upptäckt är viktig för regleringen av syrefrisättning från hemoglobin och därmed för Rapoport-Lübering-cykelns fysiologiska roll.
| Blod | |
|---|---|
| hematopoiesis | |
| Komponenter | |
| Biokemi | |
| Sjukdomar | |
| Se även: Hematologi , Onkohematologi | |
| Metabolism , katabolism , anabolism | |||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Allmän |
| ||||||||||||||||||||||||||
| energiutbyte _ |
| ||||||||||||||||||||||||||
| Betongvägar _ |
| ||||||||||||||||||||||||||