A biokémiában a Rapoport-Lübering ciklus , más néven Rapoport-Lübering sönt , Rapoport-Lübering inga , foszfoglicerát ciklus vagy 2,3 -BPG ciklus , egy anyagcsereút , amely elsősorban emlős vörösvértestekben (eritrocitákban) fordul elő . , akkor ott van az enzimatikusan szabályozott kémiai reakciók sorozata . Ez a glikolízis mellékútja , amely három részleges reakcióból áll, és központi szerepet játszik az energiatermelésben és a szénhidrát-anyagcserében.szinte minden élőlény. Így a Rapoport-Lubering ciklus a glükóz lebontásának egyik biokémiai folyamata az állati szervezetben .
Fő reakciója a 2,3-biszfoszfoglicerát (2,3-BPG) intermedier képződése az 1,3-biszfoszfoglicerátból , amely a biszfoszfoglicerát mutáz enzim által szabályozott glikolízis során keletkezik . A Rapoport-Lübering ciklusban képződő 2,3-BPG fontos biokémiai effektorként működik a hemoglobin, a vérfesték azon képességének (affinitásának) szabályozásában, hogy kötődjön a légúti gáz oxigénjéhez, különösen az oxigénhez való hosszú távú alkalmazkodás érdekében. depriváció, ami fontossá teszi az oxigén felszabadítását a vörösvértestekből a szövetekbe. Részt vesz a glikolízis enzimatikus szabályozásában is, és energia- és foszfátraktárként működik a vörösvértestekben.
Az 1940-es években Samuel Mitya Rapoport biokémikus és asszisztense, Janet Lubering felfedezte a Rapoport-Lubering ciklust és a 2,3-BPG jelentőségét a vörösvértestek energiaegyensúlyában, e folyamatok megértése miatt. a vérkonzerv eltarthatósága jelentősen meghosszabbítható.
A Rapoport-Lübering ciklus az emlős vörösvértestekben , köztük az emberben végbemenő glikolízis mellékterméke . A glikolízisből származó 1,3-biszfoszfoglicerátból (1,3-BPG) kiindulva 2,3-biszfoszfoglicerát (2,3-BPG) képződik. Innen foszfoglicerinsav-vegyületek, a 3-foszfoglicerát (3-PG) és izomerizációjával 2 - foszfoglicerát (2-PG) keletkeznek, amelyek a glikolízis reakció részei [1] .
Az ezekért a reakciókért felelős biszfoszfoglicerát mutáz (BPGM) enzim jelenléte alapvetően a vörösvértestekre és az eritropoetikus szövetekre korlátozódik, és háromfunkciós enzimként három különböző aktivitással rendelkezik [2] [3] . A pH -tól függően vagy szintázként (2,3-BPG-szintáz, a biszfoszfoglicerát-mutáz szinonimája; EK-szám 5.4.2.4) működik az 1,3-BPG-nek 2,3-BPG-vé történő átalakítására, vagy foszfatázként . (2., 3-biszfoszfoglicerát-foszfatáz; EK-szám 3.1.3.13) a 2,3-BPG 3-PG-vé történő átalakítására. Ezenkívül mutázként (monofoszfoglicerát mutáz; EC-szám 5.4.2.1) katalizálja a 3-PG és a 2-PG közötti egyensúlyi reakciót [3] .
A BFGM fő tevékenysége az 1,3-BPG-ről 2,3-BPG-vé történő szintáz reakció, amely irreverzibilis . A Rapoport-Lübering ciklus utolsó lépése, a 3-PG 2-PG-vé való átalakulása egy részleges glikolízis reakció, amely más sejtekben is előfordul a foszfoglicerát mutáz enzim által . Ezenkívül alacsony aktivitást találtak 2,3-BPG-szintázként és foszfatázként a foszfoglicerát-mutáz esetében, amely molekulatömegét , alegység -szerkezetét és aminosav-szekvenciáját tekintve hasonló a BPGM-hez [4] . Valószínűleg a BFGM-hez hasonló háromfunkciós enzimként működik, de a három enzim aktivitásának egymáshoz viszonyított aránya eltérő. A BFGM expressziója mellett néhány nem eritropoetikus szövetben, például a méhlepényben és a májban ez egy lehetséges magyarázata a 2,3-BPG alacsony szintjének nem eritroid sejtekben [5] . A 2-PG-ről a 3-PG-n át az 1,3-BPG-vé való fordított reakciók, és így a glikolízis részfolyamatai, amelyek párhuzamosan futnak a Rapoport-Lübering ciklussal, a glükoneogenezisben játszódnak le .
A Rapoport-Lübering ciklus első szakasza, az 1,3-BPG átrendeződése 2,3-BPG-vé, egy semleges anyagegyensúlyú izomerizáció. Azonban a biszfoszfoglicerát-mutáz, mint e reakció enzimje, magnéziumionok jelenlétét igényli [6] . A 2,3-BPG hidrolitikus hasítása 3-PG-vé a második szakaszban egy vízmolekula felhasználásával és szervetlen foszfát felszabadulásával megy végbe . Ellentétben azzal, hogy a foszfoglicerát-kináz a glikolízis során az 1,3-BPG-t 3-PG-vé alakítja, az adenozin-trifoszfát (ATP) nem képződik a Rapoport-Lubering ciklusban . Így a 2,3-BPG-n áthaladó másodlagos útvonal energiahozama alacsonyabb, mint a glikolízisben a közvetlen útvonalé.
A Rapoport-Lübering ciklusban képződő 2,3-BPG és 3-PG vegyületek gátolják ezt a másodlagos, ezért autoregulációs útvonalat [7] . A 2,3-BPG számos enzimet is gátol a Rapoport-Lübering ciklus előtt a glikolízis szekvenciában, mint például a hexokinázt és a foszfofruktokinázt [1] . Ezenkívül a glikolízisben a foszfoglicerát-mutáz kofaktoraként működik [8] . Az 1,3-BPG mennyiségének növekedése serkenti a 2,3-BPG termelését. A glikolízis minden folyamata, amely az 1,3-BPG koncentrációjának növekedéséhez vezet az enzimek aktiválása vagy gátlása miatt, ezáltal felgyorsítja a 2,3-BPG képződését [7] .
A pH-érték növelése több 2,3-BPG-t is ad, mivel a BFGM szintáz aktivitásának optimális pH-értéke 7,2 körül van, míg a foszfatáz aktivitásnak a savas régióban van az optimuma, és ekkor az ellentétes 2,3-as BPG képződés dominál. A tiroxin , szomatotropin , tesztoszteron és eritropoetin hormonok szintén serkentik a 2,3-BPG képződését [9] . Éppen ellenkezőleg, a klorid , foszfát és mindenekelőtt a fiziológiás foszfatáz aktivátor, a 2-foszfoglikolát a 2,3-BPG fokozott hasadását 3-PG-vé teszi a BFGM foszfatáz funkciója által [3] .
Mivel az emlős eritrociták a legtöbb testsejttel ellentétben nem rendelkeznek sejtmaggal vagy mitokondriummal , speciális szénhidrát- és energiaanyagcserével rendelkeznek, citromsavciklus és légzőlánc nélkül . A pentóz-foszfát út mellett a glikolízis az egyetlen módja annak, hogy energiát nyerjünk az eritrocitákban [10] . A glikolízis során az eritrocitákban képződő 1,3-BPG körülbelül 20%-a alakul át a Rapoport-Lübering ciklus szerint, a képződött 2,3-BPG részaránya az eritrocitákban található glikolízis köztitermékek körülbelül 50%-át teszi ki [1] , és körülbelül kettő. a foszfát-eritrociták teljes mennyiségének egyharmada [11] . Fiziológiás körülmények között a 2,3-BPG körülbelül ugyanolyan moláris koncentrációban van jelen a vörösvértestekben, mint a vér hemoglobin pigmentje , és körülbelül négyszer akkora koncentrációban, mint az ATP [7] . A 2,3-BPG mennyiségét a BFGM szintáz és foszfatáz aktivitásának aránya határozza meg.
A Rapoport- Lübering ciklusban képződő 2,3-BPG főként a hemoglobin alloszterikus inhibitoraként működik , stabilizálja annak nem oxigénezett dezoxiformáját , és így szabályozza a hemoglobin oxigénhez való kötődési képességét (affinitását) [7] . A 2,3-BPG két hemoglobin béta-alegység között kötődik egy töltetlen állapotban kialakuló zsebben, más néven T-formában [12] . A kötődés biofizikai alapja a 2,3-BPG negatív töltésű csoportjai és a kötőzsebben lévő pozitív töltésű aminosavak közötti kölcsönhatás. A 2,3-BPG koncentrációjának növekedése a hemoglobin oxigénkötési görbéjét jobbra tolja, ami megkönnyíti a megkötött oxigén felszabadulását. Ezzel szemben a 2,3-BPG koncentrációjának csökkenése az oxigénkötési görbe balra tolódásához, és ezáltal az oxigénnek a hemoglobinhoz való erősebb kötéséhez vezet.
Egyéb tényezők, amelyek a hemoglobin oxigén iránti affinitásának növekedéséhez vezetnek, és részben a 2,3-BPG szintjét is befolyásolják, a hőmérséklet csökkenése, a pH emelkedése és a szén-dioxid-koncentráció csökkenése . A pH-érték és a szén-dioxid parciális nyomásának a hemoglobin oxigénmegkötő képességére gyakorolt együttes hatását Bohr-effektusnak is nevezik , és ez a fizikai-kémiai alapja a tüdő gázcseréjének és a metabolikusan aktív szövettel való ellátásának. oxigén. A szén-monoxid viszont csökkenti a hemoglobin oxigénmegkötő képességét, mivel verseng az oxigénnel ugyanazért a kötőhelyért a hemoglobin molekulában. A 2,3-BPG mennyiségének növelése javítja az oxigén szállítását a szervezet perifériájára, és ezáltal a szövetek oxigénellátását, különösen kedvezőtlen körülmények között, például oxigénéhezéssel járó állapotok esetén. Például a nagy tengerszint feletti magasságnak való kitettség a 2,3-BPG koncentrációjának növekedéséhez vezet, amely körülbelül két nappal azután, hogy visszatért a kiindulási értékhez, visszatér a normál értékre [7] . A rövid vagy hosszú távú fizikai aktivitás és az állóképességi edzés szintén különböző módon befolyásolja a 2,3-BPG koncentrációját [13] .
A Rapoport-Lübering ciklus ezen kompenzációs mechanizmus mellett valószínűleg szerepet játszik a glikolízis tömeg- és energiamérlegének szabályozásában is [9] [13] . Így a koenzim - nikotinamid-adenin-dinukleotid (NADH) fokozott képződését biztosítja a glikolízis során, anélkül, hogy az ATP koncentrációját megnövelné, és lehetővé teszi a glikolízis bekövetkezését még alacsony ATP-igény esetén is. Ezenkívül a 2,3-BPG energia- és foszfátraktár az eritrocitákban.
A 2,3-BPG képződése után fellépő glikolitikus reakciók enzimhibái koncentrációjának növekedését, a hemoglobin oxigén iránti affinitásának csökkenését és ezáltal a szövetekbe történő fokozott oxigénfelszabadulást okozzák [ 1 ] . Ezzel szemben a glikolitikus reakciók hibái a Rapoport-Lübering ciklus előtt a 2,3-BPG koncentrációjának csökkenéséhez és ezáltal a szövetek oxigénszállításának csökkenéséhez vezetnek.
A biszfoszfoglicerát-mutáz célzott szabályozása a 2,3-BPG eritrociták koncentrációjának befolyásolására terápiás jelentőségű lehet, például az ischaemia és a sarlósejtes vérszegénység kezelésére [3] [14] . Cukorbetegeknél a BFGM aktivitásának glikáció miatti csökkenését írták le [2] . Veleszületett BFGM-hiányt csak néhány esetben dokumentáltak [15] . A másodlagos eritrocitózison (a vörösvértestek fokozott termelése) kívül a betegek többnyire tünetmentesek voltak. A 2,3-BPG laboratóriumi meghatározása eritrocitákban és szérumban lehetséges, de az alacsony diagnosztikai érték miatt nem gyakori, és csak speciális kérdések esetén érdekes.
Az eritrocitákban található 2,3-BPG az ATP-hez hasonlóan befolyásolja a lerakódott vér eltarthatóságát . A tárolási idő növekedésével a laktátkoncentráció növekedése miatt a vett vér pH-értéke a savas régió felé tolódik el, ami azt jelenti, hogy a 2,3-BPG jobban hasad, neogenezise gátolt. A jelenleg használt CPDA vagy CPD/SAGM vérzsákokban található adalékanyagok, például dextróz és adenin hozzáadása késleltetheti a 2,3-BPG csökkenését, és így növelheti a tárolt vér élettartamát és működését [16] .
A 2,3-BPG koncentrációja a vörösvértestekben és a hemoglobinra gyakorolt hatásának mértéke különböző emlősökben [9] [13] [17] . Ennek megfelelően az emberek , lovak , kutyák , sertések , nyulak , tengerimalacok , egerek és patkányok hemoglobinjai , amelyek vörösvértestében magas a 2,3-BPG koncentráció, erősen reagálnak. Éppen ellenkezőleg, a 2,3-BPG hemoglobinra gyakorolt hatása, valamint a juhok , kecskék és szarvasmarhák , szarvasok , antilopok és zsiráfok , valamint hiénák és macskák eritrocitáinak 2,3-BPG-tartalma alacsonyabb . .
Madarakban a 2,3-BPG csak a hemoglobin oxigénaffinitásának szabályozójaként működik az embrionális fejlődés során . Néhány nappal a kikelés után a tojás teljesen elpusztul, és később a 2,3-BPG funkcióját az inozitol-foszfátok , például az inozitol-hexafoszfát (IHP) veszik át [18] . A halakban a 2,3-BPG csak néhány fajban található, a halak vörösvértestében a domináns szerves foszfát az ATP és a guanozin-trifoszfát (GTP) [19] . A hüllők eritrocitáiban főleg szerves foszfátok találhatók: ATP, IHP és mioinozitol-5-foszfát (IP5).
Az emlősök és más gerincesek közötti különbségek oka az emlősök vörösvértesteinek speciális energia-anyagcseréje. Más gerincesek magvú eritrocitáiban a légzési lánc az energiatermelés fő útja, nem pedig a glikolízis, mint az emlős vörösvértestekben [19] .
A 2,3-BPG-t, a Rapoport-Lübering ciklus reakciótermékét először 1925-ben írta le és izolálta [20] Erwin Negelein 1939-ben az 1,3-BPG kiindulási anyagot [21] Samuel Mitya Rapoport osztrák származású biokémikus . majd Janet Lubering műszaki asszisztens fedezte fel a 2,3-BPG kialakulásához szükséges reakciókat az Egyesült Államokban az 1940-es években, és az 1950-es évek elején számos közös publikációban leírta azokat [22] [23] . Ennek a metabolikus útnak a kutatása citrátot és dextrózt tartalmazó ACD táptalaj kifejlesztéséhez vezetett, amely egyről körülbelül három hétre növelheti a vérkészletek eltarthatóságát. Ennek a felfedezésnek a II. világháború alatti katonai orvoslásban játszott fontos szerepe miatt Samuel Mitya Rapoport megkapta Harry S. Truman amerikai elnök "elnöki levelét" [24] .
Samuel Mitya Rapoport, aki 1937-ben a Cincinnati Egyetem Gyermekkórházán kapott egyéves ösztöndíjat, és miután Németország zsidó származása miatt Ausztriát annektálta, nem tért vissza Európába, politikai meggyőződése miatt a Német Demokrata Párthoz került . Köztársaság (NDK) 1952-ben. Itt lett az ország egyik vezető biokémikusa, és folytatta a vörösvértest-anyagcsere kutatásait. Feleségével , Ingeborga Rapoport gyermekorvossal és fiával, Tom Rapoporttal , aki 1995-ben költözött a Harvard Egyetemre , az 1970-es években publikált közleményeket a 2,3-BPG képződésének pH-függőségéről és a glikolízis szabályozásáról. az eritrocitákban.
A biszfoszfoglicerát -mutáz, mint a Rapoport-Lübering ciklus központi enzimének tulajdonságait és trifunkciós aktivitását az 1960-as és 1970-es években részletesebben jellemezték [4] [25] . 1967-ben tisztázták a 2,3-BPG hemoglobinra gyakorolt hatását [26] , 1978-ban pedig egy teljes BFGM-hiány veleszületett előfordulását írták le [27] . Tíz évvel később az enzimgént izolálták és a 7-es emberi kromoszómán jellemezték [5] . A BFGM funkció molekuláris alapját az 1990-es években vizsgálták részletesebben [14] [28] , 2004-ben az enzimmolekula kristályszerkezetét [3] . Négy évvel később a különböző szövetekben található többszörös inozit-polifoszfát-foszfatáz (MIPP) enzimről is leírták, hogy 2,3-BPG-foszfatáz aktivitással rendelkezik [29] . Ez a felfedezés fontos a hemoglobinból történő oxigénfelszabadulás szabályozása és így a Rapoport-Lübering ciklus élettani szerepe szempontjából.
| Vér | |
|---|---|
| vérképzés | |
| Alkatrészek | |
| Biokémia | |
| Betegségek | |
| Lásd még: Hematológia , Onkohematológia | |
| Anyagcsere , katabolizmus , anabolizmus | |||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Tábornok |
| ||||||||||||||||||||||||||
| energiacsere _ |
| ||||||||||||||||||||||||||
| Beton utak |
| ||||||||||||||||||||||||||