Biokemiassa Rapoport- Lübering -sykli , joka tunnetaan myös nimellä Rapoport-Lübering- shuntti , Rapoport-Lübering-sukkula , fosfoglyseraattisykli tai 2,3 -BPG-sykli , on aineenvaihduntareitti , joka esiintyy pääasiassa nisäkkään punasoluissa (erytrosyyteissä) . , sitten on sarja entsymaattisesti ohjattuja kemiallisia reaktioita . Se on glykolyysin sivureitti , joka koostuu kolmesta osittaisesta reaktiosta, ja se on keskeinen energiantuotannossa ja hiilihydraattien aineenvaihdunnassa lähes kaikissa elävissä asioissa. Siten Rapoport-Lubering-sykli on yksi glukoosin hajoamisen biokemiallisista prosesseista eläimen kehossa .
Sen pääreaktio on välituotteen 2,3-bisfosfoglyseraatti (2,3-BPG) muodostuminen 1,3-bisfosfoglyseraatista , joka muodostuu glykolyysissä, jota kontrolloi bisfosfoglyseraattimutaasientsyymi . 2,3-BPG, joka muodostuu Rapoport-Lübering-syklissä, toimii tärkeänä biokemiallisena efektorina säätelemällä hemoglobiinin, veren väriaineen kykyä (affiniteettia) sitoutua hengityskaasun happeen, erityisesti niiden pitkäaikaisessa sopeutumisessa happeen. puute, mikä tekee siitä tärkeän hapen vapauttamisen punasoluista kudoksiin. Se osallistuu myös glykolyysin entsymaattiseen säätelyyn ja toimii energia- ja fosfaattivarastona punasoluissa.
Biokemisti Samuel Mitya Rapoport ja hänen avustajansa Janet Lubering löysivät Rapoport-Lubering-syklin ja 2,3-BPG:n merkityksen erytrosyyttien energiatasapainossa 1940-luvulla . purkitetun veren säilyvyyttä voidaan pidentää merkittävästi.
Rapoport- Lübering -sykli on glykolyysin sivutuote nisäkkäiden punasoluissa , mukaan lukien ihmiset . Alkaen 1,3-bisfosfoglyseraatista (1,3-BPG) glykolyysistä, se johtaa 2,3-bisfosfoglyseraatin (2,3-BPG) muodostumiseen. Sieltä muodostuu fosfoglyseriinihappoyhdisteitä 3-fosfoglyseraatti (3-PG) ja sen isomeroituessa 2 - fosfoglyseraatti (2-PG), jotka ovat osa glykolyysireaktiota [1] .
Näistä reaktioista vastaavan entsyymin bisfosfoglyseraattimutaasi (BPGM) läsnäolo rajoittuu pääasiassa punasoluihin ja erytropoieettiseen kudokseen , ja sillä on kolmifunktionaalisena entsyyminä kolme erillistä aktiivisuutta [2] [3] . pH :sta riippuen se toimii joko syntaasina (2,3-BPG-syntaasi, synonyymi bisfosfoglyseraattimutaasille; EC-numero 5.4.2.4) muuntaakseen 1,3-BPG:n 2,3-BPG:ksi tai fosfataasina . (2., 3-bisfosfoglyseraattifosfataasi; EY-numero 3.1.3.13) 2,3-BPG:n muuntamiseksi 3-PG:ksi. Lisäksi mutaasina (monofosfoglyseraattimutaasi; EY-numero 5.4.2.1) se katalysoi 3-PG:n ja 2-PG:n välistä tasapainoreaktiota [3] .
BFGM:n pääasiallinen toiminta on syntaasireaktio 1,3-BPG:stä 2,3-BPG:ksi, joka on peruuttamaton . Rapoport-Lübering-syklin viimeinen vaihe, 3-PG:n muuntaminen 2-PG:ksi, on osittainen glykolyysireaktio, joka tapahtuu myös muissa soluissa fosfoglyseraattimutaasientsyymin vaikutuksesta . Lisäksi alhainen aktiivisuus 2,3-BPG-syntaasina ja fosfataasina on havaittu fosfoglyseraattimutaasilla, joka on samanlainen kuin BPGM molekyylipainoltaan , alayksikkörakenteensa ja aminohapposekvenssiltään [4] . Se toimii todennäköisesti trifunktionaalisena entsyyminä, joka on samanlainen kuin BFGM, mutta jolla on erilainen suhde näiden kolmen entsyymin aktiivisuuksissa toisiinsa. BFGM :n ilmentymisen lisäksi joissakin ei-erytropoieettisissa kudoksissa, kuten istukassa ja maksassa , tämä on mahdollinen selitys 2,3-BPG:n alhaisille tasoille ei-erytroidisoluissa [5] . Käänteiset reaktiot 2-PG:stä 3-PG:hen 1,3-BPG:ksi ja siten glykolyysin osaprosessit, jotka kulkevat rinnakkain Rapoport-Lübering-syklin kanssa, tapahtuvat glukoneogeneesissä .
Rapoport-Lübering-syklin ensimmäinen vaihe, 1,3-BPG:n uudelleenjärjestely 2,3-BPG:ksi, on isomerointi neutraalilla materiaalitasapainolla. Kuitenkin bisfosfoglyseraattimutaasi, tämän reaktion entsyyminä, vaatii magnesium-ionien läsnäoloa [6] . 2,3-BPG:n hydrolyyttinen pilkkominen 3-PG:ksi toisessa vaiheessa etenee vesimolekyylin kulutuksen ja epäorgaanisen fosfaatin vapautumisen myötä . Toisin kuin 1,3-BPG:n muuntaminen 3-PG:ksi fosfoglyseraattikinaasin toimesta glykolyysin aikana, adenosiinitrifosfaattia (ATP) ei muodostu Rapoport-Lubering-syklissä . Siten sekundaarisen reitin energian saanto 2,3-BPG:n läpi on pienempi kuin suoran reitin energian saanto glykolyysissä.
Yhdisteet 2,3-BPG ja 3-PG, jotka muodostuvat Rapoport-Lübering-syklissä, estävät tätä toissijaista reittiä, joka on siksi autoregulatorinen [7] . 2,3-BPG estää myös useita entsyymejä ylävirtaan Rapoport-Lübering-syklistä glykolyysisekvenssissä, kuten heksokinaasia ja fosfofruktokinaasia [1] . Lisäksi se toimii fosfoglyseraattimutaasin kofaktorina glykolyysissä [8] . 1,3-BPG:n määrän kasvu stimuloi 2,3-BPG:n tuotantoa. Kaikki glykolyysiprosessit, jotka johtavat 1,3-BPG:n pitoisuuden nousuun entsyymien aktivoitumisen tai eston vuoksi, nopeuttavat siten 2,3-BPG:n muodostumista [7] .
pH-arvon nostaminen antaa myös lisää 2,3-BPG:tä, koska BFGM-syntaasiaktiivisuuden optimaalinen pH-arvo on noin 7,2, kun taas fosfataasin aktiivisuus on optiminsa happamalla alueella, jolloin päinvastainen 2,3 BPG:n muodostuminen vallitsee. Hormonit tyroksiini , somatotropiini , testosteroni ja erytropoietiini stimuloivat myös 2,3-BPG:n muodostumista [9] . Päinvastoin, kloridi , fosfaatti ja ennen kaikkea fysiologinen fosfataasiaktivaattori 2-fosfoglykolaatti johtavat 2,3-BPG:n lisääntyneeseen pilkkomiseen 3-PG:ksi BFGM:n fosfataasitoiminnon vaikutuksesta [3] .
Koska nisäkkään punasoluissa, toisin kuin useimmissa muissa kehon soluissa, ei ole soluytimiä tai mitokondrioita , niillä on erikoistunut hiilihydraatti- ja energia-aineenvaihdunta ilman sitruunahappokiertoa ja hengitysketjua . Pentoosifosfaattireitin lisäksi glykolyysi on ainoa tapa saada energiaa punasoluissa [10] . Noin 20 % punasoluissa syntyvästä 1,3-BPG:stä glykolyysin aikana muuttuu Rapoport-Lübering-syklin mukaisesti, muodostuneen 2,3-BPG:n osuus on noin 50 % kaikista punasoluissa olevista glykolyysin välituotteista [1] ja noin kaksi. kolmasosa erytrosyyttien fosfaattien kokonaismäärästä [11] . Fysiologisissa olosuhteissa 2,3-BPG:tä on läsnä punasoluissa suunnilleen samassa molaarisessa pitoisuudessa kuin veren hemoglobiinipigmenttiä ja noin neljä kertaa enemmän ATP:tä [7] . 2,3-BPG:n määrä määräytyy BFGM:n syntaasi- ja fosfataasiaktiivisuuksien suhteen perusteella.
2,3-BPG, joka muodostuu Rapoport- Lübering -syklissä , toimii pääasiassa hemoglobiinin allosteerisena estäjänä , stabiloimalla sen hapettamatonta deoksimuotoa ja sääteleen siten sen hemoglobiinin sitoutumiskykyä (affiniteettia) happeen [7] . 2,3-BPG sitoutuu kahden hemoglobiinin beeta-alayksikön väliin taskussa, joka muodostuu kuormittamattomassa tilassa, joka tunnetaan myös nimellä T-muoto [12] . Sitoutumisen biofyysinen perusta on vuorovaikutus 2,3-BPG:n negatiivisesti varautuneiden ryhmien ja sitoutumistaskussa olevien positiivisesti varautuneiden aminohappotähteiden välillä . 2,3-BPG:n pitoisuuden nousu siirtää hemoglobiinin hapen sitoutumiskäyrää oikealle, mikä helpottaa sitoutuneen hapen vapautumista. Sitä vastoin 2,3-BPG:n pitoisuuden lasku johtaa hapen sitoutumiskäyrän siirtymiseen vasemmalle ja siten hapen voimakkaampaan sitoutumiseen hemoglobiiniin.
Muita tekijöitä, jotka johtavat hemoglobiinin happiaffiniteetin lisääntymiseen ja osittain myös 2,3-BPG:n tasoon, ovat lämpötilan lasku, pH : n nousu ja hiilidioksidipitoisuuden lasku . pH-arvon ja hiilidioksidin osapaineen yhteisvaikutusta hemoglobiinin kykyyn sitoa happea kutsutaan myös Bohr-ilmiöksi, ja se on fysikaalis-kemiallinen perusta keuhkojen kaasunvaihdon säätelylle ja metabolisesti aktiivisen kudoksen saamiselle . happi. Hiilimonoksidi puolestaan vähentää hemoglobiinin kykyä sitoa happea, koska se kilpailee hapen kanssa samasta sitoutumiskohdasta hemoglobiinimolekyylissä. 2,3-BPG:n määrän lisääminen parantaa hapen kulkua kehon reuna-alueille ja siten hapen saantia kudoksiin erityisesti epäsuotuisissa olosuhteissa, kuten hapen nälänhädässä. Esimerkiksi altistuminen suurille korkeuksille johtaa 2,3-BPG:n pitoisuuden nousuun, joka palaa normaaliarvoihin noin kaksi päivää sen jälkeen, kun se on palannut lähtötasolle [7] . Lyhyt- tai pitkäkestoinen fyysinen aktiivisuus ja kestävyysharjoittelu vaikuttavat myös 2,3-BPG:n keskittymiseen eri tavoin [13] .
Tämän kompensointimekanismin lisäksi Rapoport-Lübering-syklillä on todennäköisesti myös rooli glykolyysin massa- ja energiatasapainon säätelyssä [9] [13] . Siten se saa aikaan koentsyymi - nikotiiniamidiadeniinidinukleotidin (NADH) lisääntyneen muodostumisen glykolyysissä ilman myöhempää ATP-pitoisuuden nousua ja mahdollistaa glykolyysin tapahtumisen jopa alhaisella ATP-tarpeella. Lisäksi 2,3-BPG on punasolujen energia- ja fosfaattivarasto .
Entsyymivirheet niissä glykolyyttisissä reaktioissa, jotka tapahtuvat 2,3-BPG:n muodostumisen jälkeen, aiheuttavat sen pitoisuuden nousun, hemoglobiinin happiaffiniteetin vähenemisen ja siten lisääntyneen hapen vapautumisen kudokseen [1] . Päinvastoin, viat glykolyyttisissä reaktioissa ennen Rapoport-Lübering-sykliä johtavat 2,3-BPG:n pitoisuuden laskuun ja siten hapen kuljetuksen vähenemiseen kudoksiin.
Bisfosfoglyseraattimutaasin kohdennettu säätely 2,3-BPG:n pitoisuuteen erytrosyyteissä vaikuttamiseksi voi olla terapeuttisesti kiinnostavaa esimerkiksi iskemian ja sirppisoluanemian hoidossa [3] [14] . Glykaation aiheuttamaa BFGM-aktiivisuuden laskua on kuvattu diabeetikoilla [2] . Synnynnäinen BFGM-puutos on dokumentoitu vain muutamassa tapauksessa [15] . Muut kuin sekundaarinen erytrosytoosi (lisääntynyt punasolujen tuotanto), potilaat olivat enimmäkseen oireettomia. 2,3-BPG:n laboratoriomääritys erytrosyyteistä ja seerumista on mahdollista, mutta ei yleistä alhaisen diagnostisen arvon vuoksi ja kiinnostaa vain erityiskysymyksiä.
Punasoluissa oleva 2,3-BPG, kuten ATP, vaikuttaa kertyneen veren säilyvyyteen . Laktaattipitoisuuden lisääntymisen vuoksi varastointiajan pidentyessä otetun veren pH-arvo siirtyy happamalle alueelle, mikä tarkoittaa, että 2,3-BPG pilkkoutuu enemmän ja sen neogeneesi estyy. Lisäaineiden, kuten dekstroosin ja adeniinin , kuten nykyisin käytössä olevissa CPDA- tai CPD/SAGM-veripusseissa olevien, lisääminen voi viivyttää 2,3-BPG:n laskua ja siten lisätä varastoidun veren pitkäikäisyyttä ja toimintaa [16] .
2,3-BPG:n pitoisuus erytrosyyteissä ja sen vaikutus hemoglobiiniin vaihtelee eri nisäkkäillä [9] [13] [17] . Näin ollen ihmisten , hevosten , koirien , sikojen , kanien , marsujen , hiirten ja rottien hemoglobiinit, joiden punasoluissa on korkea 2,3-BPG-pitoisuus, reagoivat voimakkaasti. Päinvastoin, 2,3-BPG:n vaikutus hemoglobiiniin sekä 2,3-BPG:n pitoisuus lampaiden , vuohien ja nautojen , peuran , antilooppien ja kirahvien sekä hyeenojen ja kissojen punasoluissa on pienempi . .
Lintuilla 2,3 - BPG toimii vain hemoglobiinin happiaffiniteetin säätelijänä alkionkehityksen aikana . Muutama päivä kuoriutumisen jälkeen muna tuhoutuu kokonaan, ja myöhemmin elämässä 2,3-BPG:n toiminnan ottavat haltuunsa inositolifosfaatit , kuten inositoliheksafosfaatti (IHP) [18] . Kaloissa 2,3 - BPG:tä löytyy vain muutamista lajeista; hallitsevia organofosfaatteja kalan punasoluissa ovat ATP ja guanosiinitrifosfaatti (GTP) [19] . Matelijoiden erytrosyyteissä esiintyy pääasiassa organofosfaatteja: ATP, IHP ja myo-inositoli-5-fosfaatti (IP5).
Syynä nisäkkäiden ja muiden selkärankaisten välisiin eroihin on punasolujen erityinen energia-aineenvaihdunta nisäkkäissä. Muiden selkärankaisten tumallisissa punasoluissa hengitysketju on energiantuotannon pääväylä glykolyysin sijaan, kuten nisäkkäiden erytrosyyteissä [19] .
2,3-BPG, Rapoport-Lübering-syklin reaktiotuote, kuvattiin ja eristi ensimmäisen kerran vuonna 1925 [20] Erwin Negelein vuonna 1939 lähtöaineen 1,3-BPG. [21] Itävallassa syntynyt biokemisti Samuel Mitya Rapoport ja hänen sitten tekninen avustaja Janet Lubering löysi sitten 2,3-BPG:n muodostamiseen tarvittavat reaktiot Yhdysvalloissa 1940-luvulla ja kuvaili niitä useissa yhteisissä julkaisuissa 1950-luvun alussa [22] [23] . Tämän aineenvaihduntareitin tutkimus johti sitraattia ja dekstroosia sisältävän ACD-alustan kehittämiseen, mikä voisi pidentää verivarastojen säilyvyyttä yhdestä noin kolmeen viikosta. Koska tämä löytö oli tärkeä sotilaslääketieteelle toisen maailmansodan aikana, Samuel Mitya Rapoport sai Yhdysvaltain presidentin Harry S. Trumanin "presidentin kirjeen" [24] .
Poliittisen vakaumuksensa vuoksi Samuel Mitya Rapoport, joka sai vuoden stipendin Cincinnatin yliopiston lastensairaalassa vuonna 1937 ja ei palannut Eurooppaan Saksan liittämisen jälkeen Itävallan juutalaistaustansa vuoksi , meni Saksan demokraattiseen puolueeseen . tasavalta (DDR) vuonna 1952. Täällä hänestä tuli yksi maan johtavista biokemististä ja hän jatkoi erytrosyyttiaineenvaihdunnan tutkimusta. Yhdessä vaimonsa Ingeborga Rapoportin kanssa , joka on lastenlääkäri, ja poikansa Tom Rapoportin kanssa, joka muutti Harvardin yliopistoon vuonna 1995, hän julkaisi 1970-luvulla artikkeleita 2,3-BPG:n muodostumisen pH-riippuvuudesta ja glykolyysin säätelystä. punasoluissa.
Bisfosfoglyseraattimutaasin ominaisuuksia Rapoport-Lübering-syklin keskusentsyyminä ja sen trifunktionaalista aktiivisuutta karakterisoitiin tarkemmin 1960- ja 1970-luvuilla [4] [25] . Vuonna 1967 selvitettiin 2,3-BPG:n vaikutus hemoglobiiniin [26] ; vuonna 1978 kuvattiin synnynnäinen täydellinen BFGM-puutos potilaalla [27] . Kymmenen vuotta myöhemmin entsyymigeeni eristettiin ja karakterisoitiin ihmisen kromosomissa 7 [ 5] . BFGM-funktion molekyyliperustaa tutkittiin tarkemmin 1990-luvulla [14] [28] , vuonna 2004 selvitettiin entsyymimolekyylin kiderakennetta [3] . Neljä vuotta myöhemmin moniinositolipolyfosfaattifosfataasientsyymillä (MIPP), jota esiintyy eri kudoksissa, kuvattiin myös olevan 2,3-BPG-fosfataasiaktiivisuus [29] . Tämä löytö on tärkeä hemoglobiinin hapen vapautumisen säätelylle ja siten Rapoport-Lübering-syklin fysiologiselle roolille.
| Veri | |
|---|---|
| hematopoieesi | |
| Komponentit | |
| Biokemia | |
| Sairaudet | |
| Katso myös: Hematologia , Onkohematologia | |
| Aineenvaihdunta , katabolismi , anabolismi | |||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Kenraali |
| ||||||||||||||||||||||||||
| energian vaihto |
| ||||||||||||||||||||||||||
| Betonipolut _ |
| ||||||||||||||||||||||||||