V biochemii je Rapoport-Lüberingův cyklus , také známý jako Rapoport-Lüberingův zkrat , Rapoport-Lüberingův člun , fosfoglycerátový cyklus nebo 2,3 -BPG cyklus , metabolická dráha , která se vyskytuje především v červených krvinkách savců (erytrocytech) . , pak následuje sled enzymaticky řízených chemických reakcí . Je to vedlejší dráha glykolýzy , která se skládá ze tří dílčích reakcí a je ústřední pro výrobu energie a metabolismus sacharidů u téměř všech živých věcí. Rapoport-Luberingův cyklus je tedy jedním z biochemických procesů rozkladu glukózy v těle zvířat .
Jeho hlavní reakcí je tvorba meziproduktu 2,3-bisfosfoglycerátu (2,3-BPG) z 1,3-bisfosfoglycerátu vzniklého v glykolýze řízené enzymem bisfosfoglycerátmutázou . 2,3-BPG, vznikající v Rapoport-Lüberingově cyklu, působí jako důležitý biochemický efektor při regulaci schopnosti (afinity) hemoglobinu, krevního barviva, vázat se na kyslík dýchacího plynu, zejména pro jejich dlouhodobou adaptaci na kyslík deprivace, což je důležité pro uvolňování kyslíku z červených krvinek do tkání. Podílí se také na enzymatické kontrole glykolýzy a působí jako zásobárna energie a fosfátů v červených krvinkách.
Objev Rapoport-Luberingova cyklu a významu 2,3-BPG v energetické bilanci erytrocytů ve 40. letech 20. století biochemikem Samuelem Mityou Rapoportem a jeho asistentkou Janet Luberingovou měl velký lékařský význam kvůli pochopení těchto procesů. trvanlivost krevní konzervy se může výrazně prodloužit.
Rapoport-Lüberingův cyklus je vedlejším produktem glykolýzy v erytrocytech savců , včetně lidí . Počínaje 1,3-bisfosfoglycerátem (1,3-BPG) z glykolýzy vede k tvorbě 2,3-bisfosfoglycerátu (2,3-BPG). Odtud vznikají sloučeniny kyseliny fosfoglycerové 3-fosfoglycerát (3-PG) a jeho izomerizací 2-fosfoglycerát (2-PG) , které jsou součástí glykolýzní reakce [1] .
Přítomnost enzymu bisfosfoglycerátmutázy (BPGM) odpovědného za tyto reakce je v podstatě omezena na erytrocyty a erytropoetickou tkáň a jako trifunkční enzym má tři různé aktivity [2] [3] . V závislosti na pH působí buď jako syntáza (2,3-BPG syntáza, synonymum pro bisfosfoglycerátmutázu; EC číslo 5.4.2.4) k přeměně 1,3-BPG na 2,3-BPG, nebo jako fosfatáza . (2., 3-bisfosfoglycerát fosfatáza; EC číslo 3.1.3.13) pro konverzi 2,3-BPG na 3-PG. Navíc jako mutáza (monofosfoglycerátmutáza; EC číslo 5.4.2.1) katalyzuje rovnovážnou reakci mezi 3-PG a 2-PG [3] .
Hlavní činností BFGM je syntázová reakce z 1,3-BPG na 2,3-BPG, která je nevratná . Posledním krokem v Rapoport-Lüberingově cyklu, přeměnou 3-PG na 2-PG, je částečná glykolýza, ke které dochází také v jiných buňkách enzymem fosfoglycerátmutázou . Kromě toho byla zjištěna nízká aktivita 2,3-BPG syntázy a fosfatázy u fosfoglycerátmutázy, která je podobná BPGM, pokud jde o její molekulovou hmotnost , strukturu podjednotek a sekvenci aminokyselin [4] . Pravděpodobně funguje jako trifunkční enzym podobný BFGM, ale s jiným poměrem aktivit těchto tří enzymů vůči sobě navzájem. Kromě exprese BFGM v některých neerytropoetických tkáních, jako je placenta a játra , je to možné vysvětlení nízkých hladin 2,3-BPG v neerytroidních buňkách [5] . Reverzní reakce z 2-PG přes 3-PG na 1,3-BPG, a tedy dílčí procesy glykolýzy, které probíhají paralelně s Rapoport-Lüberingovým cyklem, probíhají v rámci glukoneogeneze .
První fáze Rapoport-Lüberingova cyklu, přeskupení 1,3-BPG na 2,3-BPG, je izomerizace s neutrální materiálovou bilancí. Bisfosfoglycerátmutáza jako enzym této reakce však vyžaduje přítomnost hořečnatých iontů [6] . Hydrolytické štěpení 2,3-BPG na 3-PG ve druhém stupni probíhá se spotřebou molekuly vody a uvolňováním anorganického fosfátu . Na rozdíl od přeměny 1,3-BPG na 3-PG fosfoglycerátkinázou během glykolýzy se adenosintrifosfát (ATP) v Rapoport-Luberingově cyklu netvoří . Energetický výtěžek sekundární dráhy přes 2,3-BPG je tedy nižší než výtěžek přímé dráhy při glykolýze.
Sloučeniny 2,3-BPG a 3-PG, které se tvoří v Rapoport-Lüberingově cyklu, inhibují tuto sekundární dráhu, která je tedy autoregulační [7] . 2,3-BPG také inhibuje několik enzymů upstream od Rapoport-Lüberingova cyklu v sekvenci glykolýzy, jako je hexokináza a fosfofruktokináza [1] . Kromě toho působí jako kofaktor fosfoglycerátmutázy při glykolýze [8] . Zvýšení množství 1,3-BPG stimuluje produkci 2,3-BPG. Všechny procesy glykolýzy, vedoucí ke zvýšení koncentrace 1,3-BPG v důsledku aktivace nebo inhibice enzymů, tím urychlují tvorbu 2,3-BPG [7] .
Zvýšení hodnoty pH také dává více 2,3-BPG, protože optimální hodnota pH pro aktivitu BFGM syntázy je kolem 7,2, zatímco aktivita fosfatázy má optimum v kyselé oblasti a pak převládá opačná 2,3 tvorba BPG. Hormony tyroxin , somatotropin , testosteron a erytropoetin také stimulují tvorbu 2,3-BPG [9] . Naopak chlorid , fosfát a především fyziologický aktivátor fosfatázy 2-fosfoglykolát vedou ke zvýšenému štěpení 2,3-BPG na 3-PG fosfatázovou funkcí BFGM [3] .
Protože erytrocyty savců, na rozdíl od většiny ostatních tělesných buněk, nemají buněčné jádro ani mitochondrie , mají specializovaný metabolismus sacharidů a energie bez cyklu kyseliny citrónové a dýchacího řetězce . Kromě pentózofosfátové dráhy je glykolýza jediným způsobem, jak získat energii v erytrocytech [10] . Asi 20 % 1,3-BPG vzniklého v erytrocytech během glykolýzy je přeměněno podle Rapoport-Lüberingova cyklu, podíl vytvořeného 2,3-BPG tvoří asi 50 % všech meziproduktů glykolýzy v erytrocytech [1] a asi dva třetiny celkového množství fosfátových erytrocytů [11] . Za fyziologických podmínek je 2,3-BPG přítomen v erytrocytech v přibližně stejné molární koncentraci jako barvivo hemoglobinu v krvi a přibližně čtyřnásobek koncentrace ATP [7] . Množství 2,3-BPG je určeno poměrem syntázových a fosfatázových aktivit BFGM.
2,3-BPG, vznikající v Rapoport -Lüberingově cyklu , působí především jako alosterický inhibitor hemoglobinu, stabilizuje jeho neokysličenou deoxy formu , a tím reguluje jeho vazebnou schopnost (afinitu) hemoglobinu ke kyslíku [7] . 2,3-BPG se váže mezi dvě podjednotky hemoglobinu beta v kapse, která se tvoří v nezatíženém stavu, také známá jako T-forma [12] . Biofyzikálním základem vazby je interakce mezi záporně nabitými skupinami 2,3-BPG a kladně nabitými aminokyselinovými zbytky ve vazebné kapse. Zvýšení koncentrace 2,3-BPG posouvá křivku vazby hemoglobinu na kyslík doprava, což usnadňuje uvolňování vázaného kyslíku. Naopak pokles koncentrace 2,3-BPG vede k posunu křivky vazby kyslíku doleva a tím k silnější vazbě kyslíku na hemoglobin.
Dalšími faktory, které vedou ke zvýšení afinity hemoglobinu ke kyslíku a částečně ovlivňují i hladinu 2,3-BPG, jsou snížení teploty , zvýšení pH a snížení koncentrace oxidu uhličitého . Kombinovaný vliv hodnoty pH a parciálního tlaku oxidu uhličitého na schopnost hemoglobinu vázat kyslík se také nazývá Bohrův efekt a je fyzikálně-chemickým základem pro regulaci výměny plynů v plicích a zásobování metabolicky aktivní tkáně. kyslík. Oxid uhelnatý na druhé straně snižuje schopnost hemoglobinu vázat kyslík, protože soutěží s kyslíkem o stejné vazebné místo v molekule hemoglobinu. Zvýšení množství 2,3-BPG zlepšuje dodávku kyslíku do periferie těla a tím i zásobování tkání kyslíkem, zejména za nepříznivých podmínek, jako jsou stavy spojené s hladověním kyslíkem. Například vystavení vysokým nadmořským výškám vede ke zvýšení koncentrace 2,3-BPG, která se vrátí k normálním hodnotám přibližně dva dny po návratu na výchozí hodnotu [7] . Krátkodobá nebo dlouhodobá fyzická aktivita a vytrvalostní trénink také ovlivňují koncentraci 2,3-BPG různými způsoby [13] .
Kromě této funkce jako kompenzačního mechanismu hraje pravděpodobně Rapoport-Lüberingův cyklus roli i v regulaci hmotnostní a energetické bilance glykolýzy [9] [13] . Poskytuje tedy zvýšenou tvorbu koenzymu nikotinamid adenindinukleotid (NADH) v glykolýze bez následného zvýšení koncentrace ATP a umožňuje glykolýzu i při nízké potřebě ATP. Kromě toho je 2,3-BPG zásobárnou energie a fosfátů v erytrocytech.
Enzymové defekty v těch glykolytických reakcích, ke kterým dochází po vzniku 2,3-BPG, způsobují zvýšení jeho koncentrace, snížení afinity hemoglobinu ke kyslíku a tím i zvýšené uvolňování kyslíku do tkáně [1] . Naopak defekty v glykolytických reakcích před Rapoport-Lüberingovým cyklem vedou ke snížení koncentrace 2,3-BPG a tím ke snížení dodávky kyslíku do tkání.
Cílená regulace bisfosfoglycerátmutázy za účelem ovlivnění koncentrace 2,3-BPG v erytrocytech může být terapeuticky zajímavá, například pro léčbu ischemie a srpkovité anémie [3] [14] . U diabetických pacientů bylo popsáno snížení aktivity BFGM v důsledku glykace [2] . Vrozený nedostatek BFGM byl dokumentován pouze v několika případech [15] . Kromě sekundární erytrocytózy (zvýšená tvorba červených krvinek) byli pacienti většinou asymptomatičtí. Laboratorní stanovení 2,3-BPG v erytrocytech a séru je možné, ale není běžné pro nízkou diagnostickou hodnotu a je zajímavé pouze pro speciální otázky.
2,3-BPG v erytrocytech, stejně jako ATP, ovlivňuje skladovatelnost uložené krve . Vlivem zvýšení koncentrace laktátu s prodlužující se dobou skladování se hodnota pH odebrané krve posouvá do kyselé oblasti, což znamená, že 2,3-BPG se více štěpí a je inhibována jeho neogeneze. Přidání aditiv, jako je dextróza a adenin , jako jsou ty, které se nacházejí v aktuálně používaných krevních vacích CPDA nebo CPD/SAGM, může oddálit pokles 2,3-BPG a tím zvýšit životnost a funkci skladované krve [16] .
Koncentrace 2,3-BPG v erytrocytech a míra jeho účinku na hemoglobin se u různých savců liší [9] [13] [17] . V souladu s tím silně reagují hemoglobiny lidí , koní , psů , prasat , králíků , morčat , myší a krys , jejichž erytrocyty mají vysokou koncentraci 2,3-BPG. Naopak vliv 2,3-BPG na hemoglobin, stejně jako obsah 2,3-BPG v erytrocytech ovcí , koz a skotu , jelenů , antilop a žiraf , stejně jako hyen a koček , je nižší . .
U ptáků působí 2,3-BPG pouze jako regulátor afinity hemoglobinu ke kyslíku během embryonálního vývoje . Několik dní po vylíhnutí je vajíčko zcela zničeno a později v životě funkci 2,3-BPG převezmou inositolfosfáty , jako je inositolhexafosfát (IHP) [18] . U ryb se 2,3-BPG vyskytuje pouze u několika druhů, dominantními organofosfáty v rybích erytrocytech jsou ATP a guanosintrifosfát (GTP) [19] . V erytrocytech plazů se nacházejí hlavně organofosfáty: ATP, IHP a myo-inositol-5-fosfát (IP5).
Důvodem rozdílů mezi savci a ostatními obratlovci je zvláštní energetický metabolismus erytrocytů u savců. V jaderných erytrocytech jiných obratlovců je hlavní cestou pro produkci energie spíše než glykolýza dýchací řetězec, jako je tomu u erytrocytů savců [19] .
2,3-BPG, reakční produkt Rapoport-Lüberingova cyklu, byl poprvé popsán a izolován v roce 1925 [20] výchozí materiál 1,3-BPG Erwinem Negeleinem v roce 1939 [21] biochemik rakouského původu Samuel Mitya Rapoport a jeho pak technická asistentka Janet Luberingová poté objevila reakce nutné k vytvoření 2,3-BPG v USA ve 40. letech a popsala je v několika společných publikacích na počátku 50. let [22] [23] . Výzkum této metabolické dráhy vedl k vývoji ACD média obsahujícího citrát a dextrózu , které by mohlo prodloužit skladovatelnost krevních zásob z jednoho na tři týdny. Kvůli důležitosti tohoto objevu pro vojenskou medicínu během druhé světové války byl Samuel Mitya Rapoport oceněn „Prezidentským dopisem“ amerického prezidenta Harryho S. Trumana [24] .
Samuel Mitya Rapoport, který v roce 1937 získal roční stipendium na dětské nemocnici v Cincinnati a poté, co Německo anektovalo Rakousko kvůli svému židovskému původu, se kvůli svému politickému přesvědčení nevrátil do Evropy . republiky (NDR) v roce 1952. Zde se stal jedním z předních biochemiků v zemi a pokračoval ve výzkumu metabolismu erytrocytů. Spolu s manželkou Ingeborgou Rapoportovou , dětskou lékařkou, a synem Tomem Rapoportem , který se v roce 1995 přestěhoval na Harvardskou univerzitu , publikoval v 70. letech práce o závislosti tvorby 2,3-BPG na pH a o regulaci glykolýzy. v erytrocytech.
Vlastnosti bisfosfoglycerátmutázy jako centrálního enzymu Rapoport-Lüberingova cyklu a její trifunkční aktivita byly podrobněji charakterizovány v 60. a 70. letech 20. století [4] [25] . V roce 1967 byl objasněn vliv 2,3-BPG na hemoglobin [26] , v roce 1978 byl popsán vrozený výskyt úplného deficitu BFGM u pacienta [27] . O deset let později byl gen enzymu izolován a charakterizován na lidském chromozomu 7 [5] . Molekulární podstata funkce BFGM byla podrobněji studována v 90. letech [14] [28] , v roce 2004 byla objasněna krystalová struktura molekuly enzymu [3] . O čtyři roky později bylo popsáno, že enzym mnohočetná inositolpolyfosfátfosfatáza (MIPP), nalezený v různých tkáních, má aktivitu 2,3-BPG-fosfatázy [29] . Tento objev je důležitý pro regulaci uvolňování kyslíku z hemoglobinu a tím i pro fyziologickou roli Rapoport-Lüberingova cyklu.
| Krev | |
|---|---|
| krvetvorba | |
| Komponenty | |
| Biochemie | |
| Nemoci | |
| Viz také: Hematologie , Onkohematologie | |
| Metabolismus , katabolismus , anabolismus | |||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Všeobecné |
| ||||||||||||||||||||||||||
výměna energie |
| ||||||||||||||||||||||||||
| Betonové cesty |
| ||||||||||||||||||||||||||