Ciclul Rapoport-Lubering

În biochimie , ciclul Rapoport-Lübering , cunoscut și sub denumirea de șunt Rapoport-Lübering, naveta Rapoport-Lübering , ciclul fosfoglicerat sau ciclul 2,3 -BPG , este o cale metabolică care apare în principal în globulele roșii ale mamiferelor (eritrocite) . , apoi există o secvență de reacții chimice controlate enzimatic . Este o cale secundară a glicolizei , constând din trei reacții parțiale, care este esențială pentru producerea de energie și metabolismul carbohidraților.aproape toate fiinţele vii. Astfel, ciclul Rapoport-Lubering este unul dintre procesele biochimice de descompunere a glucozei în organismul animal .

Reacția sa principală este formarea intermediarului 2,3-bisfosfoglicerat (2,3-BPG) din 1,3-bisfosfoglicerat , format în glicoliză controlată de enzima bisfosfoglicerat mutază . 2,3-BPG, format în ciclul Rapoport-Lübering, acționează ca un efector biochimic important în reglarea capacității (afinității) hemoglobinei, colorantul din sânge, de a se lega de oxigenul gazos respirator, în special pentru adaptarea lor pe termen lung la oxigen. privare, ceea ce face importantă eliberarea oxigenului din celulele roșii din sânge către țesuturi. De asemenea, este implicat în controlul enzimatic al glicolizei și acționează ca un depozit de energie și fosfat în celulele roșii din sânge.

Descoperirea ciclului Rapoport-Lubering și a importanței 2,3-BPG în echilibrul energetic al eritrocitelor în anii 1940 de către biochimistul Samuel Mitya Rapoport și asistentul său Janet Lubering a avut o importanță medicală deosebită datorită înțelegerii acestor procese. perioada de valabilitate a sângelui conservat poate fi prelungită semnificativ.

Aspecte biochimice

Proces

Ciclul Rapoport-Lübering este un produs secundar al glicolizei în eritrocitele de mamifere , inclusiv la oameni . Începând cu 1,3-bisfosfogliceratul (1,3-BPG) din glicoliză, duce la formarea 2,3-bisfosfogliceratului (2,3-BPG). De aici se formează compușii acidului fosfogliceric 3-fosfoglicerat (3-PG) și, prin izomerizarea acestuia , 2-fosfoglicerat (2-PG), care fac parte din reacția de glicoliză [1] .

Prezența enzimei bisfosfoglicerat mutazei (BPGM) responsabilă de aceste reacții este limitată în esență la eritrocite și țesutul eritropoietic și, fiind o enzimă trifuncțională, are trei activități distincte [2] [3] . În funcție de pH , acționează fie ca sintază (2,3-BPG sintază, sinonim pentru bisfosfoglicerat mutază; numărul CE 5.4.2.4) pentru a converti 1,3-BPG în 2,3-BPG, fie ca fosfatază . (a doua, 3-bisfosfoglicerat fosfatază; numărul CE 3.1.3.13) pentru a converti 2,3-BPG în 3-PG. În plus, ca mutază (monofosfoglicerat mutază; numărul CE 5.4.2.1), catalizează reacția de echilibru între 3-PG și 2-PG [3] .

Activitatea principală a BFGM este reacția sintazei de la 1,3-BPG la 2,3-BPG, care este ireversibilă . Ultimul pas din ciclul Rapoport-Lübering, conversia 3-PG în 2-PG, este o reacție de glicoliză parțială care are loc și în alte celule de către enzima fosfoglicerat mutaza . În plus, a fost găsită activitate scăzută ca 2,3-BPG sintetază și fosfatază pentru fosfoglicerat mutaza, care este similară cu BPGM în ceea ce privește greutatea moleculară , structura subunității sale și secvența de aminoacizi [4] . Funcționează probabil ca o enzimă trifuncțională similară cu BFGM, dar cu un raport diferit între activitățile celor trei enzime. În plus față de expresia BFGM în unele țesuturi non-eritropoetice, cum ar fi placenta și ficatul , aceasta este o posibilă explicație pentru nivelurile scăzute de 2,3-BPG în celulele non-eritroide [5] . Reacțiile inverse de la 2-PG la 3-PG la 1,3-BPG și, prin urmare, subprocesele de glicoliză care se desfășoară paralel cu ciclul Rapoport-Lübering, apar în cadrul gluconeogenezei .

Sold

Prima etapă a ciclului Rapoport-Lübering, rearanjarea 1,3-BPG la 2,3-BPG, este o izomerizare cu un echilibru material neutru. Cu toate acestea, bisfosfoglicerat mutaza, ca enzimă a acestei reacții, necesită prezența ionilor de magneziu [6] . Scindarea hidrolitică a 2,3-BPG la 3-PG în a doua etapă are loc cu consumul unei molecule de apă și eliberarea de fosfat anorganic . Spre deosebire de conversia 1,3-BPG în 3-PG de către fosfoglicerat kinaza în timpul glicolizei, adenozin trifosfatul (ATP) nu se formează în ciclul Rapoport-Lubering . Astfel, randamentul energetic al căii secundare prin 2,3-BPG este mai mic decât cel al căii directe în glicoliză.

Regulamentul

Compușii 2,3-BPG și 3-PG, care se formează în ciclul Rapoport-Lübering, inhibă această cale secundară, care este prin urmare autoreglare [7] . 2,3-BPG inhibă, de asemenea, mai multe enzime în amonte de ciclul Rapoport-Lübering în secvența de glicoliză, cum ar fi hexokinaza și fosfofructokinaza [1] . În plus, acţionează ca un cofactor pentru fosfoglicerat mutaza în glicoliză [8] . O creștere a cantității de 1,3-BPG stimulează producția de 2,3-BPG. Toate procesele de glicoliză, care conduc la o creștere a concentrației de 1,3-BPG datorită activării sau inhibării enzimelor, accelerează astfel formarea 2,3-BPG [7] .

Creșterea valorii pH-ului dă, de asemenea, mai mult 2,3-BPG, deoarece valoarea optimă a pH-ului pentru activitatea sinttazei BFGM este în jur de 7,2, în timp ce activitatea fosfatazei are optimul în regiunea acidă, iar apoi predomină formarea opusă de 2,3 a BPG. De asemenea, hormonii tiroxina , somatotropina , testosteronul și eritropoietina stimulează formarea 2,3-BPG [9] . Dimpotrivă, clorura , fosfatul și, mai presus de toate, activatorul fiziologic de fosfatază 2-fosfoglicolatul duc la clivarea crescută a 2,3-BPG la 3-PG de către funcția de fosfatază a BFGM [3] .

Înțeles

Funcția fiziologică

Deoarece eritrocitele de mamifere, spre deosebire de majoritatea celulelor corpului, nu au un nucleu celular sau mitocondrii , ele au un metabolism specializat al carbohidraților și al energiei fără ciclul acidului citric și lanțul respirator . Pe lângă calea pentozei fosfat, glicoliza este singura modalitate de a obține energie în eritrocite [10] . Aproximativ 20% din 1,3-BPG formată în eritrocite în timpul glicolizei este convertită conform ciclului Rapoport-Lübering, ponderea 2,3-BPG formată reprezintă aproximativ 50% din toți intermediarii de glicoliză din eritrocite [1] și aproximativ două treimi din cantitatea totală de eritrocite fosfați [11] . În condiții fiziologice, 2,3-BPG este prezent în eritrocite la aproximativ aceeași concentrație molară ca și pigmentul hemoglobinei din sânge și de aproximativ patru ori concentrația de ATP [7] . Cantitatea de 2,3-BPG este determinată de raportul dintre activitățile sintatază și fosfatază ale BFGM.

2,3-BPG, format în ciclul Rapoport- Lübering , acționează în principal ca un inhibitor alosteric al hemoglobinei, stabilizând forma sa deoxi neoxigenată și, astfel, reglează capacitatea de legare (afinitatea) a hemoglobinei la oxigen [7] . 2,3-BPG se leagă între două subunități beta de hemoglobină într-un buzunar care se formează într-o stare neîncărcată, cunoscută și sub denumirea de forma T [12] . Baza biofizică a legării este interacțiunea dintre grupările încărcate negativ ale 2,3-BPG și reziduurile de aminoacizi încărcate pozitiv din buzunarul de legare. O creștere a concentrației de 2,3-BPG deplasează curba de legare a oxigenului hemoglobinei spre dreapta, ceea ce facilitează eliberarea oxigenului legat. În schimb, o scădere a concentrației de 2,3-BPG duce la o deplasare a curbei de legare a oxigenului spre stânga și, astfel, la o legare mai puternică a oxigenului de hemoglobină.

Alți factori care duc la o creștere a afinității hemoglobinei pentru oxigen și afectează parțial și nivelul de 2,3-BPG sunt scăderea temperaturii , creșterea pH -ului și scăderea concentrației de dioxid de carbon . Influența combinată a valorii pH-ului și a presiunii parțiale a dioxidului de carbon asupra capacității hemoglobinei de a lega oxigenul se mai numește și efectul Bohr și reprezintă baza fizico-chimică pentru reglarea schimbului de gaze în plămâni și furnizarea de țesut metabolic activ cu oxigen. Monoxidul de carbon , pe de altă parte, reduce capacitatea hemoglobinei de a lega oxigenul, deoarece concurează cu oxigenul pentru același loc de legare în molecula de hemoglobină. Creșterea cantității de 2,3-BPG îmbunătățește livrarea de oxigen la periferia corpului și, astfel, furnizarea de oxigen către țesuturi, în special în condiții adverse, cum ar fi condițiile asociate cu lipsa de oxigen. De exemplu, expunerea la altitudini mari duce la o creștere a concentrației de 2,3-BPG, care revine la valorile normale la aproximativ două zile după revenirea la valoarea de bază [7] . Activitatea fizică pe termen scurt sau lung și antrenamentul de anduranță afectează, de asemenea, concentrația de 2,3-BPG în moduri diferite [13] .

Pe lângă această funcție ca mecanism compensator, ciclul Rapoport-Lübering joacă probabil și un rol în reglarea echilibrului de masă și energie al glicolizei [9] [13] . Astfel, asigură o formare crescută a coenzimei nicotinamidă adenin dinucleotidă (NADH) în glicoliză fără o creștere ulterioară a concentrației de ATP și permite glicolizei să apară chiar și cu o cerere scăzută de ATP. În plus, 2,3-BPG este un depozit de energie și fosfat în eritrocite.

Semnificație medicală

Defectele enzimatice în acele reacții glicolitice care apar după formarea 2,3-BPG determină o creștere a concentrației acestuia, o scădere a afinității hemoglobinei pentru oxigen și, astfel, o eliberare crescută de oxigen în țesut [1] . În schimb, defectele reacțiilor glicolitice înainte de ciclul Rapoport-Lübering duc la o scădere a concentrației de 2,3-BPG și, astfel, la o scădere a livrării de oxigen către țesuturi.

Reglarea țintită a mutazei bisfosfoglicerat pentru a influența concentrația de 2,3-BPG în eritrocite poate fi de interes terapeutic, de exemplu, pentru tratamentul ischemiei și anemiei falciforme [3] [14] . O scădere a activității BFGM datorită glicației a fost descrisă la pacienții diabetici [2] . Deficitul congenital BFGM a fost documentat doar în câteva cazuri [15] . În afară de eritrocitoza secundară (producția crescută de globule roșii), pacienții au fost în cea mai mare parte asimptomatici. Determinarea de laborator a 2,3-BPG în eritrocite și ser este posibilă, dar nu obișnuită din cauza valorii diagnostice scăzute și prezintă interes doar pentru întrebări speciale.

2,3-BPG din eritrocite, precum ATP, afectează perioada de valabilitate a sângelui depus . Datorită creșterii concentrației de lactat pe măsură ce perioada de depozitare crește, valoarea pH-ului sângelui prelevat se deplasează în regiunea acidă, ceea ce înseamnă că 2,3-BPG este mai scindat, iar neogeneza sa este inhibată. Adăugarea de aditivi precum dextroză și adenină , cum ar fi cele găsite în pungile de sânge CPDA sau CPD/SAGM utilizate în prezent, poate întârzia scăderea 2,3-BPG și astfel crește longevitatea și funcția sângelui stocat [16] .

Aspecte veterinar-fiziologice

Concentrația de 2,3-BPG în eritrocite și gradul efectului său asupra hemoglobinei diferă la diferite mamifere [9] [13] [17] . În consecință, hemoglobinele oamenilor , cailor , câinilor , porcilor , iepurilor , cobaii , șoarecilor și șobolanilor , ale căror eritrocite au o concentrație mare de 2,3-BPG, reacționează puternic. Dimpotrivă, efectul 2,3-BPG asupra hemoglobinei, precum și conținutul de 2,3-BPG în eritrocitele de oi , capre și bovine , căprioare , antilope și girafe , precum și hiene și pisici , este mai scăzut . .

La păsări, 2,3-BPG acționează doar ca un regulator al afinității hemoglobinei oxigenului în timpul dezvoltării embrionare . La câteva zile după eclozare , oul este complet distrus, iar mai târziu în viață funcția 2,3-BPG este preluată de fosfații de inozitol precum inozitol hexafosfat (IHP) [18] . La pești, 2,3-BPG se găsește doar la câteva specii; organofosfații dominanti în eritrocitele de pește sunt ATP și guanozin trifosfat (GTP) [19] . În eritrocitele de reptile , organofosfații se găsesc în principal: ATP, IHP și mio-inozitol-5-fosfat (IP5).

Motivul diferențelor dintre mamifere și alte vertebrate este metabolismul energetic special al eritrocitelor la mamifere. În eritrocitele nucleate ale altor vertebrate, lanțul respirator este principala cale pentru producerea de energie, mai degrabă decât glicoliza, ca în eritrocitele de mamifere [19] .

Istoricul descoperirilor

2,3-BPG, un produs de reacție al ciclului Rapoport-Lübering, a fost descris și izolat pentru prima dată în 1925 [20] materialul de pornire 1,3-BPG de către Erwin Negelein în 1939 [21] Biochimistul de origine austriacă Samuel Mitya Rapoport și a lui apoi asistentul tehnic Janet Lubering a descoperit apoi reacțiile necesare formării 2,3-BPG în SUA în anii 1940 și le-a descris în mai multe publicații comune la începutul anilor 1950 [22] [23] . Cercetarea acestei căi metabolice a condus la dezvoltarea mediului ACD care conține citrat și dextroză , care ar putea crește durata de valabilitate a proviziilor de sânge de la una la aproximativ trei săptămâni. Datorită importanței acestei descoperiri pentru medicina militară în timpul celui de-al Doilea Război Mondial, Samuel Mitya Rapoport a primit „Scrisoarea prezidențială” a președintelui SUA Harry S. Truman [24] .

Datorită convingerilor sale politice, Samuel Mitya Rapoport, care a primit o bursă de un an la Spitalul de Copii al Universității din Cincinnati în 1937 și nu s-a întors în Europa după ce Germania a anexat Austria din cauza originii sale evreiești , a mers la Partidul Democrat din Germania . Republica (GDR) în 1952. Aici a devenit unul dintre cei mai importanți biochimiști ai țării și și-a continuat cercetările asupra metabolismului eritrocitelor. Împreună cu soția Ingeborga Rapoport , medic pediatru, și cu fiul Tom Rapoport , care s-a mutat la Universitatea Harvard în 1995, a publicat lucrări în anii 1970 despre dependența de pH a formării 2,3-BPG și despre reglarea glicolizei. în eritrocite.

Proprietățile bisfosfoglicerat mutazei ca enzimă centrală a ciclului Rapoport-Lübering și activitatea sa trifuncțională au fost caracterizate mai detaliat în anii 1960 și 1970 [4] [25] . În 1967, a fost elucidat efectul 2,3-BPG asupra hemoglobinei [26] ; în 1978, a fost descrisă o apariție congenitală a unui deficit complet de BFGM la un pacient [27] . Zece ani mai târziu, gena enzimei a fost izolată și caracterizată pe cromozomul 7 uman [5] . Baza moleculară a funcției BFGM a fost studiată mai detaliat în anii 1990 [14] [28] , în 2004 a fost elucidată structura cristalină a moleculei de enzimă [3] . Patru ani mai târziu, enzima inozitol polifosfat fosfatază multiplă (MIPP), găsită în diferite țesuturi, a fost, de asemenea, descrisă ca având activitate 2,3-BPG-fosfatază [29] . Această descoperire este importantă pentru reglarea eliberării de oxigen din hemoglobină și, prin urmare, pentru rolul fiziologic al ciclului Rapoport-Lübering.

Note

1. ↑ 1 2 3 4 R. van Wijk, WW van Solinge: Globulele roșii fără energie sunt pierdute: anomalii ale enzimelor eritrocite ale glicolizei. În: Sânge . 106(13)/2005. Societatea Americană de Hematologie, S. 4034-4042.
2. ↑ 1 2 T. Fujita et al.: Human Erythrocyte Bisphosphoglycerate Mutase: Inactivation by Glycation In Vivo and In Vitro. În: Journal of Biochemistry . 124(6)/1998. Societatea japoneză de biochimică, S. 1237-1244.
3. ↑ 1 2 3 4 5 Y. Wang și colab.: Crystal Structure of Human Bisphosphoglycerate Mutase. În: Journal of Biological Chemistry . 279/2004. Societatea Americană pentru Biochimie și Biologie Moleculară, S. 39132-39138.
4. ↑ 1 2 R. Sasaki, K. Ikura, E. Sugimoto, H. Chiba: Purificarea bisfosfoglicerat mutazei, bisfosfoglicerat fosfatazei și fosfoglicerat mutazei din eritrocite umane: trei activități enzimatice într-o singură proteină. În: Jurnalul European de Biochimie . 50(3)/1975. Federația Societăților Europene de Biochimice, S. 581-593.
5. ↑ 1 2 V. Joulin și colab.: Izolarea și caracterizarea genei 2,3-bisfosfoglicerat mutazei umane. În: Journal of Biological Chemistry . 263/1988. Societatea Americană pentru Biochimie și Biologie Moleculară, S. 15785-15790.
6. ↑ Gerhard Michal : Biochemical Pathways : Biochemie-Atlas. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 1999, ISBN 3-86025-239-9 , S. 27/28.
7. ↑ 1 2 3 4 5 Georg Löffler, Petro E. Petrides: Biochemie und Pathobiochemie. 7. Auflaj. Springer-Verlag, Berlin și Heidelberg 1998, ISBN 3-540-42295-1 , S. 986 și 994/995.
8. ↑ H. Chiba, R. Sasaki: Funcțiile 2,3-bisfosfogliceratului și metabolismul său. În: Subiecte curente în reglementarea celulară. 14/1978. Presa Academică, S. 75-116.
9. ↑ 1 2 3 Larry Rex Engelking: Review of Veterinary Physiology. Teton NewMedia, Jackson WY 2002, ISBN 1-893441-69-5 , S. 130.
10. ↑ Gerhard Thews , Ernst Mutschler , Peter Vaupel : Anatomie, Physiologie und Physiologie des Menschen. Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft, Stuttgart 1999, ISBN 3-8047-1616-4 , S. 117.
11. ↑ John P. Greer, Maxwell Myer Wintrobe: Hematologia clinică a lui Wintrobe. Lippincott Williams & Wilkins, Philadelphia 2009, ISBN 0-7817-6507-2 , S. 143.
12. ↑ Albert L. Lehninger, David L. Nelson, Michael M. Cox: Prinzipien der Biochemie. Zweite Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 1994, ISBN 3-86025-106-6 , S. 267/268.
13. ↑ 1 2 3 Nemi C. Jain: Elemente esențiale ale hematologiei veterinare. Lea & Febiger, Philadelphia 1993, ISBN 0-8121-1437-X , S. 145.
14. ↑ 1 2 P. Ravel, CT Craescu, N. Arous, J. Rosa, MC Gare: Critical Role of Human Bisphosphoglycerate Mutase Cys 22 in the Phosphatase Activator-binding Site. În: Journal of Biological Chemistry . 272/1997. Societatea Americană pentru Biochimie și Biologie Moleculară, S. 14045-14050.
15. ↑ OMIM 222800 , OMIM-Eintrag zur BPGM-Defizienz (engleză).
16. ↑ JR Hess, T. G. Greenwalt: Stocarea celulelor roșii din sânge: noi abordări. În: Transfusion Medicine Reviews . 16(49)/2002. Elsevier, S. 283-295.
17. ↑ Calea difosfogliceratului. În: Jiro J. Kaneko, John W. Harvey, Michael Bruss: Clinical Biochemistry of domestic Animals. Funfte Auflage. Academic Press, San Diego 1997, ISBN 0-12-396305-2 , S. 178-180.
18. ↑ RE Isaacks, LL Lai, PH Goldman, CY Kim: Studii asupra metabolismului eritrocitelor aviare. XVI. Acumularea de 2,3-bisfosfoglicerat cu modificări ale afinității pentru oxigen a eritrocitelor de pui. În: Arhivele de biochimie și biofizică . 257(1)/1987. Presa Academică, S. 177-185.
19. ↑ 1 2 Efectele fosfatului organic asupra afinității oxigenului. În: Stephen C. Wood, Claude Lenfant: Evolution of Respiratory Processes. O abordare comparativă. Informa Health Care, 1979, ISBN 0-8247-6793-4 , S. 212-214.
20. ↑ R. Juel: 2,3-Difosfoglicerat: rolul său în sănătate și boală. În: CRC Critical Reviews in Clinical Laboratory Sciences. 10(2)/1979. CRC Press, S. 113-146.
21. ↑ Erwin Negelein, Heinz Brömel: R-Diphosphoglycerinsäure, ihre Isolierung und Eigenschaften. În: Biochemische Zeitschrift . 303/1939. Springer, S. 132-144.
22. ↑ S. Rapoport, J. Luebering: The formation of 2,3-diphosphoglycerate in rabbit erythrocytes: The exist of a diphosphoglycerate mutase. În: Journal of Biological Chemistry . 183/1950. S. 507-516.
23. ↑ S. Rapoport, J. Luebering: Glicerat-2,3-difosfatază. În: Journal of Biological Chemistry . 189/1951. S. 683-694.
24. ↑ A. Tuffs: Samuel Mitja Rapoport. Nachruf în: British Medical Journal . 329/2004. BMJ Group, S. 353.
25. ^ ZB Rose: Purificarea și proprietățile mutatazei difosfoglicerat din eritrocite umane. În: Journal of Biological Chemistry . 243(18)/1968. Societatea Americană pentru Biochimie și Biologie Moleculară, S. 4810-4820.
26. ↑ Reinhold Benesch, Ruth Benesch: Efectul fosfaților organici din eritrocitul uman asupra proprietăților alosterice ale hemoglobinei. În: Comunicații de cercetare biochimică și biofizică . 26(2)/1967. Presa Academică, S. 162-167.
27. ↑ R. Rosa, M.-O. Prthu, Y. Beuzard, J. Rosa: Primul caz de deficiență completă a mutazei difosfoglicerat în eritrocitele umane. În: Journal of Clinical Investigation . 62/1978. Societatea Americană pentru Investigații Clinice, S. 907-915.
28. ↑ MC Garel, V. Lemarchandel, MC Calvin, N. Arous, CT Craescu, MO Prehu, J. Rosa, R. Rosa: Amino acid residues implicate in the catalytic site of human erythrocyte bisphosphoglycerate mutase. Consecințele funcționale ale substituțiilor His10, His187 și Arg89. În: Jurnalul European de Biochimie . 213(1)/1993. Federația Societăților Europene de Biochimice, S. 493-500.
29. ↑ J. Cho, JS King, X. Qian, AJ Harwood, SB Shears: Defosforilarea 2,3-bisfosfogliceratului de către MIPP extinde capacitatea de reglare a șuntului glicolitic Rapoport-Luebering. În: Proceedings of the National Academy of Sciences . 105(16)/2008. Academia Națională de Științe din Statele Unite, S. 5998-6003.

Link-uri web

• UniProt: Bisfosfoglicerat Mutaza - Homo sapiens (Uman) UniProt Informații despre Bisfosfoglicerat Mutaza