В биохимии цикл Рапопорта — Люберинг, также известный как шунт Рапопорта — Люберинг, челнок Рапопорта — Люберинг, фосфоглицератный цикл или цикл 2,3-БФГ, представляет собой метаболический путь, который происходит в основном в красных кровяных тельцах (эритроцитах) млекопитающих. Это побочный путь гликолиза, состоящий из трех частичных реакций, который имеет центральное значение для производства энергии и углеводного обмена почти у всех живых существ. Таким образом, цикл Рапопорта — Люберинг является одним из биохимических процессов расщепления глюкозы в организме животных.
Его основной реакцией является образование промежуточного продукта 2,3-бисфосфоглицерата (2,3-БФГ) из 1,3-бисфосфоглицерата, образующегося при гликолизе, контролируемом ферментом бисфосфоглицератмутазой. 2,3-БФГ, образующийся в цикле Рапопорта — Люберинг, действует как важный биохимический эффектор в регуляции способности (сродства) гемоглобина, красителя крови, связываться с дыхательным газом кислородом, особенно для их долгосрочной адаптации к кислородному голоданию, что делает его важным для высвобождения кислорода из эритроцитов в ткани. Он также участвует в ферментативном контроле гликолиза и действует как запас энергии и фосфатов в эритроцитах.
Открытие цикла Рапопорта — Люберинг и важности 2,3-БФГ в энергетическом балансе эритроцитов в 1940-х годах биохимиком Сэмюэлем Митьей Рапопортом и его помощницей Джанет Люберинг имело большое медицинское значение из-за понимания этих процессов. срок годности консервированной крови может быть значительно увеличен.
Биохимические аспекты
Процесс
Цикл Рапопорта — Люберинг является побочным продуктом гликолиза в эритроцитах млекопитающих, включая человека. Начиная с 1,3-бисфосфоглицерата (1,3-БФГ) из гликолиза, он приводит к образованию 2,3-бисфосфоглицерата (2,3-БФГ). Отсюда образуются соединения фосфоглицериновой кислоты 3-фосфоглицерат (3-ФГ) и, путем его изомеризации, 2-фосфоглицерат (2-ФГ), которые являются частью реакции гликолизаR. van Wijk, W.W. van Solinge: The energy-less red blood cell is lost: erythrocyte enzyme abnormalities of glycolysis. In: Blood. 106(13)/2005. American Society of Hematology, S. 4034-4042..
Присутствие фермента бисфосфоглицератмутазы (БФГМ), ответственного за эти реакции, по существу ограничивается эритроцитами и эритропоэтической тканью и, будучи трехфункциональным ферментом, обладает тремя различными видами активностиT. Fujita et al.: Human Erythrocyte Bisphosphoglycerate Mutase: Inactivation by Glycation In Vivo and In Vitro. In: Journal of Biochemistry. 124(6)/1998. Japanese Biochemical Society, S. 1237—1244.Y. Wang et al.: Crystal Structure of Human Bisphosphoglycerate Mutase. In: Journal of Biological Chemistry. 279/2004. The American Society for Biochemistry and Molecular Biology, S. 39132-39138.. В зависимости от значения pH он действует либо как синтазы (синтаза 2,3-БФГ, синоним бисфосфоглицератмутазы; номер ЕС 5.4.2.4) для превращения 1,3-БФГ в 2,3-БФГ, либо как фосфатаза. (2-я, 3-бисфосфоглицератфосфатаза; номер ЕС 3.1.3.13) для превращения 2,3-БФГ в 3-ФГ. Кроме того, в качестве мутазы (монофосфоглицератмутаза; номер ЕС 5.4.2.1) он катализирует равновесную реакцию между 3-ФГ и 2-ФГ.
Основной активностью БФГМ является синтазная реакция из 1,3-БФГ в 2,3-БФГ, которая является необратимой. Последняя стадия цикла Рапопорта — Люберинг, превращение 3-ФГ в 2-ФГ, является частичной реакцией гликолиза, которая также происходит в других клетках с помощью фермента фосфоглицератмутазы. Кроме того, низкая активность в качестве 2,3-БФГ-синтазы и фосфатазы была обнаружена для фосфоглицератмутазы, которая похожа на БФГМ с точки зрения её молекулярной массы, структуры её субъединиц и аминокислотной последовательностиR. Sasaki, K. Ikura, E. Sugimoto, H. Chiba: Purification of bisphosphoglycerate mutase, bisphosphoglycerate phosphatase and phosphoglycerate mutase from human erythrocytes: three enzyme activities in one protein. In: European Journal of Biochemistry. 50(3)/1975. Federation of European Biochemical Societies, S. 581—593.. Вероятно, он функционирует как трифункциональный фермент, аналогичный БФГМ, но с другим соотношением активности трех ферментов друг к другу. В дополнение к экспрессии БФГМ в некоторых неэритропоэтических тканях, таких как плацента и печень, это возможное объяснение возникновения низких уровней 2,3-БФГ в неэритроидных клеткахV. Joulin et al.: Isolation and characterization of the human 2,3-bisphosphoglycerate mutase gene. In: Journal of Biological Chemistry. 263/1988. The American Society for Biochemistry and Molecular Biology, S. 15785-15790.. Обратные реакции от 2-ФГ через 3-ФГ к 1,3-БФГ и, таким образом, подпроцессы гликолиза, протекающие параллельно циклу Рапопорта — Люберинг, происходят в рамках глюконеогенеза.
Баланс Первый этап цикла Рапопорта — Люберинг, перестройка 1,3-БФГ в 2,3-БФГ, представляет собой изомеризацию с нейтральным материальным балансом. Однако бисфосфоглицератмутаза как фермент этой реакции требует присутствия ионов магнияGerhard Michal: Biochemical Pathways: Biochemie-Atlas. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 1999, ISBN 3-86025-239-9, S. 27/28.. Гидролитическое расщепление 2,3-БФГ до 3-ФГ на второй стадии протекает с расходом молекулы воды и выделением неорганического фосфата. В отличие от превращения 1,3-БФГ в 3-ФГ фосфоглицераткиназой при гликолизе, в цикле Рапопорта — Люберинг не образуется аденозинтрифосфат (АТФ). Таким образом, выход энергии при вторичном пути через 2,3-БФГ ниже, чем при прямом пути в гликолизе.
Регуляция Соединения 2,3-БФГ и 3-ФГ, которые образуются в цикле Рапопорта — Люберинг, ингибируют этот вторичный путь, который, следовательно, является ауторегуляторнымGeorg Löffler, Petro E. Petrides: Biochemie und Pathobiochemie. 7. Auflage. Springer-Verlag, Berlin und Heidelberg 1998, ISBN 3-540-42295-1, S. 986 und 994/995.. 2,3-БФГ также ингибирует некоторые ферменты выше цикла Рапопорта — Люберинг в последовательности реакций гликолиза, такие как гексокиназа и фосфофруктокиназа. Кроме того, он действует как кофактор фосфоглицератмутазы в гликолизеH. Chiba, R. Sasaki: Functions of 2,3-bisphosphoglycerate and its metabolism. In: Current Topics in Cellular Regulation. 14/1978. Academic Press, S. 75-116.. Увеличение количества 1,3-БФГ стимулирует выработку 2,3-БФГ. Все процессы гликолиза, приводящие к увеличению концентрации 1,3-БФГ за счет активации или ингибирования ферментов, тем самым ускоряют образование 2,3-БФГ.
Увеличение значения рН также дает больше 2,3-БФГ, так как оптимальное значение рН для синтазной активности БФГМ составляет около 7,2, в то время как фосфатазная активность имеет свой оптимум в кислой области, а затем противоположное 2,3 образование БФГ преобладает. Гормоны тироксин, соматотропин, тестостерон и эритропоэтин также стимулируют образование 2,3-БФГLarry Rex Engelking: Review of Veterinary Physiology. Teton NewMedia, Jackson WY 2002, ISBN 1-893441-69-5, S. 130.. Напротив, хлорид, фосфат и, прежде всего, физиологический активатор фосфатазы 2-фосфогликолят приводят к повышенному расщеплению 2,3-БФГ до 3-ФГ под действием фосфатазной функции БФГМ.
Значение
Физиологическая функция
Поскольку эритроциты млекопитающих, в отличие от большинства других клеток организма, не имеют клеточного ядра или митохондрий, они имеют специализированный углеводный и энергетический обмен без цикла лимонной кислоты и дыхательной цепи. В дополнение к пентозофосфатному пути гликолиз является единственным способом получения энергии в эритроцитахGerhard Thews, Ernst Mutschler, Peter Vaupel: Anatomie, Physiologie und Pathophysiologie des Menschen. Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft, Stuttgart 1999, ISBN 3-8047-1616-4, S. 117.. Около 20 % 1,3-БФГ, образующегося в эритроцитах в процессе гликолиза, превращается по циклу Рапопорта — Люберинг, на долю образующегося 2,3-БФГ приходится около 50 % всех интермедиатов гликолиза в эритроцитах и около двух третей общего количества фосфатов эритроцитовJohn P. Greer, Maxwell Myer Wintrobe: Wintrobe’s Clinical Hematology. Lippincott Williams & Wilkins, Philadelphia 2009, ISBN 0-7817-6507-2, S. 143.. В физиологических условиях 2,3-БФГ присутствует в эритроцитах примерно в той же молярной концентрации, что и пигмент гемоглобина крови, и примерно в четыре раза превышает концентрацию АТФ. Количество 2,3-БФГ определяется соотношением синтазной и фосфатазной активностей БФГМ.
2,3-БФГ, образующийся в цикле Рапопорта — Люберинг, действует главным образом как аллостерический ингибитор гемоглобина, стабилизируя его неоксигенированную дезоксиформу, и таким образом регулирует его связывающую способность (сродство) гемоглобина к кислороду. 2,3-БФГ связывается между двумя бета-субъединицами гемоглобина в кармане, который образуется в незагруженном состоянии, также известном как Т-формаAlbert 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.. Биофизической основой связывания являются взаимодействия между отрицательно заряженными группами 2,3-БФГ и положительно заряженными аминокислотными остатками в кармане связывания. Увеличение концентрации 2,3-БФГ сдвигает кривую связывания кислорода гемоглобином вправо, что облегчает высвобождение связанного кислорода. И наоборот, снижение концентрации 2,3-БФГ приводит к сдвигу кривой связывания кислорода влево и, таким образом, к более сильному связыванию кислорода с гемоглобином.
Другими факторами, которые приводят к увеличению сродства гемоглобина к кислороду и отчасти также влияют на уровень 2,3-БФГ, являются снижение температуры, повышение рН и снижение концентрации углекислого газа. Совместное влияние значения рН и парциального давления углекислого газа на способность гемоглобина связывать кислород называется также эффектом Бора и является физико-химической основой регуляции газообмена в легких и снабжения метаболически активной ткани с кислородом. Угарный газ, с другой стороны, снижает способность гемоглобина связывать кислород, потому что он конкурирует с кислородом за то же место связывания в молекуле гемоглобина. Увеличение количества 2,3-БФГ улучшает доставку кислорода на периферию организма и тем самым снабжение тканей кислородом, особенно в неблагоприятных условиях, таких как состояния, связанные с кислородным голоданием. Например, пребывание на больших высотах приводит к увеличению концентрации 2,3-БФГ, которая возвращается к нормальным значениям примерно через два дня после возвращения к исходному уровню. Кратковременные или длительные физические нагрузки и тренировки на выносливость также по-разному влияют на концентрацию 2,3-БФГNemi C. Jain: Essentials of Veterinary Hematology. Lea & Febiger, Philadelphia 1993, ISBN 0-8121-1437-X, S. 145..
Помимо этой функции компенсационного механизма, цикл Рапопорта — Люберинг, вероятно, также играет роль в регуляции массового и энергетического баланса гликолиза. Таким образом, он обеспечивает повышенное образование кофермента никотинамидадениндинуклеотида (НАДН) в гликолизе без последующего увеличения концентрации АТФ и позволяет гликолизу происходить даже при низкой потребности в АТФ. Кроме того, 2,3-БФГ представляет собой запас энергии и фосфатов в эритроцитах.
Медицинская значимость
Дефекты ферментов в тех гликолитических реакциях, которые происходят после образования 2,3-БФГ, вызывают повышение его концентрации, снижение сродства гемоглобина к кислороду и, таким образом, повышенное выделение кислорода в ткани. Наоборот, дефекты гликолитических реакций до цикла Рапопорта — Люберинг приводят к снижению концентрации 2,3-БФГ и, таким образом, к уменьшению доставки кислорода в ткани.