mini|Strukturformel von 2,3-Bisphosphoglycerat, dem Intermediat des Rapoport-Luebering-Zyklus Der Rapoport-Luebering-Zyklus, auch als Rapoport-Luebering-Shunt, Rapoport-Luebering-Shuttle, Phosphoglyceratzyklus oder 2,3-BPG-Zyklus bezeichnet, ist in der Biochemie ein vor allem in roten Blutkörperchen (Erythrozyten) von Säugetieren ablaufender Stoffwechselweg, also eine Abfolge von enzymatisch gesteuerten chemischen Reaktionen. Es handelt sich um einen aus drei Teilreaktionen bestehenden Nebenweg der Glycolyse, die für die Energiegewinnung und den Kohlenhydratstoffwechsel fast aller Lebewesen von zentraler Bedeutung ist. Der Rapoport-Luebering-Zyklus gehört somit zu den biochemischen Prozessen zum Abbau von Traubenzucker im tierischen Organismus.
Seine Hauptreaktion ist die durch das Enzym Bisphosphoglyceratmutase gesteuerte Bildung des Zwischenprodukts 2,3-Bisphosphoglycerat (2,3-BPG) aus dem in der Glycolyse entstehenden 1,3-Bisphosphoglycerat. Das im Rapoport-Luebering-Zyklus entstehende 2,3-BPG wirkt als wichtiger biochemischer Effektor in der Regulation der Bindungsfähigkeit (Affinität) des Blutfarbstoffs Hämoglobin für das Atemgas Sauerstoff, insbesondere für deren längerfristige Anpassung an Sauerstoffmangelzustände, und ist damit für die Freisetzung des Sauerstoffs aus den Erythrozyten ins Gewebe von Bedeutung. Es ist darüber hinaus an der enzymatischen Steuerung der Glycolyse beteiligt und fungiert in den Erythrozyten als Energie- und Phosphatspeicher.
Die Entdeckung des Rapoport-Luebering-Zyklus und der Bedeutung des 2,3-BPG für den Energiehaushalt der roten Blutkörperchen in den 1940er Jahren durch den Biochemiker Samuel Mitja Rapoport und seine Assistentin Janet Luebering war medizinisch von großer Bedeutung, da durch das Verständnis dieser Prozesse die Haltbarkeit von Blutkonserven erheblich gesteigert werden konnte.
Biochemische Aspekte
Ablauf
mini|350px|Schematische Darstellung des Rapoport-Luebering-Zyklus
Beim Rapoport-Luebering-Zyklus handelt es sich um einen Nebenweg der Glycolyse in den roten Blutkörperchen der Säugetiere einschließlich des Menschen. Er führt ausgehend vom 1,3-Bisphosphoglycerat (1,3-BPG) aus der Glycolyse zur Bildung von 2,3-Bisphosphoglycerat (2,3-BPG). Aus diesem entstehen die zum Reaktionsablauf der Glycolyse gehörenden Phosphoglycerinsäure-Verbindungen 3-Phosphoglycerat (3-PG) und, durch dessen Isomerisierung, 2-Phosphoglycerat (2-PG).R. 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.
Das für diese Reaktionen verantwortliche Enzym Bisphosphoglyceratmutase (BPGM) ist in seinem Vorkommen im Wesentlichen auf Erythrozyten und erythropoetisches Gewebe beschränkt und weist als trifunktionales Enzym drei verschiedene Aktivitäten auf.T. 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. Es fungiert in Abhängigkeit vom pH-Wert entweder als Synthase (2,3-BPG-Synthase, synonym Bisphosphoglyceratmutase; EC-Nummer 5.4.2.4) für die Umwandlung des 1,3-BPG zu 2,3-BPG oder als Phosphatase (2,3-Bisphosphoglyceratphosphatase; EC-Nummer 3.1.3.13) für die Umsetzung des 2,3-BPG zu 3-PG. Darüber hinaus katalysiert sie als Mutase (Monophosphoglyceratmutase; EC-Nummer 5.4.2.1) die Gleichgewichtsreaktion zwischen 3-PG und 2-PG.
Hauptaktivität der BPGM ist dabei die Synthasereaktion vom 1,3-BPG zu 2,3-BPG, die irreversibel verläuft. Der letzte Schritt im Rapoport-Luebering-Zyklus, die Umsetzung von 3-PG zu 2-PG, ist über das Enzym Phosphoglyceratmutase eine auch in anderen Zellen ablaufende Teilreaktion der Glycolyse. Für die Phosphoglyceratmutase, die der BPGM hinsichtlich ihrer Molekülmasse, ihrer Untereinheitenstruktur und ihrer Aminosäuresequenz ähnelt, wurden darüber hinaus auch geringe Aktivitäten als 2,3-BPG-Synthase und -phosphatase gefunden.R. 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. Sie fungiert somit wahrscheinlich ähnlich der BPGM als trifunktionales Enzym, jedoch mit einem anderen Verhältnis der drei Enzymaktivitäten zueinander. Dies gilt, neben der Expression der BPGM in einigen nicht-erythropoetischen Geweben wie in der Plazenta und in der Leber, als mögliche Erklärung für das Auftreten geringer Mengen von 2,3-BPG in nicht-erythroiden Zellen.V. 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. Die Rückreaktionen vom 2-PG über 3-PG zum 1,3-BPG und damit der Teilprozesse der Glycolyse, die parallel zum Rapoport-Luebering-Zyklus ablaufen, finden im Rahmen der Gluconeogenese statt.
Bilanz
Der erste Schritt des Rapoport-Luebering-Zyklus, die Umlagerung vom 1,3-BPG zum 2,3-BPG, ist eine Isomerisierung mit neutraler stofflicher Bilanz. Die Bisphosphoglyceratmutase als Enzym dieser Reaktion benötigt allerdings das Vorhandensein von Magnesium-Ionen.Gerhard Michal: Biochemical Pathways: Biochemie-Atlas. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 1999, ISBN 3-86-025239-9, S. 27/28. Die hydrolytische Spaltung vom 2,3-BPG zum 3-PG im zweiten Schritt verläuft unter Verbrauch eines Wassermoleküls und Freisetzung eines anorganischen Phosphats. Im Rapoport-Luebering-Zyklus entsteht – im Gegensatz zur Umsetzung von 1,3-BPG zu 3-PG durch die Phosphoglyceratkinase in der Glycolyse – kein Adenosintriphosphat (ATP). Die Energieausbeute ist damit beim Nebenweg über das 2,3-BPG geringer als beim direkten Weg in der Glycolyse.
Regulation
Die im Rapoport-Luebering-Zyklus entstehenden Verbindungen 2,3-BPG und 3-PG inhibieren diesen Nebenweg, der damit autoregulatorisch verläuft.Georg 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-BPG hemmt außerdem einige in der Reaktionsfolge der Glycolyse vor dem Rapoport-Luebering-Zyklus liegende Enzyme wie beispielsweise die Hexokinase und die Phosphofructokinase. Darüber hinaus fungiert es als Kofaktor der Phosphoglyceratmutase in der Glycolyse.H. Chiba, R. Sasaki: Functions of 2,3-bisphosphoglycerate and its metabolism. In: Current Topics in Cellular Regulation. 14/1978. Academic Press, S. 75–116. Ein Anstieg der 1,3-BPG-Menge stimuliert die Entstehung von 2,3-BPG. Alle Prozesse der Glycolyse, die über Aktivierung oder Hemmung von Enzymen zu einer Erhöhung der 1,3-BPG-Konzentration führen, beschleunigen damit die 2,3-BPG-Bildung.
Auch durch einen Anstieg des pH-Wertes entsteht vermehrt 2,3-BPG, da der optimale pH-Wert für die Synthase-Aktivität der BPGM bei etwa 7,2 liegt, während die Phosphatase-Aktivität ihr Optimum im sauren Bereich hat und dann gegenüber der 2,3-BPG-Bildung überwiegt. Die Hormone Thyroxin, Somatotropin, Testosteron und Erythropoietin stimulieren ebenfalls die Bildung des 2,3-BPG.Larry Rex Engelking: Review of Veterinary Physiology. Teton NewMedia, Jackson WY 2002, ISBN 1-89-344169-5, S. 130. Durch Chlorid, Phosphat und vor allem durch den physiologischen Phosphataseaktivator 2-Phosphoglycolat kommt es hingegen zu einer verstärkten Spaltung von 2,3-BPG zu 3-PG durch die Phosphatase-Funktion der BPGM.
Bedeutung
Physiologische Funktion
mini|Kristallstruktur des Hämoglobins, dessen Sauerstoffaffinität durch das im Rapoport-Luebering-Zyklus gebildete 2,3-BPG reguliert wird
Da die roten Blutkörperchen der Säugetiere im Gegensatz zu den meisten anderen Körperzellen nicht über einen Zellkern oder über Mitochondrien verfügen, besitzen sie einen spezialisierten Kohlenhydrat- und Energiestoffwechsel ohne Citratzyklus und Atmungskette. Die Glycolyse ist in den Erythrozyten neben dem Pentosephosphatweg die einzige Möglichkeit zur Energiegewinnung.Gerhard Thews, Ernst Mutschler, Peter Vaupel: Anatomie, Physiologie und Pathophysiologie des Menschen. Wissenschaftliche Verlagsgesellschaft, Stuttgart 1999, ISBN 3-8047-1616-4, S. 117. Etwa 20 Prozent des in den Erythrozyten in der Glycolyse entstehenden 1,3-BPG wird dabei über den Rapoport-Luebering-Zyklus umgesetzt, der Anteil des gebildeten 2,3-BPG beträgt etwa 50 Prozent aller Intermediate der Glycolyse in den Erythrozyten und etwa zwei Drittel der gesamten erythrozytären Phosphate.John P. Greer, Maxwell Myer Wintrobe: Wintrobe's Clinical Hematology. Lippincott Williams & Wilkins, Philadelphia 2009, ISBN 0-78-176507-2, S. 143. Unter physiologischen Bedingungen liegt 2,3-BPG in den roten Blutkörperchen etwa in der gleichen molaren Konzentration wie der Blutfarbstoff Hämoglobin und rund dem Vierfachen der ATP-Konzentration vor. Die Menge an 2,3-BPG wird bestimmt durch das Verhältnis zwischen der Synthase- und der Phosphatase-Aktivität der BPGM.
mini|links|Einfluss des pH-Wertes, der 2,3-BPG-Konzentration und der Temperatur auf die Sauerstoffbindungskurve des Hämoglobinsgrün: Linksverschiebungrot: Rechtsverschiebung
Das im Rapoport-Luebering-Zyklus entstehende 2,3-BPG fungiert vor allem als allosterischer Inhibitor des Hämoglobins, indem es dessen nicht mit Sauerstoff beladene Deoxy-Form stabilisiert, und reguliert damit umgekehrt proportional zu seiner Konzentration in den roten Blutkörperchen die Bindungsfähigkeit (Affinität) des Hämoglobins für Sauerstoff. 2,3-BPG bindet dabei zwischen den beiden Beta-Untereinheiten des Hämoglobins in der Tasche, die sich in dem auch als T-Form bezeichneten unbeladenen Zustand bildet.Albert L. Lehninger, David L. Nelson, Michael M. Cox: Prinzipien der Biochemie. Zweite Auflage. Spektrum Akademischer Verlag, Heidelberg 1994, ISBN 3-86-025106-6, S. 267/268. Die biophysikalische Grundlage der Bindung sind Wechselwirkungen zwischen den negativ geladenen Gruppen des 2,3-BPG und positiv geladenen Aminosäureresten in der Bindungstasche. Ein Anstieg der 2,3-BPG-Konzentration verschiebt die Sauerstoffbindungskurve des Hämoglobins nach rechts, wodurch der gebundene Sauerstoff leichter abgegeben wird. Umgekehrt führt ein Absinken der 2,3-BPG-Konzentration zu einer Linksverschiebung der Sauerstoffbindungskurve und damit einer stärkeren Bindung des Sauerstoffs an das Hämoglobin.