В биохимии изоферменты (также известные как изоферменты или, в более широком смысле, множественные формы ферментов ) — это ферменты , которые различаются аминокислотной последовательностью, но катализируют одну и ту же химическую реакцию. Изозимы обычно имеют разные кинетические параметры (например, разные значения K M ) или регулируются по-разному. Они позволяют тонко настроить метаболизм для удовлетворения конкретных потребностей данной ткани или стадии развития.
Во многих случаях изозимы кодируются гомологичными генами, которые со временем разошлись. Строго говоря, ферменты с разными аминокислотными последовательностями, катализирующие одну и ту же реакцию, являются изозимами, если они кодируются разными генами, или аллозимами , если они кодируются разными аллелями одного и того же гена ; эти два термина часто используются как взаимозаменяемые.
Изозимы были впервые описаны Р. Л. Хантером и Клементом Маркертом (1957), которые определили их как разные варианты одного и того же фермента, имеющие идентичные функции и присутствующие у одного и того же человека . [1] Это определение охватывает (1) варианты ферментов, которые являются продуктами разных генов и, таким образом, представляют разные локусы (описанные как изоферменты ) и (2) ферменты, которые являются продуктом разных аллелей одного и того же гена (описанные как аллозимы ). [2]
Изозимы обычно возникают в результате дупликации генов , но могут также возникать в результате полиплоидизации или гибридизации нуклеиновых кислот . Если с течением времени в ходе эволюции функция нового варианта останется идентичной исходной, то вполне вероятно, что тот или иной вариант будет утрачен по мере накопления мутаций , что приведет к образованию псевдогена . Однако если мутации не препятствуют немедленному функционированию фермента, а вместо этого изменяют либо его функцию, либо характер его экспрессии , то оба варианта могут получить одобрение естественного отбора и стать специализированными для разных функций. [3] Например, они могут экспрессироваться на разных стадиях развития или в разных тканях. [4]
Аллозимы могут возникать в результате точечных мутаций или событий инсерции-делеции ( индел ), которые влияют на кодирующую последовательность гена. Как и в случае с любыми другими новыми мутациями, с новым аллозимом могут произойти три вещи:
Примером изофермента является глюкокиназа , вариант гексокиназы , который не ингибируется глюкозо-6-фосфатом . Его различные регуляторные свойства и более низкое сродство к глюкозе (по сравнению с другими гексокиназами) позволяют ему выполнять различные функции в клетках конкретных органов, например, контролировать высвобождение инсулина бета-клетками поджелудочной железы или инициировать синтез гликогена клетками печени . . Оба эти процесса должны происходить только при избытке глюкозы.
1.) Фермент лактатдегидрогеназа представляет собой тетрамер, состоящий из двух разных субъединиц: Н-формы и М-формы. Они сочетаются в разных комбинациях в зависимости от ткани: [7]
2.) Изоферменты креатинфосфокиназы: [7] Креатинкиназа (CK) или креатинфосфокиназа (CPK) катализирует взаимное превращение фосфокреатина в креатин.
КФК существует в трех изоферментах. Каждый изофермент представляет собой димер двух субъединиц М (мышцы), В (мозг) или обеих [7].
3.) Изоферменты щелочной фосфатазы: [7] Идентифицировано шесть изоферментов. Фермент является мономером, изоферменты обусловлены различиями в содержании углеводов (остатков сиаловой кислоты). Наиболее важными изоферментами ЩФ являются α 1 -АЛФ, α 2 -термолабильная ЩФ, α 2 -термостабильная ЩФ, пре-β-ЩФ и γ-АЛФ. Увеличение α2 - теплолабильной ЩФ указывает на гепатит, тогда как пре-β-ЩФ указывает на заболевания костей.
Изоферменты (и аллозимы) представляют собой варианты одного и того же фермента. Если они не идентичны по своим биохимическим свойствам, например, по субстратам и кинетике ферментов , их можно отличить с помощью биохимического анализа . Однако такие различия обычно незначительны, особенно между аллозимами , которые часто являются нейтральными вариантами . Такую тонкость следовало ожидать, поскольку два фермента, которые значительно различаются по своим функциям, вряд ли могут быть идентифицированы как изоферменты .
Хотя изоферменты могут быть почти идентичными по функциям, они могут различаться и в других отношениях. В частности, аминокислотные замены, изменяющие электрический заряд фермента, легко идентифицировать с помощью гель-электрофореза , и это формирует основу для использования изозимов в качестве молекулярных маркеров . Для идентификации изоферментов экстракт сырого белка получают путем измельчения животных или растительных тканей с помощью экстракционного буфера, а компоненты экстракта разделяют в соответствии с их зарядом с помощью гель-электрофореза. Исторически это обычно делалось с использованием гелей, изготовленных из картофельного крахмала , но акриламидные гели обеспечивают лучшее разрешение.
Все белки ткани присутствуют в геле, поэтому отдельные ферменты необходимо идентифицировать с помощью анализа, который связывает их функцию с реакцией окрашивания. Например, обнаружение может быть основано на локализованном осаждении растворимых индикаторных красителей , таких как соли тетразолия , которые становятся нерастворимыми, когда они восстанавливаются кофакторами, такими как НАД или НАДФ , которые образуются в зонах активности фермента. Этот метод анализа требует, чтобы ферменты все еще функционировали после разделения ( нативный гель-электрофорез ), и представляет собой наибольшую сложность при использовании изоферментов в качестве лабораторного метода.
Изоферменты различаются по кинетике (у них разные значения K M и V max ).
Популяционная генетика, по сути, представляет собой исследование причин и последствий генетических вариаций внутри популяций и между ними, и в прошлом изоферменты были одними из наиболее широко используемых молекулярных маркеров для этой цели. Хотя в настоящее время они в значительной степени вытеснены более информативными подходами, основанными на ДНК (такими как прямое секвенирование ДНК , однонуклеотидные полиморфизмы и микросателлиты ), они по-прежнему являются одними из самых быстрых и дешевых маркерных систем для разработки и остаются (по состоянию на 2005 год [обновлять]) отличным выбор для проектов, которым необходимо выявить только низкие уровни генетических вариаций, например, количественная оценка систем спаривания .