изофермент

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.

Введение

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 продуктами разных аллелей одного и того же гена (описанные как аллозимы ). ^[2]

Изоферменты 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:

Наиболее вероятно, что новый аллель окажется нефункциональным — и в этом случае он, вероятно, приведет к низкой приспособленности и будет удален из популяции путем естественного отбора . ^[5]
Альтернативно, если измененный аминокислотный остаток находится в относительно незначительной части фермента (например, далеко от активного центра ), тогда мутация может быть избирательно нейтральной и подвержена генетическому дрейфу . ^[6]
В редких случаях мутация может привести к появлению более эффективного фермента или фермента, который может катализировать немного другую химическую реакцию , и в этом случае мутация может вызвать повышение приспособленности и быть одобрена естественным отбором. ^[6]

Примеры

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 инсулина высвобождение бета-клетками или поджелудочной железы инициировать гликогена синтез печени клетками . . Оба эти процесса должны происходить только при избытке глюкозы.

Различие пяти изоферментов с помощью электрофореза

1.) Фермент лактатдегидрогеназа представляет собой тетрамер, состоящий из двух разных субъединиц: Н-формы и М-формы. они комбинируются в различных комбинациях : В зависимости от ткани ^[7]

Тип	Состав	Расположение	Электрофоретическая подвижность	Будь уничтожен Нагрев (при 60 °C)	Процент нормального поздно у людей
ЛДГ ₁	ХХХХ	Сердце и эритроциты	Самый быстрый	Нет	25%
ЛДГ ₂	ХХХ	Сердце и эритроциты	Быстрее	Нет	35%
ЛДГ ₃	ХЧММ	Мозг и почки	Быстрый	Частично	27%
ЛДГ ₄	ХМ	Скелетные мышцы и печень	Медленный	Да	8%
ЛДГ ₅	ММММ	Скелетные мышцы и печень	Самый медленный	Да	5%

2.) Изоферменты креатинфосфокиназы: ^[7] Креатинкиназа (КК) или креатинфосфокиназа (КФК) 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]


изофермент	Субъединица	Ткань происхождения
ЦПК ₁	ББ	Мозг
ЦПК ₂	МБ	Сердце
ЦПК ₃	ММ	Скелетные мышцы

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.

Различение изоферментов

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 оставались функциональными 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 ).

Изоферменты и аллозимы как молекулярные маркеры

Популяционная генетика — это, по сути, изучение 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 остаются одними из самых быстрых и дешевых маркерных систем, которые можно разработать, и остаются (по состоянию на 2005 г.). ^[update]) отличный выбор для проектов, которым необходимо выявить только низкие уровни генетической изменчивости, например, количественную оценку систем спаривания .

Другие важные примеры

Изоферменты цитохрома P450 играют важную роль в метаболизме и стероидогенезе .
Множественные формы фосфодиэстеразы также играют важную роль в различных биологических процессах. Хотя в отдельных клетках обнаружено более одной формы этих ферментов, эти изоформы фермента неравномерно распределены в различных клетках организма. С клинической точки зрения было обнаружено, что они избирательно активируются и ингибируются, и это наблюдение привело к их использованию в терапии.

Ссылки

Хантер, РЛ; Меркерт, CL (1957). «Гистохимическая демонстрация ферментов, разделенных зональным электрофорезом в крахмальных гелях». Наука . 125 (3261): 1294–1295. дои : 10.1126/science.125.3261.1294-a . ПМИД 13432800 .
Вайс, Б.; Хаит, WN (1977). «Селективные ингибиторы циклических нуклеотидов фосфодиэстеразы как потенциальные терапевтические средства». Анну. Преподобный Фармакол. Токсикол . 17 : 441–477. дои : 10.1146/annurev.pa.17.040177.002301 . ПМИД 17360 .
Вендель, Дж. Ф. и Н. Ф. Виден. 1990. «Визуализация и интерпретация растительных изоферментов». стр. 5–45 в DE Soltis и PS Soltis , ред. Изоферменты в биологии растений. Чепмен и Холл, Лондон.
Виден, Н. Ф. и Дж. Ф. Вендель. 1990. «Генетика изоферментов растений». стр. 46–72 в DE Soltis и PS Soltis , ред. Изоферменты в биологии растений. Чепмен и Холл, Лондон
Кроуфорд, диджей. 1989. «Ферментный электрофорез и систематика растений». стр. 146–164 в DE Soltis и PS Soltis , ред. Изоферменты в биологии растений. Диоскорид, Портленд, Орегон.
Хэмрик, Дж. Л. и М. Дж. У. Годт. 1990. «Аллозимное разнообразие видов растений». стр. 43–63 в AHD Brown, MT Clegg, AL Kahler и BS Weir, ред. Генетика популяций растений, селекция и генетические ресурсы. Синауэр, Сандерленд
Биохимия Джереми М. Берга, Джона Л. Тимочко, Люберта Страйера (Введение взято из этого учебника)

Специфический

^ Маркерт, Клемент Л.; Моллер, Фредди (1959). «Множественные формы ферментов: тканевые, онтогенетические и видоспецифичные закономерности» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 45 (5): 753–763. дои : 10.1073/pnas.45.5.753 . ПМК 222630 . ПМИД 16590440 .
^ Кирни (2014). Фундаментальная генетика (3-е изд.). Макнотон Паблишинг. стр. 413–414.
^ Джеральд, Джеральд (2015). Книга по биологии: от происхождения жизни до эпигенетики, 250 вех истории биологии . Стерлинг. п. 79.
^ Хуанг, Ле (2009). Геном . Грейди-Макферсон. п. 299.
^ Альбертс (2017). Молекулярная биология клетки (6-е изд.). Гирляндная наука. п. 649.
^ Jump up to: ^а ^б Уолстром, Форд; и др. (2014). «Модели генетики и естественного отбора: современное биомолекулярное понимание». Биомолекулярная экология . 70 (2): 1021–1034.
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Сатьянараяна, У. (2002). Биохимия (2-е изд.). Калькутта, Индия: Книги и сопутствующие товары. ISBN 8187134801 . OCLC 71209231 .

Внешние ссылки

Методы электрофореза аллоцима - полное руководство по электрофорезу в крахмальном геле
Разработка новых изоферментных специфичных препаратов – диоксигеназ жирных кислот и эйкозаноидных гормонов (Эстония)

[1] Маркерт, Клемент Л.; Моллер, Фредди (1959). «Множественные формы ферментов: тканевые, онтогенетические и видоспецифичные закономерности» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 45 (5): 753–763. дои : 10.1073/pnas.45.5.753 . ПМК 222630 . ПМИД 16590440 .

[Kearney-2] Кирни (2014). Фундаментальная генетика (3-е изд.). Макнотон Паблишинг. стр. 413–414.

[3] Джеральд, Джеральд (2015). Книга по биологии: от происхождения жизни до эпигенетики, 250 вех истории биологии . Стерлинг. п. 79.

[Huang-4] Хуанг, Ле (2009). Геном . Грейди-Макферсон. п. 299.

[Alberts-5] Альбертс (2017). Молекулярная биология клетки (6-е изд.). Гирляндная наука. п. 649.

[Walstrom-6] Jump up to: ^а ^б Уолстром, Форд; и др. (2014). «Модели генетики и естественного отбора: современное биомолекулярное понимание». Биомолекулярная экология . 70 (2): 1021–1034.

[:0-7] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Сатьянараяна, У. (2002). Биохимия (2-е изд.). Калькутта, Индия: Книги и сопутствующие товары. ISBN 8187134801 . OCLC 71209231 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]