Введение
Ферменты, различающиеся по аминокислотной последовательности, но катализирующие одну и ту же химическую реакцию. В биохимии изоферменты (также известные как изоэнзимы или, в более широком смысле, как множественные формы ферментов) – это ферменты, которые отличаются по аминокислотной последовательности, но катализируют одну и ту же химическую реакцию. Изоферменты обычно имеют различные кинетические параметры (например, разные значения Km) или по-разному регулируются. Они обеспечивают тонкую настройку метаболизма для удовлетворения специфических потребностей конкретной ткани или стадии развития. Во многих случаях изоферменты кодируются гомологичными генами, которые со временем разошлись. В строгом смысле, ферменты с различными аминокислотными последовательностями, катализирующие одну и ту же реакцию, являются изоферментами, если они кодируются разными генами, или аллоферментами, если они кодируются разными аллелями одного и того же гена; эти два термина часто используются как взаимозаменяемые.
In biochemistry, isozymes (also known as isoenzymes or more generally as multiple forms of enzymes) are enzymes that differ in amino acid sequence but catalyze the same chemical reaction. Isozymes usually have different kinetic parameters (e. g. different KM values), or are regulated differently. They permit the fine tuning of metabolism to meet the particular needs of a given tissue or developmental stage. In many cases, isozymes are encoded by homologous genes that have diverged over time. Strictly speaking, enzymes with different amino acid sequences that catalyse the same reaction are isozymes if encoded by different genes, or allozymes if encoded by different alleles of the same gene; the two terms are often used interchangeably.
Введение
Изозимы были впервые описаны Р. Л. Хантером и Клементом Маркертом (1957), которые определили их как различные варианты одного и того же фермента, обладающие идентичными функциями и присутствующие у одного и того же индивидуума. Это определение охватывает (1) варианты ферментов, являющиеся продуктом разных генов и, следовательно, представляющие собой разные локусы (описываемые как изоферменты), и (2) ферменты, являющиеся продуктом разных аллелей одного и того же гена (описываемые как аллозимы). Изозимы обычно являются результатом дупликации генов, но также могут возникать в результате полиплоидизации или гибридизации нуклеиновых кислот. С течением эволюционного времени, если функция нового варианта остается идентичной исходной, то, вероятно, один из вариантов будет потерян по мере накопления мутаций, приводя к образованию псевдогена. Однако, если мутации не препятствуют функционированию фермента, а вместо этого изменяют его функцию или схему экспрессии, то оба варианта могут быть благоприятны естественному отбору и специализироваться для выполнения различных функций. Например, они могут экспрессироваться на разных стадиях развития или в разных тканях. Аллозимы могут возникать в результате точечных мутаций или событий вставки-делеции (инделов), влияющих на кодирующую последовательность гена. Как и в случае с любой новой мутацией, с новым аллозимом может произойти три вещи:
It is most likely that the new allele will be non functional—in which case it will probably result in low fitness and be removed from the population by natural selection. Alternatively, if the amino acid residue that is changed is in a relatively unimportant part of the enzyme (e. g., a long way from the active site), then the mutation may be selectively neutral and subject to genetic drift. In rare cases, the mutation may result in an enzyme that is more efficient, or one that can catalyse a slightly different chemical reaction, in which case the mutation may cause an increase in fitness, and be favoured by natural selection. Type Composition LocationElectrophoretic MobilityWhether destroyed by
Heat (at 60 °C)Percentage of normal
serum in humans LDH1 HHHH Heart and ErythrocyteFastestNo25% LDH2 HHHM Heart and ErythrocyteFasterNo35% LDH3 HHMM Brain and KidneyFastPartially 27% LDH4 HMMM Skeletal Muscle and LiverSlowYes8% LDH5 MMMM Skeletal Muscle and LiverSlowestYes5%
2.) Isoenzymes of creatine phosphokinase: Creatine kinase (CK) or creatine phosphokinase (CPK) catalyses the interconversion of phospho creatine to creatine
CPK exists in 3 isoenzymes. Each isoenzymes is a dimer of 2 subunits M (muscle), B (brain) or both
+IsoenzymeSubunitTissue of OriginCPK1BBBrainCPK2MBHeart CPK3MMSkeletal muscle
3.) Isoenzymes of alkaline phosphatase: Six isoenzymes have been identified. The enzyme is a monomer, the isoenzymes are due to the differences in the carbohydrate content (sialic acid residues). The most important ALP isoenzymes are α1 ALP, α2 heat labile ALP, α2 heat stable ALP, pre β ALP and γ ALP. Increase in α2 heat labile ALP suggests hepatitis whereas pre β ALP indicates bone diseases.
Наиболее вероятно, что новый аллель будет нефункциональным, в этом случае он, вероятно, приведет к низкой приспособленности и будет удален из популяции естественным отбором. В качестве альтернативы, если измененный аминокислотный остаток находится в относительно незначимой части фермента (например, далеко от активного центра), то мутация может быть селективно нейтральной и подвержена генетическому дрейфу. В редких случаях мутация может привести к созданию более эффективного фермента или фермента, способного катализировать слегка отличающуюся химическую реакцию, в этом случае мутация может привести к увеличению приспособленности и быть благоприятной для естественного отбора. Тип Состав Локализация Электрофоретическая подвижность Уничтожается нагреванием (при 60 °C)? Процент от нормальной сыворотки человека LDH1 HHHH Сердце и эритроциты Самая высокая Нет 25% LDH2 HHHM Сердце и эритроциты Высокая Нет 35% LDH3 HHMM Мозг и почки Средняя Частично 27% LDH4 HMMM Скелетная мышца и печень Низкая Да 8% LDH5 MMMM Скелетная мышца и печень Самая низкая Да 5%
It is most likely that the new allele will be non functional—in which case it will probably result in low fitness and be removed from the population by natural selection. Alternatively, if the amino acid residue that is changed is in a relatively unimportant part of the enzyme (e. g., a long way from the active site), then the mutation may be selectively neutral and subject to genetic drift. In rare cases, the mutation may result in an enzyme that is more efficient, or one that can catalyse a slightly different chemical reaction, in which case the mutation may cause an increase in fitness, and be favoured by natural selection. Type Composition LocationElectrophoretic MobilityWhether destroyed by
Heat (at 60 °C)Percentage of normal
serum in humans LDH1 HHHH Heart and ErythrocyteFastestNo25% LDH2 HHHM Heart and ErythrocyteFasterNo35% LDH3 HHMM Brain and KidneyFastPartially 27% LDH4 HMMM Skeletal Muscle and LiverSlowYes8% LDH5 MMMM Skeletal Muscle and LiverSlowestYes5%
2.) Isoenzymes of creatine phosphokinase: Creatine kinase (CK) or creatine phosphokinase (CPK) catalyses the interconversion of phospho creatine to creatine
CPK exists in 3 isoenzymes. Each isoenzymes is a dimer of 2 subunits M (muscle), B (brain) or both
+IsoenzymeSubunitTissue of OriginCPK1BBBrainCPK2MBHeart CPK3MMSkeletal muscle
3.) Isoenzymes of alkaline phosphatase: Six isoenzymes have been identified. The enzyme is a monomer, the isoenzymes are due to the differences in the carbohydrate content (sialic acid residues). The most important ALP isoenzymes are α1 ALP, α2 heat labile ALP, α2 heat stable ALP, pre β ALP and γ ALP. Increase in α2 heat labile ALP suggests hepatitis whereas pre β ALP indicates bone diseases.
2.) Изоферменты креатинфосфокиназы: Креатинкиназа (CK) или креатинфосфокиназа (CPK) катализирует взаимопревращение фосфокреатина в креатин. CPK существует в 3 изоферментах. Каждый изофермент представляет собой димер из двух субъединиц: M (мышечная), B (мозговая) или обеих.
It is most likely that the new allele will be non functional—in which case it will probably result in low fitness and be removed from the population by natural selection. Alternatively, if the amino acid residue that is changed is in a relatively unimportant part of the enzyme (e. g., a long way from the active site), then the mutation may be selectively neutral and subject to genetic drift. In rare cases, the mutation may result in an enzyme that is more efficient, or one that can catalyse a slightly different chemical reaction, in which case the mutation may cause an increase in fitness, and be favoured by natural selection. Type Composition LocationElectrophoretic MobilityWhether destroyed by
Heat (at 60 °C)Percentage of normal
serum in humans LDH1 HHHH Heart and ErythrocyteFastestNo25% LDH2 HHHM Heart and ErythrocyteFasterNo35% LDH3 HHMM Brain and KidneyFastPartially 27% LDH4 HMMM Skeletal Muscle and LiverSlowYes8% LDH5 MMMM Skeletal Muscle and LiverSlowestYes5%
2.) Isoenzymes of creatine phosphokinase: Creatine kinase (CK) or creatine phosphokinase (CPK) catalyses the interconversion of phospho creatine to creatine
CPK exists in 3 isoenzymes. Each isoenzymes is a dimer of 2 subunits M (muscle), B (brain) or both
+IsoenzymeSubunitTissue of OriginCPK1BBBrainCPK2MBHeart CPK3MMSkeletal muscle
3.) Isoenzymes of alkaline phosphatase: Six isoenzymes have been identified. The enzyme is a monomer, the isoenzymes are due to the differences in the carbohydrate content (sialic acid residues). The most important ALP isoenzymes are α1 ALP, α2 heat labile ALP, α2 heat stable ALP, pre β ALP and γ ALP. Increase in α2 heat labile ALP suggests hepatitis whereas pre β ALP indicates bone diseases.
+Изофермент Субъединица Ткань-источник CPK1 BB Мозг CPK2 MB Сердце CPK3 MM Скелетная мышца
It is most likely that the new allele will be non functional—in which case it will probably result in low fitness and be removed from the population by natural selection. Alternatively, if the amino acid residue that is changed is in a relatively unimportant part of the enzyme (e. g., a long way from the active site), then the mutation may be selectively neutral and subject to genetic drift. In rare cases, the mutation may result in an enzyme that is more efficient, or one that can catalyse a slightly different chemical reaction, in which case the mutation may cause an increase in fitness, and be favoured by natural selection. Type Composition LocationElectrophoretic MobilityWhether destroyed by
Heat (at 60 °C)Percentage of normal
serum in humans LDH1 HHHH Heart and ErythrocyteFastestNo25% LDH2 HHHM Heart and ErythrocyteFasterNo35% LDH3 HHMM Brain and KidneyFastPartially 27% LDH4 HMMM Skeletal Muscle and LiverSlowYes8% LDH5 MMMM Skeletal Muscle and LiverSlowestYes5%
2.) Isoenzymes of creatine phosphokinase: Creatine kinase (CK) or creatine phosphokinase (CPK) catalyses the interconversion of phospho creatine to creatine
CPK exists in 3 isoenzymes. Each isoenzymes is a dimer of 2 subunits M (muscle), B (brain) or both
+IsoenzymeSubunitTissue of OriginCPK1BBBrainCPK2MBHeart CPK3MMSkeletal muscle
3.) Isoenzymes of alkaline phosphatase: Six isoenzymes have been identified. The enzyme is a monomer, the isoenzymes are due to the differences in the carbohydrate content (sialic acid residues). The most important ALP isoenzymes are α1 ALP, α2 heat labile ALP, α2 heat stable ALP, pre β ALP and γ ALP. Increase in α2 heat labile ALP suggests hepatitis whereas pre β ALP indicates bone diseases.
3.) Изоферменты щелочной фосфатазы: Идентифицировано шесть изоферментов. Фермент является мономером, а изоферменты обусловлены различиями в содержании углеводов (остатки сиаловой кислоты). Наиболее важными изоферментами АЛФ являются α1 АЛФ, α2 теплолабильная АЛФ, α2 теплостабильная АЛФ, пре-β АЛФ и γ АЛФ. Повышение уровня α2 теплолабильной АЛФ указывает на гепатит, в то время как пре-β АЛФ указывает на заболевания костей.
It is most likely that the new allele will be non functional—in which case it will probably result in low fitness and be removed from the population by natural selection. Alternatively, if the amino acid residue that is changed is in a relatively unimportant part of the enzyme (e. g., a long way from the active site), then the mutation may be selectively neutral and subject to genetic drift. In rare cases, the mutation may result in an enzyme that is more efficient, or one that can catalyse a slightly different chemical reaction, in which case the mutation may cause an increase in fitness, and be favoured by natural selection. Type Composition LocationElectrophoretic MobilityWhether destroyed by
Heat (at 60 °C)Percentage of normal
serum in humans LDH1 HHHH Heart and ErythrocyteFastestNo25% LDH2 HHHM Heart and ErythrocyteFasterNo35% LDH3 HHMM Brain and KidneyFastPartially 27% LDH4 HMMM Skeletal Muscle and LiverSlowYes8% LDH5 MMMM Skeletal Muscle and LiverSlowestYes5%
2.) Isoenzymes of creatine phosphokinase: Creatine kinase (CK) or creatine phosphokinase (CPK) catalyses the interconversion of phospho creatine to creatine
CPK exists in 3 isoenzymes. Each isoenzymes is a dimer of 2 subunits M (muscle), B (brain) or both
+IsoenzymeSubunitTissue of OriginCPK1BBBrainCPK2MBHeart CPK3MMSkeletal muscle
3.) Isoenzymes of alkaline phosphatase: Six isoenzymes have been identified. The enzyme is a monomer, the isoenzymes are due to the differences in the carbohydrate content (sialic acid residues). The most important ALP isoenzymes are α1 ALP, α2 heat labile ALP, α2 heat stable ALP, pre β ALP and γ ALP. Increase in α2 heat labile ALP suggests hepatitis whereas pre β ALP indicates bone diseases.
Различие изоферментов
Изозимы (и аллозимы) являются вариантами одного и того же фермента. Если они не идентичны по своим биохимическим свойствам, например, по субстратам и кинетике ферментов, их можно различить с помощью биохимического анализа. Однако такие различия обычно незначительны, особенно между аллозимами, которые часто представляют собой нейтральные варианты. Такая незначительность объяснима, поскольку два фермента, существенно различающиеся по своей функции, вряд ли были бы идентифицированы как изозимы. Хотя изозимы могут быть почти идентичными по функции, они могут отличаться и другими характеристиками. В частности, аминокислотные замены, изменяющие электрический заряд фермента, легко идентифицируются с помощью гелевого электрофореза, что и является основой для использования изозим в качестве молекулярных маркеров. Для идентификации изозим получают грубый белковый экстракт путем измельчения тканей животных или растений в экстракционном буфере, а компоненты экстракта разделяют в соответствии с их зарядом с помощью гелевого электрофореза. Исторически для этого обычно использовали гели из картофельного крахмала, но акриламидные гели обеспечивают лучшее разрешение. В геле присутствуют все белки ткани, поэтому отдельные ферменты необходимо идентифицировать с помощью анализа, связывающего их функцию с реакцией окрашивания. Например, обнаружение может основываться на локализованном осаждении растворимых индикаторных красителей, таких как соли тетразолия, которые становятся нерастворимыми при восстановлении кофакторами, такими как NAD или NADP, образующимися в зонах ферментативной активности. Этот метод анализа требует, чтобы ферменты оставались функциональными после разделения (нативный гелевый электрофорез) и представляет собой основную сложность при использовании изозим в качестве лабораторной методики. Изозимы различаются по кинетике (у них разные значения KM и Vmax).
Изозимы и аллозимы в качестве молекулярных маркеров
Популяционная генетика по сути представляет собой изучение причин и следствий генетической изменчивости внутри и между популяциями, и в прошлом изоферменты были одними из наиболее широко используемых молекулярных маркеров для этих целей. Хотя в настоящее время они в значительной степени уступили место более информативным методам, основанным на ДНК (таким как прямое секвенирование ДНК, однонуклеотидные полиморфизмы и микросателлиты), они по-прежнему остаются одними из самых быстрых и дешевых в разработке систем маркеров и, по состоянию на 2005 год, являются отличным выбором для проектов, которым необходимо выявлять лишь небольшие уровни генетической изменчивости, например, для количественной оценки систем спаривания.
Другие важные примеры
Изоферменты цитохрома P450 играют важную роль в метаболизме и стероидогенезе. Множественные формы фосфодиэстеразы также играют ключевую роль в различных биологических процессах. Хотя в отдельных клетках обнаружено более одной формы этих ферментов, эти изоформы распределены неравномерно в различных клетках организма. С клинической точки зрения установлено, что они могут быть селективно активированы и ингибированы, что обусловило их применение в терапии.