Изоцим - Isozyme
В биохимии , изоферменты (также известный как изоферментов или в более общем смысле, как множественные формы ферментов ) являются ферменты , которые отличаются по аминокислотной последовательности , но катализируют ту же химическую реакцию. Изоферменты обычно имеют разные кинетические параметры (например, разные значения K M ) или регулируются по-разному. Они позволяют точно настроить метаболизм в соответствии с конкретными потребностями данной ткани или стадии развития.
Во многих случаях изоферменты кодируются гомологичными генами, которые со временем разошлись. Строго говоря, ферменты с разными аминокислотными последовательностями, которые катализируют одну и ту же реакцию, являются изоферментами, если они кодируются разными генами, или аллозимами, если они кодируются разными аллелями одного и того же гена ; эти два термина часто используются как синонимы.
Вступление
Изоферменты 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 . Это определение охватывает (1) варианты ферментов, которые являются продуктом разных генов и, таким образом, представляют разные локусы (описываются как изоферменты ) и (2) ферменты, которые являются продуктом разных аллелей одного и того же гена (описываются как аллозимы ).
Изоферменты обычно являются результатом дупликации генов , но также могут возникать в результате полиплоидизации или гибридизации нуклеиновых кислот . Если в ходе эволюции функция нового варианта останется идентичной исходной, то, вероятно, тот или другой будет утерян по мере накопления мутаций , что приведет к псевдогену . Однако, если мутации не сразу препятствуют функционированию фермента, а вместо этого изменяют либо его функцию, либо его образец экспрессии , тогда оба варианта могут быть одобрены естественным отбором и специализироваться на различных функциях. Например, они могут экспрессироваться на разных стадиях развития или в разных тканях.
Аллозимы могут быть результатом точечных мутаций или инсерций-делеций ( indel ), которые влияют на кодирующую последовательность гена. Как и в случае с любыми другими новыми мутациями, с новым аллозимом могут произойти три вещи:
- Скорее всего, новый аллель будет нефункциональным - в этом случае он, вероятно, приведет к низкой приспособленности и будет удален из популяции путем естественного отбора .
- Альтернативно, если измененный аминокислотный остаток находится в относительно несущественной части фермента (например, далеко от активного сайта ), то мутация может быть избирательно нейтральной и подверженной генетическому дрейфу .
- В редких случаях мутация может привести к более эффективному ферменту или ферменту, который может катализировать несколько иную химическую реакцию , и в этом случае мутация может вызвать повышение приспособленности и будет поддерживаться естественным отбором.
Примеры
Примером изофермента является глюкокиназа , вариант гексокиназы, который не ингибируется глюкозо-6-фосфатом . Ее различные регулирующие функции и низкое сродство к глюкозе ( по сравнению с другими гексокиназ), позволяют ему служить различные функции в клетках специфических органов, таких , как контроль инсулина высвобождения со стороны бета - клеток этих поджелудочной железы , или инициирования гликогена синтеза по печени клеток . Оба эти процесса должны происходить только при большом количестве глюкозы.
1.) Фермент лактатдегидрогеназа представляет собой тетрамер, состоящий из двух различных субъединиц, H-формы и M-формы. Они сочетаются в различных комбинациях в зависимости от ткани:
Тип | Состав | Место нахождения | Электрофоретическая подвижность | Будь уничтожен
Нагрев (при 60 ° C) |
Процент нормального
сыворотка у человека |
---|---|---|---|---|---|
ЛДГ 1 | Чччч | Сердце и эритроцит | Самый быстрый | Нет | 25% |
ЛДГ 2 | ЧЧЧМ | Сердце и эритроцит | Быстрее | Нет | 35% |
ЛДГ 3 | ЧЧММ | Мозг и почки | Быстро | 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: креатинкиназа (CK) или креатинфосфокиназа (CPK) катализирует взаимное превращение фосфокреатина в креатин.
КФК существует в виде 3 изоферментов. Каждый изофермент представляет собой димер из 2 субъединиц M (мышца), B (мозг) или обеих
Изофермент | Подразделение | Ткань происхождения |
---|---|---|
CPK 1 | BB | Головной мозг |
CPK 2 | МБ | Сердце |
CPK 3 | ММ | Скелетные мышцы |
3.) Изоферменты щелочной фосфатазы: идентифицировано шесть изоферментов. Фермент является мономером, изоферменты возникают из-за различий в содержании углеводов (остатки сиаловой кислоты). Наиболее важными изоферментами ALP являются α 1 -ALP, α 2- теплолабильная ALP, α 2 -стабильная при нагревании ALP, пре-β ALP и γ-ALP. Повышение α 2- теплолабильной ЩФ указывает на гепатит, тогда как пре-β ЩФ указывает на заболевания костей.
Отличительные изоферменты
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 . Этой тонкости следовало ожидать, потому что два фермента, которые значительно различаются по своей функции, вряд ли были идентифицированы как изоферменты .
Хотя изоферменты могут быть практически идентичными по функциям, они могут отличаться по другим параметрам. В частности, аминокислотные замены, которые изменяют электрический заряд фермента, легко идентифицировать с помощью гель-электрофореза , и это формирует основу для использования изоферментов в качестве молекулярных маркеров . Чтобы идентифицировать изоферменты, неочищенный белковый экстракт получают путем измельчения тканей животных или растений с буфером для экстракции, а компоненты экстракта разделяют в соответствии с их зарядом с помощью гель-электрофореза. Исторически это обычно делалось с использованием гелей, сделанных 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 локализованное осаждении растворимых индикаторных красителей , такие как тетразолия соль , которые становятся нерастворимым , когда они уменьшаются с помощью кофакторов , таких как НАД или НАДФ , которые сгенерированные в зонах активности фермента. Этот метод анализа требует, чтобы ферменты оставались функциональными после разделения ( электрофорез в нативном геле ), и представляет наибольшую проблему при использовании изоферментов в качестве лабораторного метода.
Изоферменты различаются кинетикой (у них разные значения K M и V max ).
Изозимы и аллозимы как молекулярные маркеры
Популяционная генетика - это, по сути, изучение причин и следствий генетической изменчивости внутри и между популяциями, 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) отличными. выбор для проектов, в которых необходимо только выявить низкие уровни генетической изменчивости, например, количественная оценка систем спаривания .
Другие основные примеры
- В цитохрома Р450 изоферменты играют важную роль в обмене веществ и стероидогенеза .
- 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. Было обнаружено, что с клинической точки зрения они избирательно активируются и ингибируются, что привело к их использованию в терапии.
использованная литература
- Хантер, Р.Л .; Меркерт, CL (1957). «Гистохимическая демонстрация ферментов, разделенных зонным электрофорезом в крахмальных гелях». Наука . 125 (3261): 1294–1295. DOI : 10.1126 / science.125.3261.1294-а . PMID 13432800 .
- Weiss, B .; Хаит, WN (1977). «Селективные ингибиторы циклической нуклеотидной фосфодиэстеразы как потенциальные терапевтические агенты». Анну. Rev. Pharmacol. Toxicol . 17 : 441–477. DOI : 10.1146 / annurev.pa.17.040177.002301 . PMID 17360 .
- Вендел, Дж. Ф. и Н. Ф. Виден. 1990. «Визуализация и интерпретация изоферментов растений». С. 5–45 в DE Soltis and PS Soltis , eds. Изоферменты в биологии растений. Чепмен и Холл, Лондон.
- Виден, Н.Ф. и Дж. Ф. Вендел. 1990. «Генетика изоферментов растений». С. 46–72 в DE Soltis and PS Soltis , eds. Изоферменты в биологии растений. Чепмен и Холл, Лондон
- Кроуфорд, диджей. 1989. "Ферментный электрофорез и систематика растений". стр. 146–164 в DE Soltis and PS Soltis , eds. Изоферменты в биологии растений. Диоскорид, Портленд, Орегон.
- Хамрик, JL, и MJW Годт. 1990. "Разнообразие аллозимов в видах растений". стр. 43–63 в AHD Brown, MT Clegg, AL Kahler и BS Weir, eds. Генетика популяций растений, селекция и генетические ресурсы. Синауэр, Сандерленд
- Биохимия Джереми М. Берг, Джон Л. Тимочко, Люберт Страйер (вступление из этого учебника)
- Специфический
- ^ Маркерт, Клемент L .; Моллер, Фредди (1959). «Множественные формы ферментов: тканевые, онтогенетические и видоспецифические паттерны» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 45 (5): 753–763. DOI : 10.1073 / pnas.45.5.753 . PMC 222630 . PMID 16590440 .
- ^ Кирни (2014). Фундаментальная генетика (3-е изд.). McNaughton Publishing. С. 413–414.
- ^ Джеральд, Джеральд (2015). Книга по биологии: от происхождения жизни до эпигенетики, 250 вех в истории биологии . Стерлинг. п. 79.
- Перейти ↑ Huang, Le (2009). Геном . Грейди-Макферсон. п. 299.
- ^ Альбертс (2017). Молекулярная биология клетки (6-е изд.). Наука о гирляндах. п. 649.
- ^ а б Уолстром, Форд; и другие. (2014). «Модели генетики и естественного отбора: современное понимание биомолекул». Биомолекулярная экология . 70 (2): 1021–1034.
- ^ а б в г Сатьянараяна, У. (2002). Биохимия (2-е изд.). Калькутта, Индия: Книги и союзники. ISBN 8187134801. OCLC 71209231 .
внешние ссылки
- Методы аллозимного электрофореза - полное руководство по электрофорезу в крахмальном геле
- Разработка новых лекарственных средств, специфичных для изоферментов - диоксигеназ жирных кислот и эйкозаноидных гормонов (Эстония)