Изоферменты (также известные как изоферменты или, в более общем смысле, как множественные формы ферментов ) - это ферменты, которые различаются по аминокислотной последовательности, но катализируют одну и ту же химическую реакцию. Эти ферменты обычно демонстрируют разные кинетические параметры (например, разные значения K M ) или разные регуляторные свойства. Существование изоферментов позволяет точно настроить метаболизм в соответствии с конкретными потребностями данной ткани или стадии развития. В биохимии изоферменты (или изоферменты) представляют собой изоформы (близкородственные варианты) ферментов. Во многих случаях они кодируются гомологичными генами, которые со временем разошлись. Хотя, собственно говоря,аллозимы представляют собой ферменты из разных аллелей одного и того же гена , а изоферменты представляют собой ферменты из разных генов, которые обрабатывают или катализируют одну и ту же реакцию, эти два слова обычно используются как синонимы.
Введение [ править ]
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 . [1] 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 ). [2]
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. [3]Например, они могут экспрессироваться на разных стадиях развития или в разных тканях. [4]
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 . [5]
- 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 . [6]
- 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. [6]
Примеры [ править ]
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: [7]
| Тип | Состав | Место расположения | 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 | 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 (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 [7]
| Изофермент | Подразделение | Ткань происхождения |
|---|---|---|
| CPK 1 | BB | Мозг |
| CPK 2 | МБ | Сердце |
| CPK 3 | ММ | Скелетные мышцы |
3.) Изоферменты щелочной фосфатазы: [7] 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 [ править ]
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 ).
Изоферменты и аллозимы как молекулярные маркеры [ править ]
Популяционная генетика - это, по сути, изучение причин и следствий генетической изменчивости внутри популяций и между ними, и в прошлом изоферменты были одними из наиболее широко используемых молекулярных маркеров для этой цели. Хотя сейчас 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 [Обновить]) отличными выбор для проектов, которые нуждаются только в выявлении низких уровней генетической изменчивости, например, для количественной оценки систем спаривания .
Другие основные примеры [ править ]
- 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.
Ссылки [ править ]
- Хантер, Р.Л .; Меркерт, CL (1957). «Гистохимическая демонстрация ферментов, разделенных зонным электрофорезом в крахмальных гелях». Наука . 125 : 1294–1295. DOI : 10.1126 / science.125.3261.1294-а .
- 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)
- Конкретный
- ^ Маркерт, Клемент L .; Моллер, Фредди (1959). «Множественные формы ферментов: тканевые, онтогенетические и видоспецифические паттерны» . Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки . 45 : 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 [ править ]
- Методы аллозимного электрофореза - полное руководство по электрофорезу в крахмальном геле
- Разработка новых лекарственных средств, специфичных для изоферментов - диоксигеназ жирных кислот и эйкозаноидных гормонов (Эстония)
