izozym

W biochemii izozymy (znane również jako izoenzymy lub bardziej ogólnie jako wiele form enzymów ) to enzymy , które różnią się sekwencją aminokwasów, ale katalizują tę samą reakcję chemiczną . Izozymy KM _zwykle mają różne parametry kinetyczne (np. różne wartości ) lub są inaczej regulowane. Pozwalają na precyzyjne dostrojenie metabolizmu do określonych potrzeb danej tkanki lub etapu rozwojowego.

W wielu przypadkach izozymy są kodowane przez homologiczne geny, które z biegiem czasu uległy rozbieżności. Ściśle mówiąc, enzymy o różnych sekwencjach aminokwasowych, które katalizują tę samą reakcję, są izozymami, jeśli są kodowane przez różne geny, lub allozymami , jeśli są kodowane przez różne allele tego samego genu ; te dwa terminy są często używane zamiennie.

Wstęp

Izozymy zostały po raz pierwszy opisane przez RL Huntera i Clementa Markerta (1957), którzy zdefiniowali je jako różne warianty tego samego enzymu o identycznych funkcjach i występujące u tego samego osobnika . Ta definicja obejmuje (1) warianty enzymów, które są produktem różnych genów, a zatem reprezentują różne loci (opisane jako izozymy ) oraz (2) enzymy, które są produktem różnych alleli tego samego genu (opisane jako allozymy ).

Izozymy są zwykle wynikiem duplikacji genów , ale mogą również powstać w wyniku poliploidyzacji lub hybrydyzacji kwasów nukleinowych . W czasie ewolucji, jeśli funkcja nowego wariantu pozostaje identyczna z oryginałem, jest prawdopodobne, że jeden lub drugi zostanie utracony w miarę gromadzenia się mutacji , w wyniku czego powstanie pseudogen . Jeśli jednak mutacje nie uniemożliwiają natychmiast działania enzymu, ale zamiast tego modyfikują albo jego funkcję, albo wzór ekspresji , to oba warianty mogą być faworyzowane przez dobór naturalny i specjalizować się w różnych funkcjach. Na przykład mogą ulegać ekspresji na różnych etapach rozwoju lub w różnych tkankach.

Allozymy mogą powstawać w wyniku mutacji punktowych lub zdarzeń insercji-delecji ( indel ), które wpływają na sekwencję kodującą genu. Podobnie jak w przypadku innych nowych mutacji, z nowym allozymem mogą się zdarzyć trzy rzeczy:

Najprawdopodobniej nowy allel będzie niefunkcjonalny – w takim przypadku prawdopodobnie doprowadzi do niskiej sprawności i zostanie usunięty z populacji w drodze doboru naturalnego .
Alternatywnie, jeśli zmieniona reszta aminokwasowa znajduje się w stosunkowo nieistotnej części enzymu (np. daleko od miejsca aktywnego ), wówczas mutacja może być selektywnie obojętna i podlegać dryfowi genetycznemu .
W rzadkich przypadkach mutacja może skutkować powstaniem enzymu, który jest bardziej wydajny lub może katalizować nieco inną reakcję chemiczną , w którym to przypadku mutacja może spowodować wzrost sprawności i być faworyzowanym przez dobór naturalny.

Przykłady

Przykładem izozymu jest glukokinaza , odmiana heksokinazy , która nie jest hamowana przez glukozo-6-fosforan . Odmienne właściwości regulacyjne i mniejsze powinowactwo do glukozy ( w porównaniu z innymi heksokinazami) pozwalają na pełnienie różnych funkcji w komórkach określonych narządów, takich jak kontrola uwalniania insuliny przez komórki beta trzustki czy inicjowanie syntezy glikogenu przez komórki wątroby . Oba te procesy muszą zachodzić tylko wtedy, gdy występuje obfitość glukozy.

5 izoenzymów LDH

Rozróżnienie pięciu izozymów za pomocą elektroforezy

1.) Enzym dehydrogenaza mleczanowa jest tetramerem złożonym z dwóch różnych podjednostek, formy H i formy M. Łączą się one w różne kombinacje w zależności od tkanki:

Typ	Kompozycja	Lokalizacja	Ruchliwość elektroforetyczna	Czy zniszczone przez Ciepło (przy 60 ° C)	Procent normy surowica u ludzi
LDH ₁	HHHH	Serce i erytrocyty	Najszybszy	NIE	25%
LDH ₂	HHHM	Serce i erytrocyty	Szybciej	NIE	35%
LDH ₃	HHMM	Mózg i nerki	Szybko	Częściowo	27%
LDH ₄	HMMM	Mięśnie szkieletowe i wątroba	Powolny	Tak	8%
LDH ₅	MMM	Mięśnie szkieletowe i wątroba	Najwolniejszy	Tak	5%

2.) Izoenzymy fosfokinazy kreatynowej: Kinaza kreatynowa (CK) lub fosfokinaza kreatynowa (CPK) katalizują przemianę fosfokreatyny w kreatynę.

CPK występuje w 3 izoenzymach. Każdy izoenzym jest dimerem składającym się z 2 podjednostek M (mięśnie), B (mózg) lub obu


izoenzym	Podjednostka	Tkanka pochodzenia
CPK ₁	nocleg ze śniadaniem	Mózg
CPK ₂	MB	Serce
CPK ₃	mm	Mięśnie szkieletowe

3.) Izoenzymy fosfatazy alkalicznej: Zidentyfikowano sześć izoenzymów. Enzym jest monomerem, izoenzymy wynikają z różnic w zawartości węglowodanów (reszt kwasu sialowego). Najważniejszymi izoenzymami ALP są α1 _- ALP, α2 _- termolabilny ALP, α2 _- termostabilny ALP, pre-β ALP i γ-ALP. Wzrost α2 _- termochwiejnego ALP sugeruje zapalenie wątroby, podczas gdy pre-β ALP wskazuje na choroby kości.

Rozróżnianie izoenzymów

Izozymy (i allozymy) są wariantami tego samego enzymu. O ile nie są one identyczne pod względem właściwości biochemicznych, na przykład ich substratów i kinetyki enzymów , można je rozróżnić za pomocą testu biochemicznego . Jednak takie różnice są zwykle subtelne, szczególnie między allozymami , które często są wariantami obojętnymi . Tej subtelności należy się spodziewać, ponieważ jest mało prawdopodobne, aby dwa enzymy, które różnią się znacznie pod względem funkcji, zostały zidentyfikowane jako izozymy .

Chociaż izozymy mogą mieć prawie identyczne funkcje, mogą różnić się pod innymi względami. W szczególności substytucje aminokwasów , które zmieniają ładunek elektryczny enzymu, są łatwe do zidentyfikowania za pomocą elektroforezy żelowej , co stanowi podstawę do stosowania izozymów jako markerów molekularnych . Aby zidentyfikować izozymy, surowy ekstrakt białkowy jest wytwarzany przez rozcieranie tkanki zwierzęcej lub roślinnej z buforem ekstrakcyjnym, a składniki ekstraktu są rozdzielane zgodnie z ich ładunkiem za pomocą elektroforezy żelowej. W przeszłości robiono to zwykle za pomocą żeli wykonanych ze skrobi ziemniaczanej , ale żele akryloamidowe zapewniają lepszą rozdzielczość.

Wszystkie białka z tkanki są obecne w żelu, więc poszczególne enzymy muszą być zidentyfikowane za pomocą testu, który łączy ich funkcję z reakcją barwienia. Na przykład wykrywanie może opierać się na miejscowym wytrącaniu rozpuszczalnych barwników wskaźnikowych , takich jak sole tetrazoliowe , które stają się nierozpuszczalne, gdy są redukowane przez kofaktory , takie jak NAD lub NADP , które powstają w strefach aktywności enzymatycznej. Ta metoda oznaczania wymaga, aby enzymy nadal działały po oddzieleniu ( natywnej elektroforezy żelowej ) i stanowi największe wyzwanie przy stosowaniu izozymów jako techniki laboratoryjnej.

_Izoenzymy KM i Vmax ₎ różnią się kinetyką (mają różne wartości .

Izozymy i allozymy jako markery molekularne

Genetyka populacji jest zasadniczo badaniem przyczyn i skutków zmienności genetycznej w obrębie populacji i między populacjami, aw przeszłości izoenzymy były jednymi z najczęściej stosowanych markerów molekularnych do tego celu. Chociaż zostały one obecnie w dużej mierze zastąpione bardziej informacyjnymi DNA (takimi jak bezpośrednie sekwencjonowanie DNA , polimorfizmy pojedynczych nukleotydów i mikrosatelity ), nadal należą do najszybszych i najtańszych systemów markerów do opracowania i pozostają (od 2005 r.) doskonałym wyborem dla projektów, które wymagają jedynie identyfikacji niskich poziomów zmienności genetycznej, np. ilościowego określania systemów kojarzenia .

Inne ważne przykłady

cytochromu P450 odgrywają ważną rolę w metabolizmie i steroidogenezie .
Wiele form fosfodiesterazy odgrywa również ważną rolę w różnych procesach biologicznych. Chociaż w poszczególnych komórkach znaleziono więcej niż jedną postać tych enzymów, te izoformy enzymu są nierównomiernie rozmieszczone w różnych komórkach organizmu. Z klinicznego punktu widzenia stwierdzono ich selektywną aktywację i hamowanie, co doprowadziło do ich zastosowania w terapii.

Hunter, RL; Merkerta, CL (1957). „Histochemiczna demonstracja enzymów rozdzielonych metodą elektroforezy strefowej w żelach skrobiowych”. nauka . 125 (3261): 1294-1295. doi : 10.1126/science.125.3261.1294-a . PMID 13432800 .
Weiss, B.; Hait, WN (1977). „Selektywne inhibitory fosfodiesterazy cyklicznych nukleotydów jako potencjalne środki terapeutyczne”. rok Wielebny Pharmacol. Toksykol . 17 : 441–477. doi : 10.1146/annurev.pa.17.040177.002301 . PMID 17360 .
Wendel, JF i NF Weeden. 1990. „Wizualizacja i interpretacja izozymów roślin”. s. 5–45 w DE Soltis i PS Soltis , wyd. Izoenzymy w biologii roślin. Chapmana i Halla w Londynie.
Weeden, NF i JF Wendel. 1990. „Genetyka izozymów roślin”. s. 46–72 w DE Soltis i PS Soltis , wyd. Izoenzymy w biologii roślin. Chapmana i Halla w Londynie
Crawford, DJ. 1989. „Elektroforeza enzymów i systematyka roślin”. s. 146–164 w DE Soltis i PS Soltis , wyd. Izoenzymy w biologii roślin. Dioscorides, Portland, Oregon.
Hamrick, JL i MJW Godt. 1990. „Różnorodność allozymów gatunków roślin”. s. 43–63 w AHD Brown, MT Clegg, AL Kahler i BS Weir, wyd. Genetyka populacji roślin, hodowla i zasoby genetyczne . Sinauer, Sunderland
Biochemia Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko, Lubert Stryer (wprowadzenie zaczerpnięte z tego podręcznika)

Konkretny

^ Markert, Klemens L.; Moller, Freddy (1959). „Wiele form enzymów: wzorce tkankowe, ontogenetyczne i specyficzne dla gatunku” . Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America . 45 (5): 753–763. doi : 10.1073/pnas.45.5.753 . PMC 222630 . PMID 16590440 .
Bibliografia _ Genetyka podstawowa (wyd. 3). Wydawnictwo McNaughton. s. 413–414.
^ Gerald, Gerald (2015). Księga biologii: od powstania życia do epigenetyki, 250 kamieni milowych w historii biologii . Szterling. P. 79.
^ Huang Le (2009). Genom . Grady-McPherson. P. 299.
^ Alberts (2017). Biologia molekularna komórki (wyd. 6). Nauka girlandy. P. 649.
^ ^a ^b Walstrom, Ford; i in. (2014). „Modele genetyki i doboru naturalnego: aktualne zrozumienie biomolekularne”. Ekologia biomolekularna . 70 (2): 1021–1034.
^ ^abcd ^{Satyanarayana ,}^{U. (}²⁰⁰² ). Biochemia (wyd. 2). Kalkuta, Indie: Książki i sojusznicy. ISBN 8187134801 . OCLC 71209231 .

Linki zewnętrzne

Allozyme Electrophoresis Techniques – kompletny przewodnik po elektroforezie w żelu skrobiowym
Opracowanie nowych leków swoistych dla izozymów – Dioksygenazy kwasów tłuszczowych i hormony eikozanoidowe (Estonia)

[1] Markert, Klemens L.; Moller, Freddy (1959). „Wiele form enzymów: wzorce tkankowe, ontogenetyczne i specyficzne dla gatunku” . Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America . 45 (5): 753–763. doi : 10.1073/pnas.45.5.753 . PMC 222630 . PMID 16590440 .

[Kearney-2] Bibliografia _ Genetyka podstawowa (wyd. 3). Wydawnictwo McNaughton. s. 413–414.

[3] Gerald, Gerald (2015). Księga biologii: od powstania życia do epigenetyki, 250 kamieni milowych w historii biologii . Szterling. P. 79.

[Huang-4] Huang Le (2009). Genom . Grady-McPherson. P. 299.

[Alberts-5] Alberts (2017). Biologia molekularna komórki (wyd. 6). Nauka girlandy. P. 649.

[Walstrom-6] Walstrom, Ford; i in. (2014). „Modele genetyki i doboru naturalnego: aktualne zrozumienie biomolekularne”. Ekologia biomolekularna . 70 (2): 1021–1034.

[:0-7] {Satyanarayana ,}^{U. (}²⁰⁰² ). Biochemia (wyd. 2). Kalkuta, Indie: Książki i sojusznicy. ISBN 8187134801 . OCLC 71209231 .