Изоферменты
Изоферменты, или изоэнзимы, или изозимы — различные изоформы или изотипы (т.к. различаются строением первичной структуры полипептидной цепи) одного и того же фермента (т.к. катализируют одну и ту же реакцию), существующие в одном организме<ref name=":3">Шаблон:Книга</ref><ref name=":0">Шаблон:Книга</ref><ref name=":1">Шаблон:Книга</ref><ref name=":2" /><ref name=":4">Шаблон:Cite web</ref>, но, как правило, в разных его клетках, тканях или органах.
Частное определение изоферментов: кодирующиеся разными генами различные изоформы или изотипы одного и того же фермента, существующие в одном организме,<ref name=":3" /><ref name=":1" /> им противопоставляются изоформы ферментов, кодируемые разными аллелями одного гена - аллоэнзимов (аллозимов).
Множественные формы ферментов, которые образуются в результате посттрансляционных модификаций или изменяют свою конформацию и свойства при взаимодействии с различными соединениями (т. н. конформеры), к изоферментам не относятся.<ref name=":4" />
Происхождение и эволюция
Изоферменты, как правило, высоко гомологичны (но никогда не идентичны, даже в случае максимально подобных друг другу аллоэнзимов) по аминокислотной последовательности <ref name=":5" /> и/или подобны по пространственной конфигурации. Особенно консервативны в сохранении строения активные центры молекул изоферментов. Во многих случаях изоферменты имеют общего эволюционного предка,<ref name=":5" /> являясь биохимическим выражением генетического полиморфизма <ref name=":1" /> — например, образуясь в результате дупликации и дивергенции генов.<ref>Шаблон:Статья</ref>
Биологическое значение
Все изоферменты одного и того же фермента выполняют одну и ту же каталитическую функцию, но могут значительно различаться по степени каталитической активности, по особенностям регуляции, по используемому кофактору (НАДН или НАДФН для дегидрогеназ), по распределению в клетке (водорастворимые или связанные с мембраной)<ref name=":2">David L. Nelson, Michael M. Cox. Lehninger Principles of Biochemistry, 8th ed. — Macmillan, W.H. Freeman, Sapling Learning, 2021. — С. 1963. — 4893 с. — ISBN 9781319322342.</ref>. Эти различия обусловлены эволюционной приспособленностью разных изоферментов к функционированию в различных условиях разных органов,<ref name=":0" /> тканей, клеток.
Распределение изоферментов в организме зависит от:
- Различной организации метаболизма в разных органах. Изоферменты гликогенфосфорилазы в скелетных мышцах и печени имеют разные особенности регуляции, что отражает разную роль расщепления гликогена в этих двух тканях.
- Различных локализации и метаболической роли изоферментов в одной и той же клетке. Пример - изоферменты изоцитратдегидрогеназы в цитозоле и митохондриях.
- Различных стадий развития в эмбриональных или фетальных тканях и в тканях взрослого человека. Например, печень плода имеет характерное изозимное распределение лактатдегидрогеназы, которое меняется по мере развития органа во взрослую форму. Некоторые ферменты катаболизма глюкозы в злокачественных (раковых) клетках встречаются в виде своих фетальных, а не взрослых изоферментов.
- Различной реакции изоферментов на аллостерические модуляторы. Это различие полезно для тонкой настройки скорости метаболизма. Гексокиназа IV (глюкокиназа) из печени и изоферменты гексокиназы других тканей различаются по чувствительности к ингибированию глюкозо-6-фосфатом.<ref>Шаблон:Книга</ref>
Практическое значение
Выявлять изоферменты можно с помощью методов хроматографии, электрофореза и иммунохимии.<ref name=":4" />
- Определение внутриклеточных изоформ ферментов (в т.ч. изоферментов) в крови помогает диагностировать повреждение определённой ткани,<ref name=":0" /> т.к. повышенное содержание этих ферментов в крови указывает на повышение проницаемости мембран клеток (из-за повреждения или даже некроза).<ref>Шаблон:Книга</ref>
| Фермент | Тканевая принадлежность |
|---|---|
| аспартаттрансаминаза (АСТ) | печень (цирроз), |
| щелочная фосфатаза (ЩФ) | печень, желчевыводящие пути, кости (переломы, остеомаляция) |
| панкреатическая амилаза | поджелудочная железа (панкреатит) |
| аланинаминотрансфераза (АЛТ) | печень (цирроз, жировой гепатоз) |
| холинэстераза (ХЭ) | печень (цирроз, жировой гепатоз) |
| креатинкиназа (КК, изофермент КК-МВ) | сердце (инфаркт) |
| глутаматдегидрогеназа (ГДГ) | печень (некроз) |
| γ-глутамилтрансфераза (ГГТ) | печень (токсины, гепатит),
желчевыводящие пути (холестаз) |
| лактатдегидрогеназа (ЛДГ) | печень, мышцы, сердце (инфаркт) |
| панкреатическая липаза (ПЛ) | поджелудочная железа (панкреатит) |
- Ряд изоферментов используется для диагностики генетических аномалий<ref name=":4" /> и отклонений в метаболизме индивида от нормы, т.к. один изофермент (аллофермент) соответствует одному гену (аллелю), можно генотипировать организмы, определяя, вырабатывают ли они те или иные изоферменты с различными свойствами, что применимо в популяционной и медицинской генетике. Удобство генотипирования с помощью изоферментов состоит в отсутствии необходимости гибридологического анализа, что особенно важно при изучении генетики организмов с долгим ювенильным (дорепродуктивным) периодом онтогенеза.<ref>Шаблон:Книга</ref>
Примеры изоферментов
- Примером фермента, имеющего изоферменты, является гексокиназа, имеющая четыре изотипа, обозначаемых римскими цифрами от I до IV. При этом один из изотипов гексокиназы, а именно гексокиназа IV, экспрессируется почти исключительно в печени и обладает особыми физиологическими свойствами, в частности её активность не угнетается продуктом её реакции глюкозо-6-фосфатом.
- Ещё одним примером фермента, имеющего изоферменты, является амилаза — панкреатическая амилаза отличается по аминокислотной последовательности и свойствам от амилазы слюнных желёз, кишечника и других органов. Это послужило основой для разработки и применения более надёжного метода диагностики острого панкреатита путём определения не общей амилазы плазмы крови, а именно панкреатической изоамилазы.
- Креатинфосфокиназа (креатинкиназа): изотип этого фермента, экспрессируемый в сердце, отличается по аминокислотной последовательности от креатинфосфокиназы скелетных мышц. Это позволяет дифференцировать повреждения миокарда (например, при инфаркте миокарда) от других причин повышения активности КФК, определяя миокардиальный изотип КФК в крови.
- Лактатдегидрогеназа (ЛДГ): повышение в крови концентрации изоформ, характерных для сердца (ЛДГ1 = H4, ЛДГ2 = H3M) — признак инфаркта миокарда, причём по этим концентрациям можно определить время и обширность произошедшего инфаркта. Одновременное с ЛДГ повышение концентрации в крови сердечной креатинкиназы — строгое доказательство недавнего инфаркта миокарда.<ref name=":5" />