Isozym - Isozyme

I biokemi er isozymer (også kendt som isoenzymer eller mere generelt som flere former for enzymer ) enzymer, der adskiller sig i aminosyresekvens, men katalyserer den samme kemiske reaktion. Isozymer har normalt forskellige kinetiske parametre (fx forskellige K M værdier), eller reguleres forskelligt. De tillader finjustering af stofskiftet for at opfylde de særlige behov i et givet væv eller udviklingsstadium.

I mange tilfælde er isozymer kodet af homologe gener, der har divergeret over tid. Strengt taget er enzymer med forskellige aminosyresekvenser, der katalyserer den samme reaktion, isozymer, hvis de kodes af forskellige gener, eller allozymer, hvis de kodes af forskellige alleler af det samme gen ; de to udtryk bruges ofte i flæng.

Introduktion

Isozymer blev først beskrevet af RL Hunter og Clement Markert (1957), der definerede dem som forskellige varianter af det samme enzym med identiske funktioner og til stede i det samme individ . Denne definition omfatter (1) enzymvarianter, der er et produkt af forskellige gener og dermed repræsenterer forskellige loci (beskrevet som isozymer ) og (2) enzymer, der er produktet af forskellige alleler af det samme gen (beskrevet som allozymer ).

Isozymer er normalt et resultat af gentuplikation , men kan også opstå ved polyploidisering eller nukleinsyrehybridisering . I løbet af evolutionstiden, hvis funktionen af ​​den nye variant forbliver identisk med originalen, er det sandsynligt, at den ene eller den anden vil gå tabt, når mutationer akkumuleres, hvilket resulterer i et pseudogen . Men hvis mutationerne ikke umiddelbart forhindrer enzymet i at fungere, men i stedet ændrer enten dets funktion eller udtryksmønster , kan de to varianter begge begunstiges af naturlig selektion og blive specialiseret til forskellige funktioner. For eksempel kan de udtrykkes på forskellige udviklingsstadier eller i forskellige væv.

Allozymer kan skyldes punktmutationer eller fra insertion-deletion ( indel ) hændelser, der påvirker genets kodende sekvens. Som med alle andre nye mutationer er der tre ting, der kan ske for et nyt allozym:

  • Det er mest sandsynligt, at den nye allel vil være ikke-funktionel-i så fald vil det sandsynligvis resultere i lav kondition og blive fjernet fra befolkningen ved naturligt udvalg .
  • Alternativt, hvis aminosyreresten, der ændres, er i en relativt uvigtig del af enzymet (f.eks. Langt fra det aktive sted ), kan mutationen være selektivt neutral og udsat for genetisk drift .
  • I sjældne tilfælde kan mutationen resultere i et enzym, der er mere effektivt, eller et, der kan katalysere en lidt anden kemisk reaktion , i hvilket tilfælde mutationen kan forårsage en forøgelse af konditionen og blive foretrukket af naturlig selektion.

Eksempler

Et eksempel på et isozym er glucokinase , en variant af hexokinase, som ikke inhiberes af glucose 6-phosphat . Dens forskellige regulatoriske funktioner og lavere affinitet for glucose (sammenlignet med andre hexokinaser), gør det muligt at tjene forskellige funktioner i celler fra specifikke organer, såsom kontrol af insulin frigivelse af beta-cellerne i pancreas , eller initiering af glycogen syntese af leveren celler . Begge disse processer må kun forekomme, når glukose er rigelig.

De 5 isozymer af LDH
Skelnen mellem fem isozymer ved hjælp af elektroforese

1.) Enzymet lactat dehydrogenase er en tetramer lavet af to forskellige underenheder, H-formen og M-formen. Disse kombineres i forskellige kombinationer afhængigt af vævet:

Type Sammensætning Beliggenhed Elektroforetisk mobilitet Om ødelagt af

Varme (ved 60 ° C)

Procentdel af det normale

serum hos mennesker

LDH 1 HHHH Hjerte og Erythrocyt Hurtigste Ingen 25%
LDH 2 HHHM Hjerte og Erythrocyt Hurtigere Ingen 35%
LDH 3 HHMM Hjerne og nyre Hurtig Delvist 27%
LDH 4 HMMM Skeletmuskulatur og lever Langsom Ja 8%
LDH 5 MMMM Skeletmuskulatur og lever Langsomst Ja 5%

2.) Isoenzymer af kreatinfosfokinase: Kreatinkinase (CK) eller kreatinfosfokinase (CPK) katalyserer interkonvertering af phosphokreatin til kreatin.

CPK findes i 3 isoenzymer. Hver isoenzymer er en dimer af 2 underenheder M (muskel), B (hjerne) eller begge dele

Isoenzym Underenhed Oprindelsesvæv
CPK 1 BB Hjerne
CPK 2 MB Hjerte
CPK 3 MM Skelet muskel

3.) Isoenzymer af alkalisk phosphatase: Seks isoenzymer er blevet identificeret. Enzymet er en monomer, isoenzymerne skyldes forskellene i kulhydratindholdet (sialinsyrerester). De vigtigste ALP -isoenzymer er α 1 -ALP, α 2 -varme labile ALP, α 2 -varmestabil ALP, pre -β ALP og γ -ALP. Stigning i α 2 -varme labile ALP tyder på hepatitis, mens pre -β ALP indikerer knoglesygdomme.

Særlige isozymer

Isozymer (og allozymer) er varianter af det samme enzym. Medmindre de er identiske i deres biokemiske egenskaber, f.eks. Deres substrater og enzymkinetik , kan de skelnes ved en biokemisk analyse . Imidlertid er sådanne forskelle normalt subtile, især mellem allozymer, der ofte er neutrale varianter . Denne subtilitet må forventes, fordi to enzymer, der adskiller sig væsentligt i deres funktion, sandsynligvis ikke er blevet identificeret som isozymer .

Selvom isozymer kan være næsten identiske i funktion, kan de variere på andre måder. Især aminosyresubstitutioner, der ændrer enzymets elektriske ladning, er enkle at identificere ved gelelektroforese , og dette danner grundlaget for anvendelsen af ​​isozymer som molekylære markører . For at identificere isozymer fremstilles et råproteinekstrakt ved at male animalsk eller plantevæv med en ekstraktionsbuffer, og ekstraktets komponenter adskilles efter deres ladning ved gelelektroforese. Historisk set er dette normalt blevet gjort ved hjælp af geler fremstillet af kartoffelstivelse , men acrylamidgeler giver bedre opløsning.

Alle proteiner fra vævet er til stede i gelen, så individuelle enzymer skal identificeres ved hjælp af et assay, der forbinder deres funktion med en farvningsreaktion. For eksempel kan påvisning være baseret på den lokaliserede udfældning af opløselige indikator farvestoffer såsom tetrazoliumsalte , som bliver uopløselige, når de reduceres med cofaktorer såsom NAD eller NADP , som frembringes i zoner af enzymaktivitet. Denne assaymetode kræver, at enzymerne stadig er funktionelle efter separation ( nativ gelelektroforese ) og giver den største udfordring ved at bruge isozymer som en laboratorieteknik.

Isoenzymer er forskellige i kinetik (de har forskellige K M og V max værdier).

Isozymer og allozymer som molekylære markører

Befolkningsgenetik er i det væsentlige en undersøgelse af årsagerne og virkningerne af genetisk variation inden for og mellem befolkninger, og tidligere har isozymer været blandt de mest anvendte molekylære markører til dette formål. Selvom de nu stort set er blevet afløst af mere informative DNA -baserede fremgangsmåder (såsom direkte DNA -sekventering , enkeltnukleotidpolymorfier og mikrosatellitter ), er de stadig blandt de hurtigste og billigste markørsystemer til at udvikle og forbliver (fra 2005) en fremragende valg til projekter, der kun skal identificere lave niveauer af genetisk variation, f.eks. kvantificering af parringssystemer .

Andre store eksempler

  • De cytokrom P450 isoenzymer spiller en vigtig rolle i stofskiftet og steroidgenese .
  • De flere former for phosphodiesterase spiller også store roller i forskellige biologiske processer. Selvom der er fundet mere end én form for disse enzymer i individuelle celler, er disse isoformer af enzymet ulige fordelt i de forskellige celler i en organisme. Fra det kliniske synspunkt har de vist sig at være selektivt aktiveret og hæmmet, en observation som har ført til deres anvendelse i terapi.

Referencer

  • Hunter, RL; Merkert, CL (1957). "Histokemisk demonstration af enzymer adskilt af zoneelektroforese i stivelsesgeler". Videnskab . 125 (3261): 1294–1295. doi : 10.1126/science.125.3261.1294-a . PMID  13432800 .
  • Weiss, B .; Hait, WN (1977). "Selektive cykliske nukleotidphosphodiesterasehæmmere som potentielle terapeutiske midler". Annu. Rev. Pharmacol. Toxicol . 17 : 441–477. doi : 10.1146/annurev.pa.17.040177.002301 . PMID  17360 .
  • Wendel, JF og NF Weeden. 1990. "Visualisering og fortolkning af planteisozymer." s. 5–45 i DE Soltis og PS Soltis , red. Isozymer i plantebiologi. Chapman og Hall, London.
  • Weeden, NF og JF Wendel. 1990. "Genetik af planteisozymer". s. 46–72 i DE Soltis og PS Soltis , red. Isozymer i plantebiologi. Chapman og Hall, London
  • Crawford, DJ. 1989. "Enzymelektroforese og plantesystematik". s. 146–164 i DE Soltis og PS Soltis , red. Isozymer i plantebiologi. Dioscorides, Portland, Oregon.
  • Hamrick, JL og MJW Godt. 1990. "Allozymdiversitet i plantearter". s. 43–63 i AHD Brown, MT Clegg, AL Kahler og BS Weir, red. Plantepopulation Genetik, avl og genetiske ressourcer. Sinauer, Sunderland
  • Biokemi af jeremy M. Berg, John L. Tymoczko, Lubert Stryer (Intro taget fra denne lærebog)
Bestemt
  1. ^ Markert, Clement L .; Møller, Freddy (1959). "Flere former for enzymer: væv, ontogenetiske og artsspecifikke mønstre" . Procedurer fra National Academy of Sciences i Amerikas Forenede Stater . 45 (5): 753–763. doi : 10.1073/pnas.45.5.753 . PMC  222630 . PMID  16590440 .
  2. ^ Kearney (2014). Fundamental Genetics (3. udgave). McNaughton Publishing. s. 413–414.
  3. ^ Gerald, Gerald (2015). Biologibogen: Fra livets oprindelse til epigenetik, 250 milepæle i biologiens historie . Sterling. s. s. 79.
  4. ^ Huang, Le (2009). Genom . Grady-McPherson. s. s. 299.
  5. ^ Alberts (2017). Molecular Biology of the Cell (6. udgave). Garland Science. s. s. 649.
  6. ^ a b Walstrom, Ford; et al. (2014). "Modeller af genetik og naturligt udvalg: en aktuel biomolekylær forståelse". Biomolekylær økologi . 70 (2): 1021–1034.
  7. ^ a b c d Satyanarayana, U. (2002). Biokemi (2. udgave). Kolkata, Indien: Bøger og allierede. ISBN 8187134801. OCLC  71209231 .

eksterne links