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^{[1][2][3][4][5]}, 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,^[1][3] 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.^[5]

Происхождение и эволюция

Изоферменты, как правило, высоко гомологичны (но никогда не идентичны, даже в случае максимально подобных друг другу аллоэнзимов) по аминокислотной последовательности ^[6] и/или подобны по пространственной конфигурации. Особенно консервативны в сохранении строения активные центры молекул изоферментов. Во многих случаях изоферменты имеют общего эволюционного предка,^[6] являясь биохимическим выражением генетического полиморфизма ^[3] — например, образуясь в результате дупликации и дивергенции генов.^[7]

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)^[4]. Эти различия обусловлены эволюционной приспособленностью разных изоферментов к функционированию в различных условиях разных органов,^[2] тканей, клеток.

Распределение изоферментов в организме зависит от:

1. 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.
2. Различных локализации и метаболической роли изоферментов в одной и той же клетке. Пример - изоферменты изоцитратдегидрогеназы в цитозоле и митохондриях.
3. 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.
4. 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.^[8]

Изоферменты лактатдегидрогеназы включают 5 (2 гомо- и 3 гетеро-) тетрамерных форм, содержащих разное сочетание 2 типов полипептидов - М (мышечная форма) и Н (сердечная), кодирующихся разными генами.^[6]

Практическое значение

Выявлять изоферменты можно с помощью методов хроматографии, электрофореза и иммунохимии.^[5]

5 изоформ лактатдегидрогеназы имеют различную электрофоретическую подвижность,что позволяет их разделить электрофорезом.^[6]

• Определение внутриклеточных изоформ ферментов (в т.ч. изоферментов) в крови помогает диагностировать повреждение определённой ткани,^[2] т.к. повышенное содержание этих ферментов в крови указывает на повышение проницаемости мембран клеток (из-за повреждения или даже некроза).^[9]

Маркерные ферменты в сыворотке крови^[6]

Фермент	Тканевая принадлежность
аспартаттрансаминаза (АСТ)	печень (цирроз), сердце (инфаркт)
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^[5] 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.^[10]

Примеры изоферментов

1. 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.
2. 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.
3. 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.
4. 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.^[6]

См. также

1. Изопепсины
2. Изоформы пепсиногена