Максимальной скорости катализируемой (), электрофоретической подвижности или регуляторным свойствам.

Рис. 4.5. Модели строения некоторых олигомерных .

Следует указать на отсутствие ковалентных, главновалентных связей между субъединицами. Связи в основном являются нековалентными, поэтому такие довольно легко диссоциируют на протомеры. Удивительной особенностью таких является зависимость всего комплекса от способа упаковки между собой отдельных субъединиц. Если генетически различимые субъединицы могут существовать более чем в одной форме, то соответственно и , образованный из двух или нескольких типов субъединиц, сочетающихся в разных количественных пропорциях, может существовать в нескольких сходных, но не одинаковых формах. Подобные разновидности получили название (изоэнзимов или, реже, изозимов). В частности, если состоит из 4 субъединиц двух разных типов – Н и М (сердечный и мышечный), то активный может представлять собой одну из следующих комбинаций: НННН, НННМ, ННММ, НМММ, ММММ, или Н 4 , Н 3 М, Н 2 М 2 , НМ 3 , М 4 , соответствующую ЛДГ 1 , ЛДГ 2 , ЛДГ 3 , ЛДГ 4 и ЛДГ 5 . При этом синтез Н- и М-типов осуществляется различными и в разных органах экспрессируется по-разному.

В одних случаях субъединицы имеют почти идентичную структуру и каждая содержит каталитически активный участок (например, β-галакто-зидаза, состоящая из 4 субъединиц). В других случаях субъединицы оказываются неидентичными. Примером последних может служить трипто-фансинтаза, состоящая из 2 субъединиц, каждая из которых наделена собственной (но не основной) энзиматической , однако, только будучи объединенными в макромолекулярную структуру, обе субъединицы проявляют триптофансинтазную .

Термин «множественные формы » применим к , катализирующим одну и ту же и встречающимся в природе в одного вида. Термин « » применим только к тем множественным формам , которые появляются вследствие генетически обусловленных различий в (но не к формам, образовавшимся в результате модификации одной первичной последовательности).

Одним из наиболее изученных 4 , множественность форм которого детально изучена методом гель-электрофореза, является ЛДГ, катализирующая обратимое превращение в молочную. Пять ЛДГ образуются из 4 субъединиц примерно одинакового размера, но двух разных типов. Поскольку Н-протомеры несут более выраженный отрицательный заряд при рН 7,0–9,0, чем М-про-томеры, состоящий из 4 субъединиц Н-типа (Н 4), при будет мигрировать с наибольшей скоростью в электрическом поле к положительному (). С наименьшей скоростью будет продвигаться к М 4 , в то время как остальные изо-ферменты будут занимать промежуточные позиции. Следует подчеркнуть, что

ИЗОФЕРМЕНТЫ (син.: множественные формы ферментов, изозимы ) - молекулярные формы (разновидности) определенного фермента, отличающиеся только по физико-химическим свойствам; определение изофермент-ного спектра различных ферментов в сыворотке крови является одним из важных методов клин, энзимодиагностики. И. обнаружены в тканях человека, животных, растений и микроорганизмов. Известно св. 50 ферментов, представленных в виде И. в различных органах и тканях человека, животных и растений.

И. могут отличаться друг от друга по четвертичной структуре, т. е. по характеру и количеству субъединиц, входящих в состав их молекул, по электрофоретической подвижности, адсорбционным свойствам, сродству к субстрату, оптимальному значению pH, субклеточной локализации, специфичности в отношении коферментов (см.) и т. д. Так, напр., большинство органов и тканей человека и животных содержит пять И. лактатдегидрогеназы (ЛДГ), каждый из которых представляет собой различные комбинации из четырех субъединиц двух типов с мол. весом 34 500, условно обозначенных «Н» и «М» (см. Лактатдегидрогеназа). Оба типа субъединиц различаются по аминокислотному составу, последовательности остатков аминокислот в молекуле, иммунохим. и электрофоретическим свойствам. Синтез субъединиц контролируется двумя различными генами. Малатдегидрогеназа (МДГ) представлена в различных тканях человека и животных двумя И., один из которых локализован в митохондриях, а другой - в цитоплазме. Оба эти И. различаются по специфичности в отношении НАД и чувствительности к ингибиторам (напр., оксалату). И. изоцитратдегидрогеназы (ИЦДГ; КФ 1.1.1. 41 и 1.1.1.42) различаются по специфичности к коферментам (НАД и НАДФ), а также по субклеточной локализации: НАД-ИЦДГ локализована в митохондриях, а НАДФ-ИЦДГ и в митохондриях, и в цитоплазме. Митохондриальная и цитоплазматическая НАДФ-ИЦДГ различаются между собой по каталитическим, электрофоретическим и иммунохим. свойствам.

Для идентификации и разделения И. используют различные физ.-хим. методы исследования: различные виды электрофореза (см.), адсорбционную и ионообменную хроматографию (см.), гель-фильтрацию (см.) и др. Наиболее широкое распространение как самый доступный получил метод электрофореза в полиакриламидном геле (диск-электрофорез). Различия в электрофоретических свойствах являются основой для классификации многих И. Для обозначения И. приводится сокращенное название фермента с соответствующим подстрочным порядковым номером, который характеризует электрофоретическую подвижность И. при определенном значении pH. Напр., И. лактатдегидрогеназы обозначаются как ЛДГ1, ЛДГ2, ЛДГ3 и т. д.

Биол, значение наличия множественных форм ферментов еще не ясно. Предполагают, что И. играют определенную роль в регуляции метаболических процессов в клетке. Возможно, что И. обеспечивают приспособляемость организма к изменениям окружающей среды и обусловливают специфичность обмена, характерную именно для данной ткани. Поэтому многие ферменты, занимающие ключевые позиции в обмене веществ, имеют И. (ЛДГ, МДГ, ферменты, катализирующие окислительное фосфорилирование, различные аминотрансферазы). Возможно, что различные И. одного и того же фермента специфически катализируют прямую или обратную реакции определенной ферментативной реакции (см. Лактатдегидрогеназа). О важной роли И. в тонкой регуляции метаболических процессов свидетельствует изменение их спектра под влиянием ряда воздействий и физиол, факторов (денервации, различных гормонов, охлаждения, гипоксии и др.). Отмечено изменение в характере распределения различных И. в тканях человека и животных в эмбриогенезе. Однако для изученных ферментов пока не найдено специфических эмбриональных форм И.

Спектр И. в количественном и качественном отношении в различных тканях человека и животных различен и часто строго специфичен. Это имеет большое диагностическое значение. Поскольку биосинтез отдельных И. и их субъединиц контролируется различными генами, предполагают, что видоизменение гена влечет за собой появление атипичных И. в тканях и крови. Т. о., возникает возможность использования определения спектров И. для диагностики генетических аномалий. Ряд патол. процессов, особенно дегенеративно-деструктивного характера, связан с изменением проницаемости клеточных мембран, что является причиной изменения спектра И. в сыворотке крови больного. Поэтому определение И. в крови и тканях человека находит все более широкое применение в клинике. Для решения некоторых вопросов диагностики, патогенеза и терапии ряда заболеваний определение изоферментных спектров имеет существенное преимущество по сравнению с определением общей активности того или иного фермента. Наибольшее диагностическое значение имеет определение изофермент-ного спектра ЛДГ, который меняется при инфаркте миокарда (резко повышается активность ЛДГ1 и ЛДГ2). Изменения спектра И. ЛДГ в сыворотке крови сохраняются дольше, чем изменения суммарной активности фермента, и могут обнаруживаться тогда, когда общая активность ЛДГ возвращается к норме. Отклонения спектра И. ЛДГ от нормы отмечены при заболеваниях гепатобилиарной системы, при мышечных дистрофиях, опухолевых заболеваниях, остром лейкозе, патол, процессах в легких (острые очаговые и крупозная пневмонии, обострение хрон, пневмонии и др.)*

Диагностическим тестом служат также изменения спектров И. и других ферментов, напр, значительное увеличение катодных фракций МДГ (в особенности митохондриальной фракции) в сыворотке крови больных циррозом печени но сравнению с сывороткой крови больных хрон, гепатитом. Определение спектра И. и общей активности МДГ в крови находит широкое применение для диагностики и оценки тяжести асфиксии у новорожденных. Изменения активности И. кислой фосфатазы отмечаются при болезни Гоше (см. Гоше болезнь), раке предстательной железы и множественной миеломе. Для диагностики ряда заболеваний печени используют определение спектра И. щелочной фосфатазы (см. Фосфатазы).

Определение И. аминотрансфераз (см.) также имеет диагностическую ценность. В печени, почках, сердечной мышце человека обнаруживаются два И. аспартат-аминотрансферазы (КФ 2.6.1.1; АсАТ). Один из них локализуется в митохондриях, другой - в цитоплазме клеток. Ок. 79% всей активности АсАТ приходится на долю митохондриального И. и лишь 21% на долю цитоплазматического. При тяжелом течении болезни Боткина в сыворотке крови обнаруживается два И. АсАТ, тогда как в норме и при легком течении заболевания - только один.

При повреждениях скелетной мускулатуры, а также при инфаркте миокарда в сыворотке крови повышается активность креатинкиназы (см.), а также изменяется спектр ее И.

Библиография: Генетика изоферментов, под ред. Д. К. Беляева, М., 1977, библиогр.; Иванов И. И., Коровки н Б. Ф. и М а р к e л о в И. М. Введение в клиническую энзимологии), Л., 1974, библиогр.; Комаров Ф. И., Коровкин Б. Ф. и Меньшиков В. В. Биохимические исследования в клинике, Л., 1976; Ленинджср А. Биохимия, пер. с англ., с. 217 и др., М., 1976; Проблемы медицинской химии, под ред. В. С. Шапота и Э. Г. Ларского, с. 5, М., 1973; У и л к и н с о н Д. Изоферменты, пер. с англ., М., 1968; Успехи биологической химии, под ред. В. Л. Кретовича и др., т. 9, с. 55, М., 1972; Enzyme nomenclature, Amsterdam, 1965; К а р 1 a n N. О. Symposium on multiple forms of enzymes and control mechanisms, Bact. Rev., "v. 27, p. 155, 1963; Latner A. L. Isoenzymes, Advanc. clin. Chem., v. 9, p. 69, 1967.

Л. В. Павлихина.

Вопрос 2. Изоферменты. Понятие. Примеры изоформ лактатдегидрогеназы (ЛДГ) и креатинкиназы (КК). Реакции, катализируемые ЛДГ и КК. Значение определения активности изоферментов в сыворотке крови

Изоферменты, или изоэнзимы - ферменты, катализирующие один и тот же тип реакции с принципиально одинаковым механизмом, но отличающихся друг от друга кинетическими параметрами, условиями активации, особенностями связи апофермента и кофермента.

Природа появления изоферментов разнообразна, но чаще всего обусловлена различиями в структуре генов, кодирующих эти изоферменты. Следовательно, изоферменты различаются по первичной структуре белковой молекулы и, соответственно, по физико-химическим свойствам.

По своей структуре изоферменты в основном являются олигомерными белками. Причем та или иная ткань синтезирует преимущественно определенные виды протомеров. В результате определенной комбинации этих протомеров формируются ферменты с различной структурой - изомерные формы. Обнаружение определенных изоферментных форм ферментов позволяет использовать их для диагностики заболеваний.

Лактатдегидрогеназа (ЛДГ) - олигомерный белок с молекулярной массой 134000 Д. ЛДГ состоит из 4 пептидных цепей двух типов - M(от. англ. muscle) и H(от. англ.heart). Выделяют 5 изоформ ЛДГ, несколько отличающихся по химическим и физическим свойствам. В отличие от общей ЛДГ, изоформы фермента более или менее специфичны для разных тканей.

• · ЛДГ-1 (HHHH, H 4) - преобладает в сердце, почках и эритроцитах;
• · ЛДГ-2 (HHHM, H 3 M) - в сердце, селезенке и лимфатических узлах; кребс изоформа кровь метаболический
• · ЛДГ-3 (HHMM, H 2 M 2) - в легких;
• · ЛДГ-4 (HMMM, HM 3) - в поджелудочной железе, плаценте;
• · ЛДГ-5 (MMMM, M 4) - в печени и скелетных мышцах.

Появление в эволюции различных изоформ ЛДГ обусловлено особенностями окислительного метаболизма тканей. Изоферменты ЛДГ4 и ЛДГ5 (м-типы) работают эффективно в анаэробных условиях, ЛДГ1 и ЛДГ2 (Н-типы) - в аэробных, когда пируват быстро окисляется до СО2 и Н2О, а не восстанавливается до молочной кислоты.

Фермент лактатдегидрогеназа (ЛДГ) катализирует обратимую реакцию окисления лактата (молочной кислоты) до пирувата (пировиноградной кислоты)

При ряде заболеваний исследуют активность ЛДГ в плазме крови. В норме активность ЛДГ составляет 170 - 520 ЕД/л. Повышение активности определенных изоформ ЛДГ наблюдают при поражениях сердца, печени, почек, а также при мегалобластных и гемолитических анемиях. Для постановки диагноза необходимо исследование изоформ ЛДГ в плазме крови методом электрофореза. Выявление в плазме крови тканеспецифических изоформ ЛДГ широко используется в качестве диагностического теста. При поражении печени в крови повышается активность ЛДГ 5 , а при инфаркте миокарда - ЛДГ 1 .

Креатинкиназа (КК) - это фермент, который катализирует реакцию переноса фосфорильного остатка с АТФ на креатинин с образованием креатинфосфата и АДФ. АТФ (аденозинтрифосфат) - молекула, являющаяся источником энергии в биохимических реакциях человеческого организма.

Реакция, катализируемая креатинкиназой, обеспечивает энергией мышечные сокращения. Различают креатинкиназу, содержащуюся в митохондриях и цитоплазме клеток.

Молекула креатинкиназы состоит из двух частей, которые могут быть представлены одной из двух субъединиц: М, от английского muscle - "мышца", и B, brain - "мозг". Таким образом, в организме человека креатинкиназа есть в виде трёх изомеров: ММ, МВ, ВВ. ММ-изомер содержится в скелетной мускулатуре и миокарде, МВ - в основном в миокарде, ВВ - в тканях головного мозга, в небольшом количестве в любых клетках организма.

Активность КК в норме не должна превышать 90 МЕ/л. Определение активности КК в плазме крови имеет диагностическое значение при инфаркте миокарда (происходит повышение уровня МВ-изоформы). Количество изоформы ММ может повышаться при травмах и повреждениях скелетных мышц. Изоформа ВВ не может проникнуть через гематоэнцефалический барьер, поэтому в крови практически не определяется даже при инсультах и диагностического значения не имеет.

8.7.1. В клеточном содержимом ферменты распределены не хаотически, а строго упорядоченно. При помощи внутриклеточных мембран клетка разделена на отсеки или компартменты (рисунок 8.18). В каждом из них осуществляются строго определенные биохимические процессы и сосредоточены соответствующие ферменты или полиферментные комплексы. Вот несколько характерных примеров.

Рисунок 8.18. Внутриклеточное распределение ферментов различных метаболических путей.

В лизосомах сосредоточены преимущественно разнообразные гидролитические ферменты. Здесь протекают процессы расщепления сложных органических соединений на их структурные компоненты.

В митохондриях находятся сложные системы окислительно-восстановительных ферментов.

Ферменты активирования аминокислот распределены в гиалоплазме, но они же есть и в ядре. В гиалоплазме присутствуют многочисленные метаболоны гликолиза, структурно объединенные с таковыми пентозофосфатного цикла, что обеспечивает взаимосвязь дихотомического и апотомического путей распада углеводов.

В то же время ферменты, ускоряющие перенос аминокислотных остатков на растущий конец полипептидной цепи и катализирующие некоторые другие реакции в процессе биосинтеза белка, сосредоточены в рибосомальном аппарате клетки.

В клеточном ядре локализованы в основном нуклеотидилтрансферазы, ускоряющие реакцию переноса нуклеотидных остатков при новообразовании нуклеиновых кислот.

8.7.2. Распределение ферментов по субклеточным органеллам изучают после предварительного фракционирования клеточных гомогенатов путем высокоскоростного центрифугирования, определяя содержание ферментов в каждой фракции.

Локализацию данного фермента в ткани или клетке часто удается установить in situ гистохимическими методами («гистоэнзимология»). Для этого тонкие (от 2 до 10 мкм) срезы замороженной ткани обрабатывают раствором субстрата, к которому специфичен данный фермент. В тех местах, где находится фермент, образуется продукт катализируемой этим ферментом реакции. Если продукт окрашен и нерастворим, он остается на месте образования и позволяет локализовать фермент. Гистоэнзимология дает наглядную и в известной мере физиологичную картину распределения ферментов.

Ферментные системы ферментов, сосредоточенные во внутриклеточных структурах, тонко координированы друг с другом. Взаимосвязь катализируемых ими реакций обеспечивает жизнедеятельность клеток, органов, тканей и организма в целом.

При исследовании активности различных ферментов в тканях здорового организма можно получить картину их распространения. Оказывается, что некоторые ферменты широко распространены во многих тканях, но в разных концентрациях, а другие очень активны в экстрактах, полученных из одной или нескольких тканей, и практически отсутствуют в остальных тканях организма.

Рисунок 8.19. Относительная активность некоторых ферментов в тканях человека, выраженная в процентах от активности в ткани с максимальной концентрацией данного фермента (Мосс, Баттерворт, 1978).

8.7.3. Понятие об энзимопатиях. В 1908 году английский врач Арчибальд Гаррод высказал предположение, что причиной ряда заболеваний может являться отсутствие какого-либо из ключевых ферментов, участвующих в обмене веществ. Он ввёл понятие "inborn errors of metabolism" (врождённый дефект обмена веществ). В дальнейшем эта теория была подтверждена новыми данными, полученными в области молекулярной биологии и патологической биохимии.

Информация о последовательности аминокислот в полипептидной цепи белка записана в соответствующем участке молекулы ДНК в виде последовательности тринуклеотидных фрагментов - триплетов или кодонов. Каждый триплет кодирует определённую аминокислоту. Такое соответствие называется генетическим кодом. Причём некоторые аминокислоты могут быть закодированы при помощи нескольких кодонов. Существуют также специальные кодоны, являющиеся сигналами для начала синтеза полипептидной цепи и его прекращения. К настоящему времени генетический код полностью расшифрован. Он является универсальным для всех видов живых организмов.

Реализация информации, заложенной в молекуле ДНК, включает несколько этапов. Сначала в клеточном ядре в процессе транскрипции синтезируется матричная РНК (мРНК), поступающая в цитоплазму. В свою очередь, мРНК служит матрицей для трансляции - синтеза полипептидных цепей на рибосомах. Таким образом, природа молекулярных болезней определяется нарушением структуры и функции нуклеиновых кислот и контролируемых ими белков.

8.7.4. Поскольку информация о структуре всех белков клетки содержится в последовательности нуклеотидов ДНК, а каждая аминокислота определяется триплетом нуклеотидов, изменение первичной структуры ДНК может в конечном счёте оказать глубокое влияние на синтезируемый белок. Подобные изменения происходят за счёт ошибок репликации ДНК, когда одно азотистое основание заменяется другим, либо в результате действия радиации или при химической модификации. Все возникшие таким образом наследуемые дефекты называются мутациями . Они могут приводить к неправильному считыванию кода и делеции (выпадению) ключевой аминокислоты, замене одной аминокислоты другой, преждевременной остановке белкового синтеза или добавлению аминокислотных последовательностей. Учитывая зависимость пространственной упаковки белка от линейной последовательности в нём аминокислот, можно полагать, что подобные дефекты способны изменить структуру белка, а значит, и его функцию. Тем не менее, многие мутации обнаруживаются только в лабораторных условиях и не оказывают вредного воздействия на функции белка. Таким образом, ключевым моментом является локализация изменений в первичной структуре. Если положение замененной аминокислоты окажется критическим для формирования третичной структуры и образования каталитического центра фермента, то мутация является серьёзной и может проявиться как заболевание.

Последствия недостаточности одного фермента в цепи реакций обмена веществ могут проявляться по-разному. Предположим, что превращение соединения A в соединение B катализирует фермент Е и что соединение C встречается на альтернативном пути превращений (рисунок 8.20):

Рисунок 8.20. Схема альтернативных путей биохимических превращений.

Последствиями недостаточности фермента могут быть следующие явления:

1. недостаточность продукта ферментативной реакции (B ). В качестве примера можно указать на снижение содержания глюкозы в крови при некоторых формах гликогенозов;
2. накопление вещества (A ), превращение которого катализирует фермент (например, гомогентизиновая кислота при алкаптонурии). При многих лизосомных болезнях накопления, вещества, в норме подвергающиеся гидролизу в лизосомах, накапливаются в них в связи с недостаточностью одного из ферментов;
3. отклонение на альтернативный путь с образованием некоторых биологически активных соединений (C ). К этой группе явлений относится экскреция с мочой фенилпировиноградной и фенилмолочной кислот, образующихся в организме больных фенилкетонурией в результате активации вспомогательных путей распада фенилаланина.

Если метаболическое превращение в целом регулируется по принципу обратной связи конечным продуктом, то эффекты двух последних типов аномалий будут более значительными. Так, например, при порфириях (врождённых нарушениях синтеза гема) устраняется подавляющего эффекта гема на начальные реакции синтеза, что приводит к образованию избыточных количеств промежуточных продуктов метаболического пути, которые обладают токсическим действием на клетки кожи и нервной системы.

Факторы внешней среды могут усиливать или даже полностью определять клинические проявления некоторых врождённых нарушений обмена веществ. Например, у многих пациентов с недостаточностью глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы заболевание начинается только после приёма таких лекарственных средств, как примахин. В отсутствие контактов с лекарственными средствами такие люди производят впечатление здоровых.

8.7.5. О недостаточности фермента обычно судят косвенно по повышению концентрации исходного вещества, которое в норме подвергается превращениям под действием данного фермента (например, фенилаланин при фенилкетонурии). Прямое определение активности таких ферментов проводят только в специализированных центрах, но по возможности диагноз следует подтверждать этим методом. Пренатальная (дородовая) диагностика некоторых врождённых нарушений метаболизма возможна путём иследования клеток амниотической жидкости, полученных на ранних стадиях беременности и культивируемых in vitro.

Некоторые врождённые нарушения метаболизма поддаются лечению путём доставки в организм недостающего метаболита или путём ограничения поступления в желудочно-кишечный тракт предшественников нарушенных процессов обмена веществ. Иногда могут быть удалены накапливающиеся продукты (например, железо при гемохроматозе).

Большинство ферментов представлены в клетках организма в виде множественных молекулярных форм, называемых изоферментами или изоэнзимами . Изоферменты – это сходные по структуре белковые молекулы, способные катализировать одну и ту же биохимическую реакцию, но различающиеся по первичной структуре входящих в их состав полипептидов. Они имеют одинаковую структуру каталитического центра, вследствие чего обладают одним типом субстратной специфичности. Изоферменты одного и того же фермента отличаются оптимумами рН, температуры, других условий внешней среды, по их молярной активности, но все они катализируют одну и ту же реакцию. Когда из клеток организма выделяют какой-либо фермент и определяют его активность, то всегда имеют дело с конкретными изоферментами данного фермента.

Молекулы ферментов чаще всего представляют собой олигомеры, построенные из двух или нескольких полипептидов, которые в той или иной степени различаются первичными структурами, но имеют однотипную третичную структуру и поэтому при взаимодействии образуют функционально родственные белки. Как было показано ранее, различающиеся первичными структурами полипептиды в составе олигомерных молекул кодируются разными генами, в связи с чем природа и набор изоферментов определяются генотипом организма.

Впервые механизм образования изоферментов был выяснен при изучении множественных молекулярных форм фермента лактатдегидрогеназы, катализирующего превращение молочной кислоты в пировиноградную в клетках человека и животных:

СН 3 – СН(ОН) – СООН ¾® СН 3 – С – СООН

В ходе исследований были выделены кристаллические препараты лактатдегидрогеназы из клеток печени, сердечной мышцы и скелетных мышц и подвергнуты разделению методом электрофореза в щелочной буферной системе (рН 8,8). В таких условиях молекулы фермента имеют отрицательный заряд и в зависимости от величины заряда проявляют разную подвижность в направлении к аноду. В процессе электрофоретического разделения было выделено пять белковых фракций, каждая из которых представляла собой тетрамерные молекулы с молекулярной массой около 140 тыс., образованные из различных комбинаций двух типов полипептидов, обозначаемых Н и М . Полипептиды Н наиболее активно синтезируются в сердечной мышце и печени и больше содержат в своем составе остатков моноаминодикарбоновых кислот. Второй тип полипептидов М преимущественно синтезируется в скелетных мышцах и они характеризуются меньшим содержанием дикарбоновых аминокислот. С участием указанных типов полипептидов образуется пять разновидностей ферментных молекул, являющихся изоферментами лактатдегидрогеназы: Н 4 , Н 3 М , Н 2 М 2 , НМ 3 , М 4 . Каждая молекула изофермента как тетрамер состоит из 4 полипептидов, которые могут быть идентичными (Н 4 и М 4 ) или разными (Н 3 М , Н 2 М 2 , НМ 3 ). Количественное содержание каждого изофермента в данной ткани зависит от концентрации в ней полипептидов Н и М .

Вследствие того, что полипептиды Н содержат больше в своем составе остатков дикарбоновых аминокислот, тетрамер Н 4 при рН среды 8,8 имеет наибольший отрицательный заряд, вследствие чего быстрее движется к аноду в процессе электрофореза (рис. 19)

Тетрамер М 4 характеризуется наименьшей подвижностью к аноду, так как его молекулы построены из полипептидов с меньшим содержанием дикарбоновых аминокислот. Другие изоферменты распределяются при электрофорезе между фракциями Н 4 и М 4 в зависимости от числа полипептидов Н и М в их молекулах.

На примере лактатдегидрогиназы мы видим, если молекула фермента - тетрамер, образованный из двух типов полипептидов, то возникают пять изоферментов. Но если молекулы тетрамерного фермента формируются из трех типов полипептидов, например А , Б и В , тогда возникают следующие комбинации полипептидов в молекуле: А 4 , Б 4 , В 4 , А 3 Б , А 3 В , А 2 Б 2 , А 2 В 2 , А 2 БВ , АБ 3 , АВ 3 , АБ 2 В , АБВ 2 , Б 3 В , В 3 Б , Б 2 В 2 . На этом примере видно, что набор изоферментов заметно возрастает при увеличении числа разных полипептидов, из которых строятся молекулы белка–фермента. Набор изоферментов также увеличивается при возрастании степени олигомерности молекулы фермента. Так, у лактатдегидрогиназы из двух разных полипептидов строятся тетрамерные молекулы и возникают 5 изоферментов, а у гексамерного белка из двух типов полипептидов образуются уже семь изоферментов, у октамерного белка – 9 и т.д. Таким образом, общий набор изоферментов данного ферментного белка определяется степенью олигомерности его молекулы и числом разных полипептидов, из которых образуются молекулы белка. Следует отметить, что к изоферментам не относятся молекулы фермента, измененные в результате повреждения структуры белка или модификации его молекул путем присоединения активных группировок (так называемая посттрансляционная модификация белков).

Поскольку изоферменты – это определенный набор белковых молекул, способных катализировать превращение одного и того же субстрата, то для их выявления используют методы разделения, принятые для белков, с последующим определением каталитической активности. Наиболее часто для разделения изоферментов используют метод электрофореза в полиакриламидном геле, который по сравнению с другими методами имеет наиболее высокую разрешающую способность. При разделении этим методом можно выявить изоферменты, различающиеся по суммарному заряду молекулы, который определяется содержанием в белке остатков моноаминодикарбоновых кислот. Если же в составе организма имеются генетические варианты молекул фермента, у которых различия в аминокислотном составе не приводят к изменению заряда молекулы, то для их разделения используют модификации электрофореза, основанные на других принципах, например, изоэлектрофокусирование белков.

Особенно большое разнообразие множественных молекулярных форм наблюдается у растительных ферментов. Практически каждый фермент представлен в растении в виде набора изоферментов, каждый из которых проявляет каталитическую активность в строго определенных условиях, зависящих от внутренней физиологической среды, что позволяет организму обеспечивать специфичность обмена веществ в данном органе, ткани или внутриклеточном компартменте (межклеточном отсеке). Так, например, в листьях и корнях растений разная физиологическая среда, но в них может проходить одна и та же реакция за счет того, что ее катализируют разные изоферменты данного фермента.

В процессе роста и развития растений постоянно изменяется внутренняя физиологическая среда и внешние условия, в соответствии с этим изменяется и набор изоферментов каждого фермента. Особенно заметно наблюдаются качественные и количественные изменения состава изоферментов при созревании и прорастании семян.

На рис. 21 показаны электрофореграммы изоферментов a-амилазы созревающего, зрелого и прорастающего зерна пшеницы, различающихся по их подвижности к аноду. При сравнении электорофореграмм видно, что в созревающем зерне пшеницы амилолитическую активность имеют четыре, изофермента с низкой подвижностью к аноду, а в прорастающем зерне также четыре, но уже других по электрофоретической подвижности изофермента. Вследствие того, что при созревании зерна происходит связывание амилаз белковыми ингибиторами в неактивный комплекс, в полностью созревшем зерне при благоприятных погодных условиях выявляется слабая амилолитическая активность только одного изофермента a-амилазы. Однако в зерновках, сформировавшихся при влажной погоде, активность большинства изоферментов a - амилаз, выявленных в созревающем зерне, сохраняется.

Наличие в клетках организма множественных молекулярных форм одного и того же фермента, проявляющих каталитическую активность при разных физиологических условиях позволяет организму осуществлять с необходимой интенсивностью биохимические процессы при изменении условий внешней среды.

Когда изменяются внешние условия, то они становятся неблагоприятными для проявления каталитической активности определенных изоферментов, но биохимическая реакция не прекращается, так как вступают в действие другие изоферменты, которые способны катализировать данное превращение в изменившихся условиях. Если появляется новый изофермент, то он расширяет диапазон выживаемости организма. Чем больше набор изоферментов, тем шире диапазон их действия и лабильнее происходит адаптация организма к неблагоприятным факторам внешней среды.

Изучение ферментных систем растений показывает, что специфичность обмена веществ у разных генотипов обеспечивается характерным для каждого генотипа набором изоферментов. Чем ближе генотипы растений в систематическом отношении, тем меньше различается у них изоферментный состав ферментов. В связи с этим изоферментный анализ довольно успешно применяется для уточнения систематики живых организмов, выявления филогенетического родства между видами и сортами растений, а также проверки генетической чистоты или, наоборот, генетического разнообразия растительной популяции.