isoenzima

En bioquímica , las isoenzimas (también conocidas como isoformas o, más generalmente, como formas múltiples de enzimas ) son enzimas que difieren en su secuencia de aminoácidos, pero catalizan la misma reacción química. Las isoenzimas suelen tener parámetros cinéticos diferentes (por ejemplo, valores de Km distintos ₎ o se regulan de forma diferente. Permiten ajustar con precisión el metabolismo para satisfacer las necesidades específicas de un tejido o una etapa de desarrollo determinados.

En muchos casos, las isoenzimas están codificadas por genes homólogos que han divergido con el tiempo. Estrictamente hablando, las enzimas con secuencias de aminoácidos diferentes que catalizan la misma reacción son isoenzimas si están codificadas por genes diferentes, o aloenzimas si están codificadas por alelos diferentes del mismo gen ; ambos términos se suelen usar indistintamente.

Las isoenzimas fueron descritas por primera vez por RL Hunter y Clement Markert (1957), quienes las definieron como diferentes variantes de la misma enzima con funciones idénticas y presentes en el mismo individuo . ^{[ 1 ]} Esta definición abarca (1) variantes enzimáticas que son producto de diferentes genes y, por lo tanto, representan diferentes loci (descritas como isoenzimas ) y (2) enzimas que son producto de diferentes alelos del mismo gen (descritas como aloenzimas ). ^{[ 2 ]}

Las isoenzimas suelen ser el resultado de la duplicación génica , pero también pueden surgir de la poliploidización o la hibridación de ácidos nucleicos . A lo largo del tiempo evolutivo, si la función de la nueva variante permanece idéntica a la original, es probable que una u otra se pierda a medida que se acumulan mutaciones , dando lugar a un pseudogén . Sin embargo, si las mutaciones no impiden inmediatamente el funcionamiento de la enzima, sino que modifican su función o su patrón de expresión , ambas variantes pueden ser favorecidas por la selección natural y especializarse en funciones diferentes. ^{[ 3 ]} Por ejemplo, pueden expresarse en diferentes etapas del desarrollo o en diferentes tejidos. ^{[ 4 ]}

Las aloenzimas pueden ser el resultado de mutaciones puntuales o de eventos de inserción-deleción ( indel ) que afectan la secuencia codificante del gen. Al igual que con cualquier otra mutación nueva, hay tres cosas que pueden sucederle a una nueva aloenzima:

• Lo más probable es que el nuevo alelo no sea funcional, en cuyo caso probablemente resultará en una baja aptitud y será eliminado de la población por selección natural . ^{[ 5 ]}
• Alternativamente, si el residuo de aminoácido que se modifica se encuentra en una parte relativamente poco importante de la enzima (por ejemplo, lejos del sitio activo ), entonces la mutación puede ser selectivamente neutra y estar sujeta a deriva genética . ^{[ 6 ]}
• En casos excepcionales, la mutación puede dar lugar a una enzima más eficiente o que catalice una reacción química ligeramente diferente , en cuyo caso la mutación puede provocar un aumento de la aptitud y ser favorecida por la selección natural. ^{[ 6 ]}

Un ejemplo de isoenzima es la glucocinasa , una variante de la hexocinasa que no es inhibida por la glucosa-6-fosfato . Sus diferentes características reguladoras y su menor afinidad por la glucosa (en comparación con otras hexocinasas) le permiten desempeñar distintas funciones en células de órganos específicos, como el control de la liberación de insulina por las células beta del páncreas o el inicio de la síntesis de glucógeno por las células hepáticas . Ambos procesos solo pueden ocurrir cuando la glucosa es abundante.

1.) La enzima lactato deshidrogenasa es un tetrámero formado por dos subunidades diferentes, la forma H y la forma M. Estas se combinan en diferentes combinaciones según el tejido: ^{[ 7 ]}

2.) Isoenzimas de la creatina fosfoquinasa: ^{[ 7 ]} La creatina quinasa (CK) o creatina fosfoquinasa (CPK) cataliza la interconversión de fosfocreatina a creatina.

La CPK existe en 3 isoenzimas. Cada isoenzima es un dímero de 2 subunidades M (músculo), B (cerebro) o ambas ^{[ 7 ].}

3.) Isoenzimas de la fosfatasa alcalina: ^{[ 7 ]} Se han identificado seis isoenzimas. La enzima es un monómero; las isoenzimas se deben a las diferencias en el contenido de carbohidratos (residuos de ácido siálico). Las isoenzimas de ALP más importantes son α ₁ -ALP, α ₂ -ALP termolábil, α ₂ -ALP termoestable, pre-β ALP y γ-ALP. Un aumento en α ₂ -ALP termolábil sugiere hepatitis, mientras que pre-β ALP indica enfermedades óseas.

Las isoenzimas (y aloenzimas) son variantes de la misma enzima. A menos que sean idénticas en sus propiedades bioquímicas, por ejemplo, en sus sustratos y cinética enzimática , pueden distinguirse mediante un ensayo bioquímico . Sin embargo, estas diferencias suelen ser sutiles, especialmente entre aloenzimas , que a menudo son variantes neutras . Esta sutileza es previsible, ya que es improbable que dos enzimas con funciones significativamente diferentes hayan sido identificadas como isoenzimas .

Aunque las isoenzimas pueden ser casi idénticas en su función, pueden diferir en otros aspectos. En particular, las sustituciones de aminoácidos que modifican la carga eléctrica de la enzima son fáciles de identificar mediante electroforesis en gel , lo que constituye la base para el uso de isoenzimas como marcadores moleculares . Para identificar las isoenzimas, se prepara un extracto proteico crudo moliendo tejido animal o vegetal con un tampón de extracción, y los componentes del extracto se separan según su carga mediante electroforesis en gel. Históricamente, esto se ha realizado generalmente con geles elaborados con almidón de patata , pero los geles de acrilamida ofrecen una mejor resolución.

Todas las proteínas del tejido están presentes en el gel, por lo que las enzimas individuales deben identificarse mediante un ensayo que vincule su función a una reacción de tinción. Por ejemplo, la detección puede basarse en la precipitación localizada de colorantes indicadores solubles, como las sales de tetrazolio , que se vuelven insolubles al ser reducidas por cofactores como NAD o NADP , generados en zonas de actividad enzimática. Este método de ensayo requiere que las enzimas sigan siendo funcionales después de la separación ( electroforesis en gel nativo ) y representa el mayor desafío para el uso de isoenzimas como técnica de laboratorio.

Las isoenzimas difieren en su cinética (tienen diferentes valores de K _M y V _max ).

La genética de poblaciones es esencialmente un estudio de las causas y los efectos de la variación genética dentro y entre poblaciones, y en el pasado, las isoenzimas han estado entre los marcadores moleculares más utilizados para este propósito. Aunque ahora han sido reemplazadas en gran medida por enfoques basados ​​en ADN más informativos (como la secuenciación directa de ADN , los polimorfismos de un solo nucleótido y los microsatélites ), todavía se encuentran entre los sistemas de marcadores más rápidos y económicos de desarrollar, y permanecen ( a partir de 2005) una excelente opción para proyectos que solo necesitan identificar bajos niveles de variación genética, por ejemplo, cuantificar sistemas de apareamiento .

• Las isoenzimas del citocromo P450 desempeñan funciones importantes en el metabolismo y la esteroidogénesis .
• Las múltiples isoformas de la fosfodiesterasa desempeñan funciones cruciales en diversos procesos biológicos. Si bien se han encontrado varias isoformas de estas enzimas en las células individuales, su distribución en las distintas células de un organismo es desigual. Desde el punto de vista clínico, se ha observado que se activan e inhiben selectivamente, lo que ha propiciado su uso en terapia.

• Hunter, RL; Merkert, CL (1957). "Demostración histoquímica de enzimas separadas por electroforesis zonal en geles de almidón". Science . 125 (3261): 1294– 1295. doi : 10.1126/science.125.3261.1294-a . PMID 13432800 . 
• Weiss, B.; Hait, WN (1977). "Inhibidores selectivos de la fosfodiesterasa de nucleótidos cíclicos como posibles agentes terapéuticos". Annu. Rev. Pharmacol. Toxicol . 17 : 441–477 . doi : 10.1146/annurev.pa.17.040177.002301 . PMID 17360 . 
• Wendel, JF y NF Weeden. 1990. «Visualización e interpretación de isoenzimas vegetales». págs.  5-45 en DE Soltis y PS Soltis , eds. Isoenzimas en biología vegetal. Chapman and Hall, Londres.
• Weeden, NF y JF Wendel. 1990. «Genética de las isoenzimas vegetales». págs.  46-72 en DE Soltis y PS Soltis , eds. Isoenzimas en biología vegetal. Chapman and Hall, Londres.
• Crawford, DJ. 1989. "Electroforesis enzimática y sistemática vegetal". pp.  146–164 en DE Soltis y PS Soltis , eds. Isoenzimas en biología vegetal. Dioscórides, Portland, Oregón.
• Hamrick, JL y MJW Godt. 1990. «Diversidad de aloenzimas en especies vegetales». págs.  43-63 en AHD Brown, MT Clegg, AL Kahler y BS Weir, eds. Genética de poblaciones vegetales, mejora genética y recursos genéticos. Sinauer, Sunderland.
• Bioquímica por Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko, Lubert Stryer (Introducción tomada de este libro de texto)

Específico

• Técnicas de electroforesis de aloenzimas : una guía completa para la electroforesis en gel de almidón.
• Desarrollo de nuevas terapias específicas para isoenzimas : dioxigenasas de ácidos grasos y hormonas eicosanoides (Estonia)