إنزيم متماثل

في الكيمياء الحيوية ، تُعرف الإنزيمات المتماثلة (أو الإنزيمات المتشابهة أو بشكل أعم باسم الأشكال المتعددة للإنزيمات أو الأشكال المتماثلة) بأنها إنزيمات تختلف في تسلسل الأحماض الأمينية ولكنها تحفز نفس التفاعل الكيميائي. عادةً ما تمتلك الإنزيمات المتماثلة معايير حركية مختلفة (مثل قيم K_{_M} مختلفة )، أو تخضع لتنظيم مختلف. وهي تسمح بضبط دقيق لعملية الأيض لتلبية الاحتياجات الخاصة لنسيج معين أو مرحلة نمو معينة.

في كثير من الحالات، تُشفَّر الإنزيمات المتماثلة بواسطة جينات متماثلة تباعدت عبر الزمن. وبدقة، تُسمى الإنزيمات ذات التسلسلات المختلفة من الأحماض الأمينية التي تحفز التفاعل نفسه إنزيمات متماثلة إذا كانت مشفرة بواسطة جينات مختلفة، أو إنزيمات متغايرة إذا كانت مشفرة بواسطة أليلات مختلفة من الجين نفسه ؛ وغالبًا ما يُستخدم المصطلحان بشكل متبادل.

وُصفت الإنزيمات المتماثلة لأول مرة من قِبل آر. إل. هنتر وكليمنت ماركرت (1957)، حيث عرّفاها بأنها أشكال مختلفة من الإنزيم نفسه، لها وظائف متطابقة وتوجد في الفرد نفسه . ^{[ 1 ]} يشمل هذا التعريف (1) أشكال الإنزيم الناتجة عن جينات مختلفة، وبالتالي تمثل مواقع جينية مختلفة (تُسمى الإنزيمات المتماثلة )، و(2) الإنزيمات الناتجة عن أليلات مختلفة من الجين نفسه (تُسمى الإنزيمات المتغايرة ). ^{[ 2 ]}

تنتج الإنزيمات المتماثلة عادةً عن تضاعف الجينات ، ولكنها قد تنشأ أيضًا من تعدد الصيغ الصبغية أو تهجين الأحماض النووية . مع مرور الزمن التطوري، إذا بقيت وظيفة المتغير الجديد مطابقةً للأصل، فمن المرجح أن يفقد أحدهما أو الآخر مع تراكم الطفرات ، مما يؤدي إلى ظهور جين كاذب . مع ذلك، إذا لم تمنع الطفرات الإنزيم من العمل فورًا، بل عدّلت وظيفته أو نمط تعبيره ، فقد يُفضّل الانتقاء الطبيعي كلا المتغيرين ويتخصصان في وظائف مختلفة. ^{[ 3 ]} على سبيل المثال، قد يُعبَّر عنهما في مراحل نمو مختلفة أو في أنسجة مختلفة. ^{[ 4 ]}

قد تنشأ الأنزيمات المتغايرة من طفرات نقطية أو من أحداث إدخال/حذف ( indel ) تؤثر على التسلسل المشفر للجين. وكما هو الحال مع أي طفرات جديدة أخرى، هناك ثلاثة أمور قد تحدث للإنزيم المتغاير الجديد:

• من المرجح أن يكون الأليل الجديد غير وظيفي، وفي هذه الحالة من المحتمل أن يؤدي إلى انخفاض اللياقة البدنية وإزالته من المجموعة السكانية عن طريق الانتقاء الطبيعي . ^{[ 5 ]}
• بدلاً من ذلك، إذا كان الحمض الأميني الذي تم تغييره موجودًا في جزء غير مهم نسبيًا من الإنزيم (على سبيل المثال، بعيدًا عن الموقع النشط )، فقد تكون الطفرة محايدة انتقائيًا وتخضع للانحراف الوراثي . ^{[ 6 ]}
• في حالات نادرة، قد تؤدي الطفرة إلى إنزيم أكثر كفاءة، أو إنزيم قادر على تحفيز تفاعل كيميائي مختلف قليلاً ، وفي هذه الحالة قد تتسبب الطفرة في زيادة اللياقة، وتحظى بتفضيل الانتقاء الطبيعي. ^{[ 6 ]}

من الأمثلة على الإنزيمات المتماثلة إنزيم جلوكوكيناز ، وهو نوع من إنزيم هيكسوكيناز لا يُثبَّط بواسطة جلوكوز 6-فوسفات . تسمح له خصائصه التنظيمية المختلفة وانخفاض ألفته للجلوكوز (مقارنةً بأنواع هيكسوكيناز الأخرى) بأداء وظائف مختلفة في خلايا أعضاء محددة، مثل تنظيم إفراز الأنسولين من خلايا بيتا في البنكرياس ، أو بدء تخليق الجليكوجين في خلايا الكبد . ولا تحدث هاتان العمليتان إلا في وجود الجلوكوز بوفرة.

1) إنزيم نازعة هيدروجين اللاكتات هو رباعي يتكون من وحدتين فرعيتين مختلفتين، هما الشكل H والشكل M. وتتحد هاتان الوحدتان بتراكيب مختلفة تبعًا لنوع النسيج: ^{[ 7 ]}

2) الإنزيمات المتماثلة لـ كرياتين فوسفوكيناز: ^{[ 7 ]} يقوم كرياتين كيناز (CK) أو كرياتين فوسفوكيناز (CPK) بتحفيز التحويل المتبادل للفوسفوكرياتين إلى كرياتين.

يوجد إنزيم CPK في 3 أشكال متماثلة. كل شكل متماثل عبارة عن ثنائي من وحدتين فرعيتين M (العضلات)، B (الدماغ) أو كليهما ^{[ 7 ]}

3) الإنزيمات المتماثلة للفوسفاتاز القلوي: ^{[ 7 ]} تم تحديد ستة إنزيمات متماثلة. الإنزيم عبارة عن مونومر، وتعود الإنزيمات المتماثلة إلى الاختلافات في محتوى الكربوهيدرات (بقايا حمض السياليك). أهم إنزيمات الفوسفاتاز القلوي هي: α1 _- ALP، وα2 _- ALP غير المستقر حراريًا، وα2 _- ALP المستقر حراريًا، وpre-β-ALP، وγ-ALP. تشير الزيادة في α2- _ALP غير المستقر حراريًا إلى التهاب الكبد، بينما يشير pre-β-ALP إلى أمراض العظام.

الإنزيمات المتماثلة (والإنزيمات المتغايرة) هي أشكال مختلفة من الإنزيم نفسه. ما لم تكن متطابقة في خصائصها الكيميائية الحيوية، مثل ركائزها وحركية الإنزيم ، يمكن تمييزها بواسطة فحص كيميائي حيوي . مع ذلك، عادةً ما تكون هذه الاختلافات طفيفة، لا سيما بين الإنزيمات المتغايرة التي غالبًا ما تكون أشكالًا محايدة . هذا التفاوت الطفيف متوقع، لأنه من غير المرجح أن يُصنف إنزيمان يختلفان اختلافًا كبيرًا في وظيفتهما على أنهما إنزيمات متماثلة .

على الرغم من أن الإنزيمات المتماثلة قد تكون متطابقة تقريبًا في وظيفتها، إلا أنها قد تختلف في جوانب أخرى. على وجه الخصوص، يسهل تحديد استبدالات الأحماض الأمينية التي تُغير الشحنة الكهربائية للإنزيم باستخدام الرحلان الكهربائي الهلامي ، وهذا ما يُشكل أساس استخدام الإنزيمات المتماثلة كعلامات جزيئية . لتحديد الإنزيمات المتماثلة، يُحضّر مستخلص بروتيني خام عن طريق طحن أنسجة حيوانية أو نباتية مع محلول استخلاص، ثم تُفصل مكونات المستخلص وفقًا لشحنتها باستخدام الرحلان الكهربائي الهلامي. تاريخيًا، كان يُستخدم عادةً هلام مصنوع من نشا البطاطس ، لكن هلام الأكريلاميد يُوفر دقة فصل أفضل.

تتواجد جميع البروتينات من النسيج في الهلام، لذا يجب تحديد الإنزيمات الفردية باستخدام فحص يربط وظيفتها بتفاعل التلوين. على سبيل المثال، يمكن أن يعتمد الكشف على الترسيب الموضعي لأصباغ مؤشرة قابلة للذوبان ، مثل أملاح التترازوليوم ، التي تصبح غير قابلة للذوبان عند اختزالها بواسطة عوامل مساعدة مثل NAD أو NADP ، والتي تتولد في مناطق نشاط الإنزيم. تتطلب طريقة الفحص هذه أن تظل الإنزيمات فعالة بعد الفصل ( الرحلان الكهربائي الهلامي الأصلي )، وهو ما يمثل التحدي الأكبر لاستخدام الإنزيمات المتماثلة كتقنية مخبرية.

تختلف الإنزيمات المتماثلة في حركيتها (لها قيم K _M و V _max مختلفة ).

علم الوراثة السكانية هو في جوهره دراسة أسباب وتأثيرات التباين الجيني داخل وبين المجموعات السكانية، وفي الماضي، كانت الإنزيمات المتماثلة من بين أكثر المؤشرات الجزيئية استخدامًا لهذا الغرض. على الرغم من أنها قد استُبدلت إلى حد كبير الآن بأساليب أكثر دقة تعتمد على الحمض النووي (مثل التسلسل المباشر للحمض النووي ، وتعدد أشكال النوكليوتيدات المفردة، والميكروساتلايت )، إلا أنها لا تزال من بين أسرع أنظمة المؤشرات وأقلها تكلفة في التطوير، وما زالت كذلك ( حتى عام 2005) .) خيار ممتاز للمشاريع التي تحتاج فقط إلى تحديد مستويات منخفضة من التباين الجيني، على سبيل المثال تحديد كمية أنظمة التزاوج .

• تلعب إنزيمات السيتوكروم P450 أدوارًا مهمة في عملية التمثيل الغذائي وتكوين الستيرويدات .
• تؤدي الأشكال المتعددة لإنزيم فوسفودايستراز أدوارًا رئيسية في العديد من العمليات البيولوجية. ورغم وجود أكثر من شكل من هذه الإنزيمات في الخلايا الفردية، إلا أن هذه الأشكال المتماثلة من الإنزيم تتوزع بشكل غير متساوٍ بين خلايا الكائن الحي. ومن الناحية السريرية، وُجد أنها تُنشط وتُثبط بشكل انتقائي، وهي ملاحظة أدت إلى استخدامها في العلاج.

• هنتر، آر إل؛ ميركيرت، سي إل (1957). "التوضيح النسيجي الكيميائي للإنزيمات المفصولة بالرحلان الكهربائي النطاقي في هلامات النشا". مجلة ساينس . 125 (3261): 1294-1295 . doi : 10.1126/science.125.3261.1294-a . PMID 13432800 . 
• فايس، ب.؛ هايت، و.ن. (1977). "مثبطات فوسفودايستراز النيوكليوتيدات الحلقية الانتقائية كعوامل علاجية محتملة". المجلة السنوية لعلم الأدوية وعلم السموم ، 17 : 441-477 . doi : 10.1146/annurev.pa.17.040177.002301 . PMID 17360 . 
• ويندل، جيه إف، وويدن، إن إف. 1990. "تصوير وتفسير الإنزيمات المتماثلة النباتية". الصفحات  5-45 في دي إي سولتيس وبي إس سولتيس ، محرران. الإنزيمات المتماثلة في بيولوجيا النبات. تشابمان وهول، لندن.
• ويدن، إن إف، وويندل، جيه إف. 1990. "علم وراثة الإنزيمات المتماثلة النباتية". الصفحات  46-72 في : سولتيس، دي إي ، وسولتيس ، بي إس (محرران). الإنزيمات المتماثلة في بيولوجيا النبات. تشابمان وهول، لندن.
• كروفورد، دي جيه. 1989. "الرحلان الكهربائي للإنزيمات وتصنيف النباتات". الصفحات  146-164 في كتاب دي إي سولتيس وبي إس سولتيس (محرران). الإنزيمات المتماثلة في بيولوجيا النبات. ديوسكوريدس، بورتلاند، أوريغون.
• هامريك، جيه إل، وجودت، إم جيه دبليو. 1990. "تنوع الأنزيمات المتغايرة في أنواع النباتات". الصفحات  43-63 في: براون، إيه إتش دي، وكليج، إم تي، وكاهلر، إيه إل، ووير، بي إس (محررون). علم الوراثة السكانية النباتية، والتربية، والموارد الوراثية. سيناور، سندرلاند
• الكيمياء الحيوية من تأليف جيريمي إم. بيرج، وجون إل. تيموتشكو، ولوبيرت ستراير (مقدمة مأخوذة من هذا الكتاب المدرسي)

محدد

• تقنيات الفصل الكهربائي للإنزيمات المتغايرة – دليل شامل للفصل الكهربائي على هلام النشا
• تطوير علاجات جديدة خاصة بالإنزيمات المتماثلة - ثنائي أوكسيجيناز الأحماض الدهنية وهرمونات الإيكوزانويد (إستونيا)