Izozymy (také známé jako izoenzymy) jsou enzymy, které se liší v aminokyselinové sekvenci, ale katalyzují stejnou chemickou reakci. Tyto enzymy obvykle vykazují různé kinetické parametry (tj. různé hodnoty KM) nebo různé regulační vlastnosti.
Existence izoenzymů umožňuje vyladění metabolismu tak, aby odpovídal konkrétním potřebám dané tkáně nebo vývojového stádia (např. laktátdehydrogenáza (LDH)).
V biochemii jsou izoenzymy (nebo izoenzymy) izoformy (blízce příbuzné varianty) enzymů. V mnoha případech jsou kódovány homologickými geny, které se v průběhu času rozcházely. I když přesně řečeno, allozymy představují enzymy z různých alel stejného genu a izoenzymy představují enzymy z různých genů, které zpracovávají nebo katalyzují stejnou reakci, obě slova se obvykle používají zaměnitelně.
Isozymy byly poprvé popsány R. L. Hunterem a Clementem Markertem (1957), kteří je definovali jako různé varianty stejného enzymu, které mají identickou funkci a jsou přítomny u stejného jedince. Tato definice zahrnuje (1) varianty enzymu, které jsou produktem různých genů a představují tedy různé lokusy (popsané jako isozymy) a (2) enzymy, které jsou produktem různých alel stejného genu (popsané jako allozymy).
Izozymy jsou obvykle výsledkem genové duplikace, ale mohou také vzniknout z polyploidizace nebo hybridizace nukleových kyselin. V průběhu evolučního času, pokud funkce nové varianty zůstane identická s původní, pak je pravděpodobné, že jedna nebo druhá bude ztracena, jak se budou mutace hromadit, což povede k vytvoření pseudogenu. Pokud však mutace okamžitě nezabrání fungování enzymu, ale místo toho změní buď jeho funkci, nebo jeho vzorec genové exprese, pak obě varianty mohou být upřednostňovány přirozeným výběrem a mohou se specializovat na různé funkce. Mohou být například exprimovány v různých vývojových stádiích nebo v různých tkáních.
Allozymy mohou být výsledkem bodových mutací nebo inzerce-delece (indel) událostí, které ovlivňují sekvenci kódování DNA genu. Stejně jako u každé jiné nové mutace, i u nového allozymu se mohou stát tři věci:
Příkladem izoenzymu je glukoskináza, varianta hexokinázy, která není inhibována 6-fosfátem glukózy. Její odlišné regulační vlastnosti a nižší afinita ke glukóze (ve srovnání s jinými hexokinázami) jí umožňují plnit různé funkce v buňkách specifických orgánů, jako je kontrola uvolňování inzulínu beta buňkami slinivky břišní nebo iniciace syntézy glykogenu jaterními buňkami. Oba tyto procesy se musí objevit pouze tehdy, je-li glukózy nadbytek, nebo se vyskytnou problémy.
Izozymy (a alozymy) jsou varianty téhož enzymu. Pokud nejsou identické, pokud jde o jejich biochemické vlastnosti, například substráty a kinetiku enzymu, mohou být rozlišeny biochemickým testem. Tyto rozdíly jsou však obvykle nepatrné (zejména mezi alozymy, které jsou často neutrálními variantami). Tuto subtilnost lze očekávat, protože dva enzymy, které se významně liší svou funkcí, pravděpodobně nebyly identifikovány jako izozymy.
Zatímco izoenzymy mohou být svou funkcí téměř identické, mohou se lišit i jinak. Zejména substituce aminokyselin, které mění elektrický náboj enzymu (například nahrazení kyseliny asparagové kyselinou glutamovou), lze snadno identifikovat gelovou elektroforézou, a ta tvoří základ pro použití izoenzymů jako molekulárních markerů. Pro identifikaci izoenzymů se surový proteinový extrakt vyrábí mletím živočišných nebo rostlinných tkání extrakčním pufrem a složky extraktu jsou odděleny podle jejich náboje gelovou elektroforézou. Historicky se tak obvykle dělo pomocí gelů vyrobených z bramborového škrobu, nicméně akrylamidové gely poskytují lepší rozlišení a gely z acetátu celulózy jsou dnes (od roku 2005) normou.
Všechny bílkoviny z tkáně jsou přítomny v gelu, takže jednotlivé enzymy musí být identifikovány pomocí testu, který spojí jejich funkci s reakcí barvení. Detekce může být například založena na lokalizovaném vysrážení rozpustných indikátorových barviv, jako jsou tetrazolové soli, které se stanou nerozpustnými, když jsou redukovány kofaktory, jako jsou NAD nebo NADP, které vznikají v zónách aktivity enzymů. Tato metoda testu vyžaduje, aby enzymy byly i po separaci stále funkční (nativní gelová elektroforéza), a představuje největší výzvu pro použití izoenzymů jako laboratorní techniky.
Izozymy a alozymy jako molekulární markery
Populační genetika je v podstatě studiem příčin a následků genetických variací v rámci jednotlivých populací a mezi nimi a v minulosti patřily izoenzymy k nejrozšířenějším molekulárním markerům pro tento účel. Ačkoli byly nyní do značné míry nahrazeny informativnějšími přístupy založenými na DNA (jako je přímé sekvenování DNA, jednonukleotidové polymorfismy a mikrosatelity), stále patří k nejrychlejším a nejlevnějším markerovým systémům pro vývoj a zůstávají (od roku 2005) vynikající volbou pro projekty, které potřebují pouze identifikovat nízké úrovně genetických variací, např. kvantifikaci pářících systémů.