Topoisomerasi Cosa sono, caratteristiche, funzioni, tipi

IL Topoisomerasi Sono un tipo di enzimi isomerati che modificano la topologia dell'acido deossiribonucleico (DNA), generando sia la loro svolta che la sua curling e la loro sovrapposizione.

Questi enzimi hanno un ruolo specifico nel sollievo della tensione torsionale nel DNA in modo che possano verificarsi processi così importanti, la trascrizione del DNA nell'acido ribonucleico di messaggeri (RNAM) e la ricombinazione del DNA.

Topoisomerase II, Wikimedia Commons

Gli enzimi topoisomerasi sono presenti sia nelle cellule eucariotiche che nelle cellule procariotiche. La sua esistenza è stata prevista dagli scienziati Watson e Crick, quando hanno valutato i limiti che la struttura del DNA presentava per consentire l'accesso alle loro informazioni (immagazzinata nella sua sequenza nucleotidica).

Per comprendere le funzioni della topoisomerasi, si dovrebbe prendere in considerazione che il DNA abbia una struttura a doppia elica stabile, con le sue catene arrotolate l'una dall'altra.

Queste catene lineari sono costituite da 2-dechexiribosas collegate dal fosfodi-fosfodi 5'-3 '.

Lo studio topologico delle molecole di DNA ha dimostrato che questi possono assumere diverse conformazioni dipendenti dalla loro tensione di torsione: da uno stato rilassato, a diversi stati di iscrizione che consentono la loro compattazione.

Le molecole di DNA con diverse conformazioni sono chiamate topoisomeri. Pertanto, possiamo concludere che le topoisomerasi I e II possono aumentare o ridurre la tensione della torsione delle molecole di DNA, formando i loro diversi topoisomeri.

Tra i possibili topoisomeri del DNA, la conformazione più comune è quella del superstrane, che è molto compatta. Tuttavia, l'elica doppia del DNA deve anche essere distinta dalle topoisomerasi durante diversi processi molecolari.

Caratteristiche

Meccanismo di azione generale

Alcune topoisomerasi possono rilassare solo la sovrascrizione negativa del DNA, o entrambi i superstrani del DNA: positivo e negativo.

Se il DNA dinamico circolare si snoda sul suo asse longitudinale e un ritorno di Levogira (nella direzione degli aghi dell'orologio), si dice che sia sovrapposto negativamente. Se il ritorno è destrogirato (contrariamente agli aghi dell'orologio), viene positivamente sopraffatto.

Altoparlanti circolari circolari del DNA negativamente, rilassato e sopraffatto positivamente. Fonte: Fdardel [CC BY-SA 4.0 (https: // creativeCommons.Org/licenze/by-sa/4.0)], da Wikimedia Commons

Fondamentalmente, le topoisomerasi possono:

-Facilitare il passaggio di un filo di DNA attraverso un taglio nel filo opposto (topoisomerasi di tipo I).

-Facilitare il passaggio di una doppia elica completa attraverso una divisione in sé o attraverso una divisione in una diversa doppia elica (topoisomerasi di tipo II).

In sintesi, la topoisomerasi agisce attraverso la divisione dei collegamenti di fosfodié, in uno o due fili che compongono il DNA. Quindi modificano lo stato di rotolamento dei fili di una doppia elica (molemomerasi topoisomerasi) o due doppie eliche (molemomerasi II), per legare finalmente di nuovo o legare le estremità divise.

Topoisomerasi e ciclo cellulare

Sebbene la topoisomerasi I sia un enzima che ha la più grande attività durante le fasi S (sintesi del DNA), non è considerata dipendente da una fase del ciclo cellulare.

Può servirti: lipidi saponificabili: caratteristiche, struttura, funzioni, esempi

Mentre l'attività di topoisomerasi II è più attiva durante la fase logaritmica della crescita cellulare e delle cellule a crescita rapida.

Funzioni

L'alterazione dei geni che cod. Tra i processi a cui partecipa la topoisomerasi, ci sono:

Archiviazione compatta di materiale genetico

Le topoisomerasi facilitano la conservazione delle informazioni genetiche compatte, poiché generano il rotolamento e la sovrapposizione del DNA, consentendo a una grande quantità di informazioni di essere in un volume relativamente piccolo.

Accesso alle informazioni genetiche

Se non ci sono topoisomerasi e le loro caratteristiche uniche, l'accesso alle informazioni archiviate nel DNA sarebbe impossibile. Ciò è dovuto al fatto che la topoisomerasi rilascia periodicamente la tensione dovuta alla torsione che viene generata nella doppia elica del DNA, durante i loro processi di svolgimento, nei processi di replica, trascrizione e ricombinazione.

Se la tensione dovuta alla torsione generata durante questi processi non viene rilasciata, potrebbe verificarsi un'espressione genica difettosa, l'interruzione di DNA o cromosoma circolare, producendo persino la morte cellulare.

Regolazione dell'espressione genica

I cambiamenti conformazionali (nella struttura tridimensionale) della molecola di DNA, espongono regioni specifiche, che possono interagire con le proteine ​​del DNA. Queste proteine ​​hanno una funzione regolatoria dell'espressione genetica (positiva o negativa).

Proteina regolatoria di espressione genetica. Wikimedia Commons

Pertanto, lo stato di rotolamento del DNA, generato dall'azione delle topoisomerasi, influenza la regolazione dell'espressione genetica.

Particolarità della topoisomerasi II

La topoisomerasi II è necessaria per l'assemblaggio di cromatidi, condensa e cromosomi e segregazione delle figlie del DNA durante la myitosi durante la myitosi.

Questo enzima è anche una proteina strutturale e uno dei principali componenti della matrice del nucleo cellulare durante l'interfaccia.

Tipi di topoisomerasi

Esistono due tipi principali di topoisomerasi a seconda che siano in grado di dividere una o due catene di DNA.

-Topoisomerase Tipo I

Monomerico                 

Topoisomerasi di tipo I sono monomeri che alleviano il sovrascrivo negativo e positivo, che sono prodotti dal movimento della forcella durante la trascrizione e durante i processi di replicazione e ricombinazione genica.

Le topoisomerasi di tipo I possono essere suddivise in tipo 1a e tipo 1b. Questi ultimi sono quelli che si trovano negli umani e sono responsabili del rilassamento del DNA.

Tirosina nel suo luogo attivo

Topoisomerase 1b (top1b) è costituito da 765 aminoacidi divisi in 4 domini specifici. Uno di questi domini ha un'area altamente conservata che contiene il sito attivo con tirosina (Tyr7233). Tutta la topoisomerasi presente nel loro sito attivo una tirosina con un ruolo fondamentale nell'intero processo catalitico.

Meccanismo di azione

La tirosina del sito attivo forma un legame covalente con l'estremità 3'-fosfato della catena del DNA, tagliandola e mantenendolo insieme all'enzima, mentre un altro filamento di DNA passa attraverso la divisione.

Può servirti: flora e fauna della Sierra ecuadoriana: specie rappresentative

Il passaggio dell'altro filamento di DNA attraverso il filo diviso, si ottiene grazie a una trasformazione conformazionale dell'enzima, che produce l'apertura della doppia elica del DNA.

Quindi la topoisomerasi I ritorna alla sua conformazione iniziale e lega di nuovo le estremità divise. Ciò si verifica a causa di un processo inverso alla rottura della catena del DNA, nel sito catalitico dell'enzima. Infine, la topoisomerasi rilascia il filo del DNA.

Il tasso di legatura del DNA è maggiore del tasso di divisione, il che garantisce la stabilità della molecola e l'integrità del genoma.

In sintesi, il topoisomerasi di tipo I:

1. La divisione di un filo.
2. Il passaggio dell'altro filo attraverso la divisione.
3. La legatura delle estremità si divide.

-Topoisomerasi di tipo II

Dimmer

Le topoisomerasi di tipo II sono enzimi dimérica, che sono divisi.

Mg dipendente⁺⁺ e ATP

Questi enzimi hanno bisogno di magnesio (mg⁺⁺) E hanno anche bisogno dell'energia che deriva dalla rottura del collegamento Triffosfato ATP, che sfrutta grazie a un ATPase.

Due siti attivi con tirosina

Le topoisomerasi umane sono molto simili a quelle del lievito (Saccharomyces cerevisiae), che è composto da due monomeri (sottofragmenti A e B). Ogni monomero presenta un dominio ATPASA e in un sottofragment il sito attivo tirosina 782, a cui il DNA può essere unita. Pertanto, due fili di DNA possono essere uniti a topoisomerasi II.

Meccanismo di azione

Il meccanismo d'azione della topoisomerasi II è uguale a quello descritto per topoisomease I, considerando che due catene di DNA sono divise e non solo una.

Nel sito attivo della topoisomerasi II è stabilizzato (attraverso un'unione covalente con tirosina) un frammento di doppia elica di DNA, chiamato "frammento G". Questo frammento è diviso e tenuto insieme nel sito attivo da legami covalenti.

Quindi, l'enzima consente a un altro frammento di DNA, chiamato "frammento t", di passare attraverso il frammento diviso "G", grazie a un cambiamento conformazionale dell'enzima, che dipende dall'idrolisi ATP.

La topoisomerasi II Liga le due estremità del "frammento g" e infine recuperare il suo stato iniziale, rilasciando il frammento "g". Quindi, il DNA rilassa la tensione di torsione, consentendo i processi di replica e trascrizione.

-Topoisomerasi umana

Il genoma umano ha cinque topoisomerasi: top1, top3α, top3β (di tipo I); e top2α, top2β (tipo II). Le topoisomerasi umane più rilevanti sono Top1 (topoisomerasi di tipo IB) e 2α (topoisomerasi di tipo II).

Inibitori della topoisomerasi

-Topoisomerasi come obiettivo di attacco chimico

Poiché i processi catalizzati dalle topoisomerasi sono necessari per la sopravvivenza delle cellule, questi enzimi sono un buon attacco bianco per influenzare le cellule maligne. Pertanto, la topoisomerasi è considerata importante nel trattamento di molte malattie umane.

I farmaci che interagiscono con la topoisomerasi sono attualmente molto studiati come sostanze chemioterapiche contro le cellule tumorali (in diversi organi del corpo) e microrganismi patogeni.

Può servirti: glicogeno: struttura, sintesi, degradazione, funzioni

-Tipi di inibizione

I farmaci inibitori dell'attività topoisomerasi possono:

• DNA intercalato.
• Influenzare l'enzima topoisomerasi.
• Intercalato in una molecola vicino al sito attivo dell'enzima mentre il complesso DNA-topoisomerasi è stabilizzato.

La stabilizzazione del complesso transitorio che è formata dall'unione del DNA alla tirosina del sito catalitico dell'enzima, impedisce l'unione dei frammenti divisi, che può portare alla morte cellulare.

-Inibitori di farmaci topoisomerasi

Tra i composti che inibiscono la topoisomerasi sono i seguenti.

Antibiotici antitumorali

Gli antibiotici sono usati contro il cancro, poiché impediscono la crescita delle cellule tumorali, di solito interferendo con il loro DNA. Di solito sono chiamati antibiotici antineoplastici (contro il cancro). L'actinomicina D, ad esempio, colpisce la topoisomerasi II e viene utilizzata nei tumori Wilms nei bambini e in Rabomiosarcomi.

Antracicline

Le antracicline sono, tra gli antibiotici, dei più efficaci farmaci anticancellari e dello spettro più ampio. Sono usati nel trattamento del carcinoma polmonare, delle ovaie, dell'utero, dello stomaco, della vescica, del seno, della leucemia e dei linfomi. È noto che colpisce la topoisomerasi II per intercalazione nel DNA.

La prima antraciclina isolata di un Actinobacteria (Streptomyces peucetius) Era la daunorubicina. Successivamente, la doxorubicina è stata sintetizzata in laboratorio e viene utilizzata anche l'epirubicina e l'idarubicina.

Antraquinoni

Gli antraquinoni o gli antracenedas sono composti derivati ​​dall'antracene, simili alle antracicline, che influenzano l'attività della topoisomerasi II mediante intercalazione nel DNA. Sono usati per il carcinoma mammario metastatico, il linfoma non hodgkiniano (LNH) e la leucemia.

Questi farmaci sono stati trovati nei pigmenti di alcuni insetti, piante (Frogula, Sen, Rhibarb), licheni e funghi; così come a La Hoelita, che è un minerale naturale. A seconda della tua dose, possono essere cancerogeni.

Tra questi composti, abbiamo mitossantrona e il suo analogo il Losxantrona. Questi impediscono la proliferazione di cellule tumorali maligne, unendo il DNA in modo irreversibile.

Epidofilotossine

Le podofilotossine, come le epidofilotossine (VP-16) e teniposide (VM-26), formano un complesso con topoisomerasi II. Sono usati contro il polmone, il carcinoma testicolare, la leucemia, i linfomi, il carcinoma ovarico, il carcinoma mammario e i tumori intracranici maligni, tra gli altri. Sono isolati dalle piante Podophyllum notum E P. Peltatum.

Analoghi di Camptotecinas

Campotecinas sono composti che inibiscono la topoisomerasi I, e tra loro ci sono l'irinotecan, il topote.

Questi composti sono stati usati contro il carcinoma del colon, dei polmoni e del seno e sono naturalmente ottenuti dalla crosta e dalle foglie delle specie alberi Camptotheca accuminata dei cinesi e del tibet cornace.

Inibizione naturale

Le alterazioni strutturali delle topoisomerasi I e II possono anche verificarsi in modo completamente naturale. Questo può accadere durante alcuni eventi che influiscono sul tuo processo catalitico.

Tra queste alterazioni, è possibile citare la formazione di diametri della pirimidina, la mancata corrispondenza delle basi di azoto e altri eventi causati da stress ossidativo.

Riferimenti

1. Liu, l. F. (1994). DNA topoisomerasi: farmaci per targeting topoisomerasi. Academic Press. pp 307
2. Osheroff, n. e bjorsti, m. (2001). DNA topoisomerasi. Enzimologia e droghe. Vol. Ii. Stampa umana. Pp 329.