TOPOIZOMERAZE: CARACTERISTICI, FUNCȚII, TIPURI ȘI INHIBITORI - BIOLOGIE - 2025

Cele topoizomeraze sunt enzime isomerazele un tip de modificare a topologiei acidului dezoxiribonucleic (ADN), generând atât unwinding și supercoiling ca ondularea acesteia.

Aceste enzime au un rol specific în ameliorarea stresului torsional asupra ADN-ului, astfel încât pot avea loc procese importante precum replicarea lui, transcrierea ADN-ului în acidul ribonucleic mesager (ARNm) și recombinarea ADN-ului.

Figura 1. Topoizomeraza II. Sursa: Emw, de la Wikimedia Commons

Enzimele topoizomerazei sunt prezente atât în ​​celulele eucariote, cât și în procariote. Existența sa a fost prezisă de oamenii de știință Watson și Crick, atunci când au evaluat limitările pe care structura ADN-ului le-a prezentat pentru a permite accesul la informațiile sale (stocate în secvența sa de nucleotide).

Pentru a înțelege funcțiile topoizomerazelor, trebuie considerat că ADN-ul are o structură stabilă cu dublu-helix, cu șuvițele sale înfășurate una peste alta.

Aceste lanțuri liniare sunt alcătuite din 2-dezoxiriboză legată de legături de fosfodiester 5'-3 'și baze azotate în interior, precum treptele unei scări în spirală.

Figura 2. molecula de ADN. Sursa: https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:3DScience_DNA_structure_labeled_a.jpg

Studiul topologic al moleculelor de ADN a arătat că pot presupune diverse conformații dependente de stresul lor de torsiune: de la o stare relaxată la diferite stări de bobinare care permit compactarea lor.

Moleculele de ADN cu diferite conformații se numesc topoizomeri. Astfel, putem concluziona că topoizomerazele I și II pot crește sau micșora tensiunea torsională a moleculelor de ADN, formând topoizomerii lor diferiți.

Printre posibilele topoizomeri ale ADN-ului, conformația cea mai frecventă este supercoilul, care este foarte compact. Cu toate acestea, dubla helix ADN trebuie să fie, de asemenea, dezlegată de topoizomerazele în timpul diferitelor procese moleculare.

caracteristici

Mecanismul general de acțiune

Unele topoizomeraze pot relaxa doar supracelele negative ale ADN-ului, sau ambele straturi superioare de ADN: pozitive și negative.

Dacă ADN-ul circular cu două catenele circulare nu este desfăcut pe axa sa lungă și apare o viraj stânga (în sensul acelor de ceasornic), se spune că este suprapus negativ. Dacă virajul este în sensul acelor de ceasornic (în sens invers acelor de ceasornic), acesta este suprasolicitat.

Figura 3. ADN-ul dublu-catenar circular suprapiat, relaxat și pozitiv suprapus. Sursa: Fdardel, de la Wikimedia Commons

Practic, topoizomerazele pot:

-Facilitarea trecerii unei catene ADN printr-o tăietură în catena opusă (topoizomeraza tip I).

-Facilitați trecerea unei helixuri duble complete printr-o clivaj în sine sau printr-un clivaj într-o altă helixă dublă diferită (topoizomeraza de tip II).

În rezumat, topoizomerazele acționează prin clivarea legăturilor fosfodiester, într-una sau în ambele catene care formează ADN. Acestea modifică apoi starea de înfășurare a șuvițelor unei helix duble (topoizomeraza I) sau a două elice duble (topoizomeraza II), pentru a lega definitiv sau a lega capetele despicate din nou.

Topoizomerazele și ciclul celular

Deși topoizomeraza I este o enzimă care prezintă o activitate mai mare în faza S (sinteza ADN-ului), nu este considerată a fi dependentă de o fază a ciclului celular.

Întrucât activitatea topoizomerazei II este mai activă în faza logaritmică a creșterii celulare și în celulele cu tumori cu creștere rapidă.

Caracteristici

Alterarea genelor care codifică topoizomerazele este letală pentru celule, dovedind importanța acestor enzime. Printre procesele la care participă topoizomerazele se numără:

Depozitarea compactă a materialului genetic

Topoizomerazele facilitează stocarea informațiilor genetice într-un mod compact, deoarece generează înfășurarea și supraînvelirea ADN-ului, permițând găsirea unei cantități mari de informații într-un volum relativ mic.

Acces la informații genetice

Fără topoizomerasele și caracteristicile lor unice, accesul la informațiile stocate în ADN ar fi imposibil. Acest lucru se datorează faptului că topoizomerazele eliberează periodic stresul torsional care este generat în dubla helixă ADN, în timpul dezlegării, în procesele de replicare, transcripție și recombinare.

Figura 4. replicarea ADN-ului. Vezi topoizomeraza la începutul acului de păr ADN. Sursa: LadyofHats tradusă de Miguelsierra, prin Wikimedia Commons

Dacă stresul de torsiune generat în timpul acestor procese nu este eliberat, poate apărea o expresie genică defectuoasă, întreruperea ADN-ului circular sau a cromozomului, producând chiar moartea celulelor.

Reglarea expresiei genice

Modificările de configurație (în structura tridimensională) a moleculei de ADN expun regiuni specifice la exterior, care pot interacționa cu proteinele care leagă ADN-ul. Aceste proteine ​​au o funcție de reglare a expresiei genice (pozitive sau negative).

Figura 5. Proteina de reglementare a expresiei genice, în acest caz, împiedică exprimarea anumitor gene. Zefiră la Wikipedia în limba engleză

Astfel, starea de spargere a ADN-ului, generată de acțiunea topoizomerazelor, afectează reglarea expresiei genice.

Particularități ale topoizomerazei II

Topoizomeraza II este necesară pentru asamblarea cromatidelor, condensarea și decondensarea cromozomilor și segregarea moleculelor ADN fiice în timpul mitozei.

Această enzimă este, de asemenea, o proteină structurală și unul dintre constituenții principali ai matricei nucleului celular în timpul interfazei.

Tipuri de topoizomeraze

Există două tipuri principale de topoizomeraze, în funcție de faptul dacă sunt capabili să scindeze unul sau două șuvițe de ADN.

-Topoisomeraze tip I

monomeric

Topoizomerazele de tip I sunt monomeri care ameliorează straturile super-straturi negative și pozitive, care sunt produse prin mișcarea acului de păr în timpul transcrierii și în timpul proceselor de replicare și recombinare a genelor.

Topoizomerazele de tip I pot fi subdivizate în tipul 1A și tipul 1B. Acestea din urmă sunt cele găsite la om și sunt responsabile de relaxarea ADN-ului acoperit.

Tirozină în locul său activ

Topoizomeraza 1B (Top1B) este formată din 765 aminoacizi împărțiți în 4 domenii specifice. Unul dintre aceste domenii are o zonă foarte conservată care conține situsul activ al tirozinei (Tyr7233). Toate topoizomerazele prezintă o tirozină în locul lor activ, cu un rol fundamental în întregul proces catalitic.

Mecanism de acțiune

Situsul activ al tirozinei formează o legătură covalentă cu capătul 3-fosfat al catenei ADN, tăind-o și ținând-o atașată de enzimă, în timp ce o altă catena de ADN trece prin clivaj.

Trecerea celorlalte catene de ADN prin catena divizată se realizează datorită unei transformări conformaționale a enzimei, care produce deschiderea dublei helice a ADN-ului.

Apoi topoizomeraza I revine la conformația sa inițială și leagă din nou capetele despicate. Aceasta se produce printr-un proces invers invers descompunerii lanțului ADN, la locul catalitic al enzimei. În cele din urmă, topoizomeraza eliberează catena ADN.

Viteza de ligare a ADN-ului este mai mare decât viteza de excizie, asigurând astfel stabilitatea moleculei și integritatea genomului.

În rezumat, topoizomeraza de tip I catalizează:

1. Clivajul unei șuvițe.
2. Trecerea celuilalt șuviț prin clivaj.
3. Ligatura capetelor despicate.

-Tipoasomeraze tip II

dimerică

Topoizomerazele de tip II sunt enzime dimerice, care scindează ambele fire ale ADN-ului, relaxând astfel straturile superioare care sunt generate în timpul transcrierii și a altor procese celulare.

Mg dependent

Aceste enzime au nevoie de magneziu (Mg ⁺⁺ ) și, de asemenea, au nevoie de energia care provine din ruperea legăturii ATP-trifosfat, de care profită mulțumită unei ATPaze.

Două site-uri active cu tirozină

Topoizomerazele umane II sunt foarte asemănătoare cu cele ale drojdiei (Saccharomyces cerevisiae), care este alcătuit din doi monomeri (subfragmentele A și B). Fiecare monomer are un domeniu ATPază, iar într-un sub-fragment site-ul activ tirozina 782, de care ADN-ul se poate lega. Astfel, două fire de ADN se pot lega de topoizomeraza II.

Mecanism de acțiune

Mecanismul de acțiune al topoizomerazei II este același ca cel descris pentru topoizomeraza I, considerând că două catene de ADN sunt împărțite și nu doar una.

La locul activ al topoizomerazei II, se stabilizează un fragment de ADN dublu-helix, numit „fragment G” (prin legarea covalentă cu tirozina). Acest fragment este excizat și ținut împreună la site-ul activ prin legături covalente.

Enzima permite apoi unui alt fragment de ADN, numit „fragment T”, să treacă prin fragmentul clivat „G”, datorită unei schimbări conformaționale a enzimei, care depinde de hidroliza ATP.

Topoizomeraza II leagă cele două capete ale „fragmentului G” și, în sfârșit, își recuperează starea inițială, eliberând fragmentul „G”. ADN-ul relaxează apoi stresul torsional, permițând replicarea și transcripția.

-Topoizomeraze umane

Genomul uman are cinci topoizomeraze: top1, top3α, top3β (tip I); și top2a, top2β (de tipul II). Cele mai relevante topoizomeraze umane sunt top1 (topoizomeraza tip IB) și 2α (topoizomeraza tip II).

Inhibitori de topoizomerază

-Topoisomerazele ca țintă a atacului chimic

Deoarece procesele catalizate de topoizomeraze sunt necesare pentru supraviețuirea celulelor, aceste enzime sunt o bună țintă a atacului pentru a afecta celulele maligne. Din acest motiv, topoizomerazele sunt considerate importante în tratamentul multor boli umane.

Medicamentele care interacționează cu topoizomerazele sunt studiate în prezent pe scară largă ca substanțe chimioterapeutice împotriva celulelor canceroase (în diferite organe ale corpului) și microorganisme patogene.

-Tipuri de inhibare

Medicamentele care inhibă activitatea topoizomerazei pot:

• Sandwich în ADN.
• Afectează enzima topoizomerază.
• Intercalat într-o moleculă aproape de situsul activ al enzimei, în timp ce complexul ADN-topoizomerază este stabilizat.

Stabilizarea complexului tranzitor care se formează prin legarea ADN-ului la tirozina situsului catalitic al enzimei, împiedică legarea fragmentelor clivate, care pot duce la moartea celulelor.

-Droguri inhibitoare de tozoizomerază

Printre compușii care inhibă topoizomerazele sunt următorii.

Antibiotice antitumoare

Antibioticele sunt utilizate împotriva cancerului, deoarece împiedică creșterea celulelor tumorale, de obicei interferează cu ADN-ul lor. Acestea sunt adesea numite antibiotice antineoplastice (cancer). Actinomicina D, de exemplu, afectează topoizomeraza II și este utilizată în tumorile Wilms la copii și rabdomiosarcome.

antracicline

Antraciclinele sunt printre antibiotice, unul dintre cele mai eficiente medicamente anticancerigene și cu cel mai larg spectru. Sunt utilizate pentru tratarea cancerului pulmonar, ovarelor, uterului, stomacului, vezicii urinare, sânului, leucemiei și limfomelor. Se știe că afectează topoizomeraza II prin intercalarea ADN-ului.

Prima antraciclină izolată dintr-un actinobacterie (Streptomyces peucetius) a fost daunorubicina. Ulterior doxorubicina a fost sintetizată în laborator și epirubicină și idarubicină sunt utilizate și astăzi.

antrachinone

Antrachinonele sau antracenedionele sunt compuși derivați din antracen, similar cu antraciclinele, care afectează activitatea topoizomerazei II prin intercalarea în ADN. Sunt utilizate pentru cancerul de sân metastatic, limfomul non-Hodgkin (NHL) și leucemia.

Aceste medicamente au fost găsite în pigmenții unor insecte, plante (frangula, senna, rubarb), licheni și ciuperci; precum și în hoelite, care este un mineral natural. În funcție de doza dvs., acestea pot fi cancerigene.

Dintre acești compuși, avem mitoxantrone și analogul său, losoxantrone. Acestea previn proliferarea celulelor tumorale maligne, care se leagă ireversibil de ADN.

Epidophyllotoxins

Podofilotoxinele, cum ar fi epidofilotoxinele (VP-16) și tenipozida (VM-26), formează un complex cu topoizomeraza II. Sunt utilizate împotriva cancerului pulmonar, testiculelor, leucemiei, limfoamelor, cancerului ovarian, carcinomului mamar și tumorilor maligne intracraniene, printre altele. Podophyllum notatum și P. peltatum sunt izolate de plante.

Analogii de camptotecină

Campotecinele sunt compuși care inhibă topoizomeraza I, incluzând irinotecanul, topotecanul și diflomotecanul.

Acești compuși au fost folosiți împotriva cancerului de colon, de plămâni și de sân și sunt obținuți în mod natural din scoarța și frunzele speciilor arborelui Camptotheca acuminata din cornáceele chineze și Tibet.

Inhibiție naturală

Alterarea structurală a topoizomerazelor I și II poate apărea, de asemenea, complet natural. Acest lucru se poate întâmpla în timpul unor evenimente care vă afectează procesul catalitic.

Aceste modificări includ formarea dimerilor de pirimidină, nepotriviri ale bazei de azot și alte evenimente cauzate de stresul oxidativ.

Referințe

1. Anderson, H., & Roberge, M. (1992). Topoizomeraza ADN II: O revizuire a implicării sale în structura cromozomilor, replicarea ADN-ului, transcrierea și mitoza. Rapoarte internaționale biologie celulară, 16 (8): 717–724. doi: 10.1016 / s0309-1651 (05) 80016-5
2. Chhatriwala, H., Jafri, N., & Salgia, R. (2006). O revizuire a inhibiției topoizomerazei în cancerul pulmonar. Biologie și terapie a cancerului, 5 (12): 1600-1607. doi: 10.4161 / cbt.5.12.3546
3. Ho, Y.-P., Au-Yeung, SCF și & To, KKW (2003). Agenți anticancer bazat pe platină: strategii inovatoare de proiectare și perspective biologice. Recenzii de cercetare medicinale, 23 (5): 633–655. doi: 10.1002 / med.10038
4. Li, T.-K., & Liu, LF (2001). Moartea celulelor tumorale indusă de medicamentele care vizează topoizomeraza. Revizuirea anuală a farmacologiei și toxicologiei, 41 (1): 53–77. doi: 10.1146 / annurev.pharmtox.41.1.53
5. Liu, LF (1994). ADN Topoizomeraze: medicamente care vizează topoizomeraza. Presă academică. p. 307
6. Osheroff, N. și Bjornști, M. (2001). Topoizomeraza ADN. Enzimologie și medicamente. Vol. II. Humana Press. p. 329.
7. Rothenberg, ML (1997). Inhibitori ai topoizomerazei I: Revizuire și actualizare. Annals of Oncology, 8 (9), 837–855. doi: 10.1023 / a: 1008270717294
8. Ryan B. (2009, 14 decembrie). Topoizomeraza 1 și 2.. Recuperat de pe youtube.com