ТОПОИЗОМЕРАЗЕ: КАРАКТЕРИСТИКЕ, ФУНКЦИЈЕ, ВРСТЕ И ИНХИБИТОРИ - БИОЛОГИЈА - 2025

У топоизомеразе су ензими изомераза тип модификовања топологију дезоксирибонуклеинске киселине (ДНК), генерисање и своју одмотавање и суперцоилинг као његов цурл.

Ови ензими имају специфичну улогу у ослобађању торзијског стреса у ДНК тако да се могу догодити важни процеси попут репликације, транскрипције ДНК у месијанску рибонуклеинску киселину (мРНА) и рекомбинације ДНК.

Слика 1. Топоизомераза ИИ. Извор: Емв, са Викимедиа Цоммонс

Ензими топоизомеразе су присутни и у еукариотским и у прокариотским ћелијама. Научници Ватсон и Црицк предвидели су његово постојање, процењујући ограничења која је представљала структура ДНК да би се омогућио приступ њеним информацијама (сачуваним у нуклеотидној секвенци).

Да бисмо разумели функције топоизомеразе, мора се узети у обзир да ДНК има стабилну структуру са двоструком спиралом, са својим праменовима намотаним један над другим.

Ови линеарни ланци сачињени су од 2-деоксирибозе повезане 5'-3 'фосфодиестерским везама и азотним базама унутра, попут трака спиралног степеништа.

Слика 2. Молекул ДНК. Извор: хттпс://ес.м.википедиа.орг/вики/Арцхиво:3ДСциенце_ДНА_струцтуре_лабелед_а.јпг

Тополошка студија молекула ДНК показала је да они могу претпоставити различите конформације зависне од торзијског напрезања: од опуштеног стања до различитих стања намотавања које омогућавају њихово сабијање.

Молекули ДНК различите конформације називају се топоизомери. Стога можемо закључити да топоизомеразе И и ИИ могу повећати или смањити торзијски стрес молекула ДНК, формирајући њихове различите топоизомере.

Међу могућим ДНК топоизомерима, најчешћа формација је супервојница, која је врло компактна. Међутим, топоизомеразе такође морају да се одвоје двоструком спиралом ДНК током различитих молекуларних процеса.

карактеристике

Општи механизам деловања

Неке топоизомеразе могу да опуштају само негативне суперколике ДНК, или обе суперколике ДНК: позитивне и негативне.

Ако се кружна дволанчана ДНК одмота на својој дугој осе и догоди се лево окретање (у смеру казаљке на сату), каже се да се негативно прекрива. Ако је скретање у смјеру супротном од казаљке на сату, оно се позитивно прекрива.

Слика 3. Негативно прекривена, опуштена и позитивно супер намотана кружна дволанчана ДНК. Извор: Фдардел, из Викимедиа Цоммонс

У основи, топоизомеразе могу:

-Факилисати пролазак ДНА ланаца кроз рез у супротном ланцу (топоизомераза И типа).

-Факилитирајте пролазак комплетне двоструке спирале кроз само цепање или кроз цепање у другој различитој двострукој спирали (топоизомераза ИИ).

Укратко, топоизомеразе делују кроз цепање фосфодиестерских веза, у једном или у оба ланца која чине ДНК. Након тога модификују стање намотавања нити двоструке спирале (топоизомераза И) или два двострука хелика (топоизомераза ИИ), да би коначно поново повезали или везали расцепљене крајеве.

Топоизомеразе и ћелијски циклус

Иако је топоизомераза И ензим који показује већу активност током С фазе (синтеза ДНК), не сматра се да зависи од фазе ћелијског циклуса.

Док је активност топоизомеразе ИИ активнија током логаритамске фазе раста ћелије и у ћелијама брзорастућих тумора.

Карактеристике

Промјена гена који кодирају топоизомеразе је смртоносна за ћелије, што доказује важност ових ензима. Међу процесима у којима учествују топоизомеразе су:

Компактно складиштење генетског материјала

Топоизомеразе олакшавају складиштење генетских информација на компактни начин, јер стварају намотавање и прекомерно намотавање ДНК, омогућавајући проналазак велике количине информација у релативно малом обиму.

Приступ генетским информацијама

Без топоизомераза и њихових јединствених карактеристика, приступ информацијама похрањеним у ДНК био би немогућ. То је због чињенице да топоизомеразе периодично ослобађају торзијски стрес који настаје у двострукој спирали ДНК, током његовог одмотавања, у процесима репликације, транскрипције и рекомбинације.

Слика 4. Репликација ДНК. Погледајте топоизомеразу на почетку ДНК праменова. Извор: ЛадиофХатс превео Мигуелсиерра, путем Викимедиа Цоммонс

Ако се торзијски стрес настао током ових процеса не ослободи, може доћи до оштећења експресије гена, прекида циркуларне ДНК или хромозома, чак до стварања ћелијске смрти.

Регулација експресије гена

Конформационе промене (у тродимензионалној структури) молекула ДНК излажу специфичне области споља, које могу да ступају у интеракцију са протеинима који везују ДНК. Ови протеини имају регулаторну функцију експресије гена (позитивну или негативну).

Слика 5. Регулативни протеин експресије гена, у овом случају спречава експресију одређених гена. Зепхирис на енглеском језику Википедиа

Дакле, стање намотавања ДНК, настало дејством топоизомеразе, утиче на регулацију експресије гена.

Посебности топоизомеразе ИИ

Топоизомераза ИИ је неопходна за састављање хроматида, кондензацију и декондензацију хромозома и сегрегацију кћеринских молекула ДНК током митозе.

Овај ензим је такође структурални протеин и један од главних састојака матрикса ћелијског језгра током интерфазе.

Врсте топоизомераза

Постоје две главне врсте топоизомеразе зависно од тога да ли су у стању да цепају једну или две струје ДНК.

-Топоизомеразе тип И

Мономериц

Топоизомеразе типа И су мономери који ублажавају негативне и позитивне суперколике које настају кретањем длачица током транскрипције и током процеса репликације и рекомбинације гена.

Топоизомеразе типа И могу се поделити на тип 1А и тип 1Б. Потоњи су они који се налазе у људима и они су одговорни за опуштање супер намотане ДНК.

Тирозин на активном месту

Топоизомеразу 1Б (Топ1Б) чини 765 аминокиселина подељених у 4 специфична домена. Један од ових домена има високо очувано подручје које садржи место активног тирозина (Тир7233). Све топоизомеразе представљају тирозин на свом активном месту са фундаменталном улогом у целом каталитичком процесу.

Механизам дејства

Тирозин на активном месту формира ковалентну везу са 3'-фосфатним концем ланца ДНК, пресечећи га и држећи га везаног за ензим, док други део ДНК пролази кроз цепање.

Пролазак другог ланца ДНК кроз раздвојени низ постигнут је захваљујући конформацијској трансформацији ензима, која ствара отварање двоструке спирале ДНК.

Затим се топоизомераза И враћа својој почетној конформацији и поново веже одцепљене крајеве. То се дешава процесом обратним распаду ланца ДНК, на каталитичком месту ензима. Коначно, топоизомераза ослобађа ланац ДНК.

Брзина везивања ДНК већа је од брзине ексцизије, чиме се обезбеђује стабилност молекула и интегритет генома.

Укратко, топоизомераза типа И катализује:

1. Цијепање нити.
2. Пролазак другог прамена кроз цијев.
3. Лигација одцепљених крајева.

-Типе ИИ топоизомеразе

Димериц

Топоизомеразе типа ИИ су димерни ензими који цепају обе ланце ДНК и опуштају суперкокеле које настају током транскрипције и других ћелијских процеса.

Мг зависи

Овим ензимима је потребан магнезијум (Мг ⁺⁺ ), а такође им треба и енергија која долази од разбијања АТП трифосфатне везе, што они користе захваљујући АТПази.

Две активне локације са тирозином

Људска топоизомераза ИИ врло је слична онима из квасца (Саццхаромицес церевисиае), која се састоји од два мономера (подфрагмента А и Б). Сваки мономер има АТПасе домен, а у под фрагменту је активни сајт тирозин 782, на који се ДНК може везати. Тако се два ланца ДНК могу везати за топоизомеразу ИИ.

Механизам дејства

Механизам деловања топоизомеразе ИИ је исти као онај описан за топоизомеразу И, с обзиром на то да су две нити ДНК одцепљене, а не само једна.

На активном месту топоизомеразе ИИ, фрагмент ДНК са двоструком спиралом, назван „фрагмент Г“, стабилизован је (ковалентним везањем са тирозином). Овај фрагмент се изрезује и држи га на активном месту ковалентним везама.

Ензим потом омогућава да други фрагмент ДНК, назван „Т фрагмент“, прође кроз одцепљени фрагмент „Г“, захваљујући конформацијској промени ензима, која је зависна од хидролизе АТП-а.

Топоизомераза ИИ веже два краја "Г фрагмента" и коначно опоравља првобитно стање, ослобађајући "Г" фрагмент. ДНК тада опушта торзијски стрес, омогућујући понављање и транскрипцију.

-Људске топоизомеразе

Људски геном има пет топоизомераза: топ1, топ3α, топ3β (тип И); и топ2α, топ2β (типа ИИ). Најрелевантније људске топоизомеразе су топ1 (тип ИБ топоизомераза) и 2α (тип ИИ топоизомераза).

Инхибитори топоизомеразе

-Топоизомеразе као мета хемијског напада

Пошто су процеси катализирани топоизомеразом неопходни за опстанак ћелија, ови ензими су добра мета напада да би утицали на малигне ћелије. Из тог разлога се топоизомеразе сматрају важним у лечењу многих болести код људи.

Лекови који ступају у интеракцију са топоизомеразом се тренутно широко проучавају као хемотерапеутске супстанце против ћелија рака (у различитим органима у телу) и патогених микроорганизама.

-Врсте инхибиције

Лијекови који инхибирају активност топоизомеразе могу:

• У сендвичу на ДНК.
• Утјече на ензим топоизомераза.
• Интеркалирати у молекули која је близу активног места ензима, док је комплекс ДНК-топоизомеразе стабилизован.

Стабилизација прелазног комплекса која настаје везањем ДНК на тирозин каталитичког места ензима, спречава везивање цепљених фрагмената, што може довести до ћелијске смрти.

Лекови који инхибирају топоизомеразу

Међу једињењима која инхибирају топоизомеразе су следећа.

Антитуморски антибиотици

Антибиотици се користе против рака, јер спречавају раст ћелија тумора, обично ометајући њихов ДНК. То се често назива антинеопластични (карцином) антибиотици. Актиномицин Д, на пример, утиче на топоизомеразу ИИ и користи се код Вилмсових тумора код деце и рабдомиосаркома.

Антрациклини

Антрациклини су међу антибиотицима, једним од најефикаснијих лекова против рака и са најширијим спектром. Користе се за лечење рака плућа, јајника, матернице, желуца, бешике, дојке, леукемије и лимфома. Познато је да утиче на топоизомеразу ИИ интеркацијом у ДНК.

Први антрациклин изолован из актинобактерија (Стрептомицес пеуцетиус) био је даунорубицин. Након тога доксорубицин је синтетизован у лабораторији, а епирубицин и идарубицин се такође користе данас.

Антракинони

Антракинони или антрацендиони су једињења изведена из антрацена, слична антрациклинима, која утичу на активност топоизомеразе ИИ интеркацијом у ДНК. Користе се за метастатски карцином дојке, не-Ходгкинов лимфом (НХЛ) и леукемију.

Ови лекови су пронађени у пигментима неких инсеката, биљака (франгула, сенна, рабарбара), лишајева и гљивица; као и у хоелиту, који је природни минерал. У зависности од ваше дозе, могу бити канцерогене.

Међу тим једињењима имамо митоксантрон и његов аналог, лосокантрон. Оне спречавају пролиферацију малигних ћелија тумора, неповратно се везују за ДНК.

Епидофилотоксини

Подофилотоксини, попут епидофилотоксина (ВП-16) и тенипозида (ВМ-26), творе комплекс са топоизомеразом ИИ. Користе се против рака плућа, тестиса, леукемије, лимфома, рака јајника, карцинома дојке и малигних интракранијалних тумора. Подопхиллум нотатум и П. пелтатум су изоловани из биљака.

Аналози камптотецина

Кампотецини су једињења која инхибирају топоизомеразу И, укључујући иринотекан, топотекан и дифломотекан.

Ова једињења се користе против рака дебелог црева, плућа и дојке и природно се добијају из коре и лишћа арбореалне врсте Цамптотхеца ацумината из кинеске и тибетанске кукурузе.

Природна инхибиција

Структурне промјене топоизомеразе И и ИИ могу се такође догодити потпуно природно. То се може догодити током неких догађаја који утичу на ваш каталитички процес.

Ове измене укључују стварање пиримидинских димера, неусклађеност азотне базе и друге догађаје изазване оксидативним стресом.

Референце

1. Андерсон, Х., и Роберге, М. (1992). ДНК топоизомераза ИИ: Преглед његове укључености у структуру хромозома, репликацију ДНК, транскрипцију и митозу. Целл Биологи Интернатионал Репортс, 16 (8): 717–724. дои: 10.1016 / с0309-1651 (05) 80016-5
2. Цххатривала, Х., Јафри, Н., и Салгиа, Р. (2006). Преглед инхибиције топоизомеразе код рака плућа. Биологија и терапија рака, 5 (12): 1600–1607. дои: 10.4161 / цбт.5.12.3546
3. Хо, И.-П., Ау-Иеунг, СЦФ, & То, ККВ (2003). Антиканцерогена средства на бази платине: Иновативне стратегије дизајна и биолошке перспективе. Медицински истраживачки прегледи, 23 (5): 633–655. дои: 10.1002 / мед.10038
4. Ли, Т.-К., & Лиу, ЛФ (2001). Смрт ћелијских тумора индукована лековима који циљају топоизомеразу. Годишњи преглед фармакологије и токсикологије, 41 (1): 53–77. дои: 10.1146 / аннурев.пхармток.41.1.53
5. Лиу, ЛФ (1994). ДНК топоизомеразе: Лекови који циљају топоизомеразу. Академска штампа. пп 307
6. Осхерофф, Н. и Бјорнсти, М. (2001). ДНК топоизомераза. Ензимологија и лекови. ИИ свезак. Хумана Пресс. пп 329.
7. Ротхенберг, МЛ (1997). Инхибитори топоизомеразе И: Преглед и ажурирање. Анали онкологије, 8 (9), 837–855. дои: 10.1023 / а: 1008270717294
8. Риан Б. (2009, 14. децембра). Топоизомераза 1 и 2.. Опоравак са иоутубе.цом