Karakteristike, funkcije, vrste i inhibitori topoizomeraza

topoizomeraza su vrsta enzima izomeraze koji modificiraju topologiju deoksiribonukleinske kiseline (DNK), generirajući i njezino odvijanje kao i njegovo namotavanje i superokretanje.

Ovi enzimi imaju specifičnu ulogu u olakšavanju torzijskog stresa u DNA tako da se mogu pojaviti važni procesi kao što je njegova replikacija, transkripcija DNA u glasničkoj ribonukleinskoj kiselini (mRNA) i rekombinacija DNA..

Enozi topoizomeraze prisutni su u eukariotskim i prokariotskim stanicama. Njezino postojanje predviđali su znanstvenici Watson i Crick, kada su procjenjivali ograničenja koja je DNA struktura predstavila kako bi omogućila pristup njezinim informacijama (pohranjenim u nukleotidnoj sekvenci)..

Da bi se razumjele funkcije topoizomeraza, mora se uzeti u obzir da DNK ima stabilnu strukturu dvostruke spirale, s lancima koji su namotani jedan na drugi.

Ovi linearni lanci su sastavljeni od 2-deoksiriboze spojene fosfodiesterskim vezama 5'-3 ', i dušikovih baza u njihovoj unutrašnjosti, poput koraka spiralnog stubišta.

Topološko proučavanje molekula DNA pokazalo je da oni mogu preuzeti nekoliko konformacija ovisno o njihovoj torzijskoj napetosti: od opuštenog stanja, do različitih stanja namatanja koje dopuštaju njihovo zbijanje.

DNA molekule s različitim konformacijama nazivaju se topoizomeri. Stoga možemo zaključiti da topoizomeraze I i II mogu povećati ili smanjiti torzijsku napetost molekula DNA, formirajući njihove različite topoizomere.

Među mogućim DNK topoizomerima, najčešća konformacija je super-pregib, koji je vrlo kompaktan. Međutim, dvostruka spirala DNA također se mora odmotati topoizomerazama tijekom nekoliko molekularnih procesa.

indeks

• 1 Značajke
  • 1.1. Mehanizam općeg djelovanja
  • 1.2 Topoizomeraze i stanični ciklus
• 2 Funkcije
  • 2.1 Kompaktno skladištenje genetskog materijala
  • 2.2. Pristup genetskim informacijama
  • 2.3 Regulacija ekspresije gena
  • 2.4 Posebnosti topoizomeraze II
• 3 Vrste topoizomeraza
  • 3.1-Topoizomeraze tipa I
  • 3.2 -Topoizomeraze tipa II
  • 3.3 - Ljudski topoizomeraze
• Inhibitori topoizomeraze
  • 4.1-Topoizomeraze kao meta za kemijski napad
  • 4.2-Vrste inhibicije
  • 4.3 - Inhibitori topoizomeraze
• 5 Reference

značajke

Mehanizam općeg djelovanja

Neke topoizomeraze mogu opustiti samo negativne DNK super-zavojnice, ili obje DNK super-zavojnice: pozitivne i negativne.

Ako se kružna dvolančana DNK odmota na svojoj uzdužnoj osi i dogodi lijevi okret (u smjeru kazaljke na satu), za nju se kaže da je superokvirana negativno. Ako je skretanje u smjeru kazaljke na satu (suprotno od kazaljke na satu), ono je pozitivno super-namotano.

U osnovi, topoizomeraze mogu:

-Olakšati prolaz niza DNA kroz rez u suprotnom lancu (topoizomeraza tipa I).

-Olakšati prolazak potpune dvostruke zavojnice kroz rascjep u sebi, ili kroz rascjep u drugu različitu dvostruku spiralu (topoizomeraza tipa II).

Ukratko, topoizomeraze djeluju cijepanjem fosfodiesterskih veza, u jednom ili oba lanca koji čine DNK. Zatim modificirajte stanje namotavanja niti dvostruke spirale (topoizomeraza I) ili dvije dvostruke spirale (topoizomeraza II), kako bi se konačno vratili na vezanje ili vezanje krajeva.

Topoizomeraze i stanični ciklus

Iako je topoizomeraza I enzim koji pokazuje veću aktivnost tijekom S faze (sinteza DNA), ne smatra se da ovisi o fazi staničnog ciklusa.

Dok je aktivnost topoizomeraze II aktivnija tijekom logaritamske faze rasta stanica iu stanicama brzo rastućih tumora.

funkcije

Promjena gena koji kodiraju topoizomeraze je smrtonosna za stanice, pokazujući važnost tih enzima. Među procesima u kojima sudjeluju topoizomeraze su:

Kompaktno skladištenje genetskog materijala

Topoizomeraze olakšavaju skladištenje genetskih informacija na kompaktan način, jer one stvaraju DNA namotavanje i superzavršavanje, omogućujući da se velika količina informacija pronađe u relativno malom volumenu.

Pristup genetskim informacijama

Da nema topoizomeraza i njihovih jedinstvenih karakteristika, bilo bi nemoguće pristupiti informacijama pohranjenim u DNA. To je zato što topoizomeraze periodično oslobađaju napetost uvijanjem koje se generira u dvostrukoj heliksi DNA, tijekom njenog odmotavanja, u procesima replikacije, transkripcije i rekombinacije.

Ako se napetost zbog torzije koja nastane tijekom tih procesa ne otpušta, može proizvesti defektnu ekspresiju gena, prekid kružne DNA ili kromosoma, čak i stvaranje stanične smrti.

Regulacija ekspresije gena

Konformacijske promjene (u trodimenzionalnoj strukturi) molekule DNA izlažu određene regije izvana, koje mogu međusobno djelovati s proteinima koji vežu DNA. Ovi proteini imaju regulatornu funkciju ekspresije gena (pozitivnu ili negativnu).

Prema tome, stanje navijanja DNA, koje nastaje djelovanjem topoizomeraza, utječe na regulaciju ekspresije gena.

Osobitosti topoizomeraze II

Topoizomeraza II je neophodna za sastavljanje kromatida, kondenzaciju i dekondenzaciju kromosoma i segregaciju kćerih DNA molekula tijekom mitoze.

Ovaj enzim je također strukturni protein i jedan od glavnih sastojaka matrice stanične jezgre tijekom interfaze.

Vrste topoizomeraza

Postoje dva glavna tipa topoizomeraza ovisno o tome mogu li cijepati jedan ili dva lanca DNA.

-Topoizomeraze tipa I

monomerna                 

Topoizomeraze tipa I su monomeri koji ublažavaju negativne i pozitivne super koloide, koje nastaju pomicanjem vilice tijekom transkripcije, te tijekom procesa replikacije i rekombinacije gena..

Topoizomeraze tipa I mogu se podijeliti u tip 1A i tip 1B. Potonji su oni koji se nalaze kod ljudi i odgovorni su za opuštanje super vučne DNA.

Tirozin na svom aktivnom mjestu

Topoizomeraza 1B (Top1B) sastoji se od 765 aminokiselina podijeljenih u 4 specifične domene. Jedna od tih domena ima visoko konzervirano područje koje sadrži aktivno mjesto s tirozinom (Tyr7233). Svi topoizomeraze na svom aktivnom mjestu imaju tirozin s temeljnom ulogom u cijelom katalitičkom procesu.

Mehanizam djelovanja

Tirozin iz aktivnog mjesta formira kovalentnu vezu s 3'-fosfatnim krajem DNA lanca, odsijecajući ga i držeći ga vezanim za enzim, dok prolazi još jedan lanac DNA kroz izrezivanje.

Prolazak druge niti DNA kroz izrezani lanac postiže se zahvaljujući konformacijskoj transformaciji enzima, koja proizvodi otvaranje DNK dvostruke spirale.

Tada se topoizomeraza I vraća u svoju početnu konformaciju i ponovno veže izrezane krajeve. To se događa procesom obrnutim od loma DNA lanca, u katalitičkom mjestu enzima. Konačno, topoizomeraza oslobađa lanac DNA.

Brzina vezanja DNA je viša od stope ekscizije, koja osigurava stabilnost molekule i integritet genoma.

Ukratko, topoizomeraza tipa I katalizira:

1. Izrezivanje niti.
2. Prolaz drugog niza kroz rascjep.
3. Podvezivanje podijeljenih završetaka.

-Topoizomeraze tipa II

dimemi

Topoizomeraze tipa II su dimerni enzimi, koji cijepaju oba pramena DNA, opuštajući na taj način supertekule koje nastaju tijekom transkripcije i drugih staničnih procesa..

Mg ovisnici⁺⁺ i ATP

Ovi enzimi trebaju magnezij (Mg⁺⁺) i također trebaju energiju koja dolazi iz razgradnje ATP trifosfatne veze, koju oni koriste zahvaljujući ATPase.

Dva aktivna mjesta s tirozinom

Ljudski topoizomeraze II vrlo su slične onima kvasca (Saccharomyces cerevisiae), koji se sastoji od dva monomera (podfragmenti A i B). Svaki monomer ima ATPaznu domenu, te u podfragmentu tirozinsko aktivno mjesto 782, na koje se DNA može vezati. Stoga se dvije niti DNA mogu spojiti s topoizomerazom II.

Mehanizam djelovanja

Mehanizam djelovanja topoizomeraze II je isti kao i onaj opisan za topoizomerazu I, s obzirom da su dva DNA lanca cijepana, a ne samo jedan.

U aktivnom mjestu topoizomeraze II stabilizira se fragment proteina (kovalentnim vezanjem s tirozinom). dvostruka zavojnica DNA, koja se naziva "fragment G". Ovaj fragment se cijepa i drži vezanim na aktivno mjesto kovalentnim vezama.

Zatim, enzim dopušta da drugi fragment DNA, nazvan "T fragment", prođe kroz fragment "G" cijepan, zahvaljujući konformacijskoj promjeni enzima, koja ovisi o hidrolizi ATP-a..

Topoizomeraza II veže dva kraja "fragmenta G" i konačno oporavlja svoje početno stanje, oslobađajući fragment "G". Nakon toga, DNA opušta torzijsku napetost, dopuštajući procese replikacije i transkripcije.

-Ljudski topoizomeraze

Ljudski genom ima pet topoizomeraza: top1, top3α, top3β (tipa I); i top2α, top2β (tipa II). Najrelevantnije humane topoizomeraze su top1 (topoizomeraza tipa IB) i 2α (topoizomeraza tipa II).

Inhibitori topoizomeraze

-Topoizomeraze kao meta za kemijski napad

Budući da su procesi katalizirani topoizomerazama neophodni za preživljavanje stanica, ovi enzimi su dobri ciljevi napada na maligne stanice. Zbog toga se topoizomeraze smatraju važnim u liječenju mnogih ljudskih bolesti.

Lijekovi koji su u interakciji s topoizomerazama trenutno su široko proučavani kao kemoterapijske tvari protiv stanica raka (u različitim organima tijela) i patogenih mikroorganizama..

-Vrste inhibicije

Lijekovi koji inhibiraju aktivnost topoizomeraze mogu:

• Unos u DNK.
• Utjecaj na enzim topoizomeraze.
• Interleave na molekulu u blizini aktivnog mjesta enzima dok je DNA-topoizomerazni kompleks stabiliziran.

Stabilizacija prolaznog kompleksa koji nastaje vezanjem DNA na tirozin katalitičkog mjesta enzima sprječava ujedinjenje isječenih fragmenata, što može dovesti do smrti stanice..

-Inhibitori topoizomeraza

Među spojevima koji inhibiraju topoizomeraze su slijedeći.

Antitumorski antibiotici

Antibiotici se koriste protiv raka, jer sprječavaju rast tumorskih stanica, obično ometanjem njihove DNK. Često se nazivaju antineoplastičnim antibioticima (protiv raka). Primjerice, aktinomicin D utječe na topoizomerazu II i koristi se u Wilmsovim tumorima u djece i rabdomiosarkoma..

antraciklinc

Antraciklini su, među antibioticima, najučinkovitiji lijekovi protiv raka i najširi spektar. Koriste se u liječenju raka pluća, jajnika, maternice, želuca, mjehura, dojki, leukemije i limfoma. Poznato je da utječe na topoizomerazu II interkalacijom u DNA.

Prvi antraciklin izoliran iz aktinobakterija (Streptomyces peucetius) je bio daunorubicin. Nakon toga, u laboratoriju je sintetiziran doksorubicin, a sada se također koriste epirubicin i idarubicin..

antrakinon

Antrakinoni ili antracenedioni su spojevi dobiveni iz antracena, slični antraciklinima, koji utječu na aktivnost topoizomeraze II interkalacijom u DNA. Koriste se za metastatski rak dojke, ne-Hodgkinov limfom (NHL) i leukemiju.

Ti su lijekovi pronađeni u pigmentima nekih insekata, biljaka (frángula, senna, rabarbara), lišaja i gljivica; kao iu hoeliti, koja je prirodni mineral. Ovisno o njihovoj dozi, mogu biti kancerogene.

Među tim spojevima imamo mitoksantron i njegov analog losoksantron. To sprječava proliferaciju malignih tumorskih stanica, ireverzibilno se veže na DNA.

epipodofilotoksine

Podofilotoksini, kao što su epidofilotoksini (VP-16) i teniposid (VM-26), tvore kompleks s topoizomerazom II. Koriste se protiv raka pluća, testisa, leukemije, limfoma, raka jajnika, karcinoma dojke i malignih intrakranijskih tumora, među ostalima. Oni su izolirani od biljaka Podophyllum notatum i P. peltatum.

Analozi kamptotecina

Campotecini su spojevi koji inhibiraju topoizomerazu I, a među njima su irinotekan, topotekan i diflomotekan.

Ovi spojevi korišteni su protiv raka debelog crijeva, pluća i dojke, a dobiveni su prirodno od kore i lišća drvenih vrsta. Camptotheca acuminata kineske breskve i Tibet.

Prirodna inhibicija

Strukturne promjene topoizomeraza I i II također se mogu pojaviti potpuno prirodno. To se može dogoditi tijekom nekih događaja koji utječu na njegov katalitički proces.

Među tim promjenama možemo spomenuti formiranje pirimidinskih dimera, neusklađenosti dušičnih baza i drugih događaja uzrokovanih oksidativnim stresom..

reference

1. Anderson, H., i Roberge, M. (1992). DNA topoizomeraza II: pregled njezine uključenosti u strukturu kromosoma, replikaciju DNA, transkripciju i mitozu. International Biology International Reports, 16 (8): 717-724. doi: 10.1016 / s0309-1651 (05) 80016-5
2. Chhatriwala, H., Jafri, N., i Salgia, R. (2006). Pregled inhibicije topoizomeraze u raku pluća. Cancer Biology & Therapy, 5 (12): 1600-1607. doi: 10.4161 / cbt.5.12.3546
3. Ho, Y.-P., Au-Yeung, S.C.F, & To, K.K.W. (2003). Antikancerogena sredstva na bazi platine: inovativne strategije dizajna i biološke perspektive. Medicinal Research Reviews, 23 (5): 633-655. doi: 10.1002 / med.10038
4. Li, T.-K., i Liu, L.F. (2001). Smrt tumorskih stanica inducirana lijekovima koji ciljaju na topoizomerazu. Godišnji pregled farmakologije i toksikologije, 41 (1): 53-77. doi: 10.1146 / annurev.pharmtox.41.1.53
5. Liu, L.F. (1994). DNA Topoizomeraze: lijekovi koji ciljaju na topoizomeraze. Academic Press. 307
6. Osheroff, N. i Bjornsti, M. (2001). DNA Topoizomeraza. Enzimologija i lijekovi. Tom II. Humana Press. str. 329.
7. Rothenberg, M. L. (1997). Inhibitori topoizomeraze I: Pregled i ažuriranje. Annals of Oncology, 8 (9), 837-855. doi: 10.1023 / a: 1008270717294
8. Ryan B. (2009., 14. prosinca). Topoizomeraza 1 i 2. [Video datoteka]. Preuzeto s youtube.com