TOPOIZOMERAZĖS: CHARAKTERISTIKOS, FUNKCIJOS, TIPAI IR INHIBITORIAI - BIOLOGIJA - 2025

Kad topoizomerazių yra fermentai izomerazių modifikavimo dezoksiribonukleino rūgšties (DNR) topologijos, generuoti abu savo nuvyniojimą ir supercoiling kaip jos curl tipą.

Šie fermentai turi specifinį vaidmenį atleidžiant sukimo stresą DNR, todėl gali vykti svarbūs procesai, tokie kaip jo replikacija, DNR transkripcija į ribonukleorūgštį (mRNR) ir DNR rekombinacija.

1 pav. Topoizomerazė II. Šaltinis: Emw, iš „Wikimedia Commons“

Topoizomerazės fermentai yra tiek eukariotinėse, tiek prokariotinėse ląstelėse. Jo egzistavimą numatė mokslininkai Watsonas ir Crickas, vertindami apribojimus, kuriuos pateikia DNR struktūra, kad būtų galima prieiti prie jos informacijos (saugomos jos nukleotidų sekoje).

Norint suprasti topoizomerazių funkcijas, reikia manyti, kad DNR turi stabilią dvigubos spiralės struktūrą, o jų sruogos suvyniotos viena virš kitos.

Šios tiesinės grandinės yra sudarytos iš 2-dezoksiribozės, sujungtos 5'-3 'fosfodiesteriniais ryšiais, ir azoto bazių, esančių viduje, kaip spiralinių laiptų pakopose.

2 pav. DNR molekulė. Šaltinis: https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:3DScience_DNA_structure_labeled_a.jpg

Topologinis DNR molekulių tyrimas parodė, kad priklausomai nuo jų sukimo streso, jos gali įgauti įvairias konfigūracijas: nuo atsipalaidavimo būsenos iki skirtingų ribojimo būsenų, leidžiančių jas sutankinti.

Skirtingos konfigūracijos DNR molekulės vadinamos topoizomerais. Taigi galime daryti išvadą, kad I ir II topoizomerazės gali padidinti ar sumažinti DNR molekulių sukimo stresą, sudarydamos skirtingus jų topoizomerus.

Tarp galimų DNR topoizomerų labiausiai paplitusi konformacija yra superritė, kuri yra labai kompaktiška. Tačiau atliekant įvairius molekulinius procesus, DNR dviguba spiralė taip pat turi būti išvyniota topoizomerazėmis.

charakteristikos

Bendrasis veikimo mechanizmas

Kai kurios topoizomerazės gali atpalaiduoti tik neigiamus DNR supercooleus arba abu DNR supercooleus: teigiamus ir neigiamus.

Jei apskrito dviskiemenė DNR yra neapvyniota ant jos išilginės ašies ir įvyksta kairiarankis posūkis (pagal laikrodžio rodyklę), sakoma, kad ji yra suvyniota neigiamai. Jei posūkis vyksta pagal laikrodžio rodyklę (prieš laikrodžio rodyklę), jis teigiamai apvirsta.

3 pav. Neigiamai apvyniota, atpalaiduota ir teigiamai apvyniota apvali dviguba grandinė DNR. Šaltinis: „Fdardel“, iš „Wikimedia Commons“

Iš esmės topoizomerazės gali:

- Palengvinkite DNR grandinės praėjimą per priešingos grandinės pjūvį (I tipo topoizomerazė).

- Palengvinkite visos dvigubos spiralės praėjimą per patį skilimą arba skilimą kitoje kitoje dviguboje spiralėje (II tipo topoizomerazė).

Apibendrinant galima pasakyti, kad topoizomerazės veikia skaidydamos fosfodiesterinius ryšius vienoje arba abiejose grandinėse, sudarančiose DNR. Tada jie modifikuoja dvigubos spiralės (topoizomerazės I) arba dviejų dvigubų spiralių (topoizomerazė II) sruogų rišimo būseną, kad galiausiai vėl surištų ar surištų suskaidytus galus.

Topoizomerazės ir ląstelių ciklas

Nors topoizomerazė I yra fermentas, pasižymintis didesniu aktyvumu S fazės metu (DNR sintezė), nelaikoma, kad jis priklauso nuo ląstelių ciklo fazės.

Tuo tarpu topoizomerazės II aktyvumas yra aktyvesnis ląstelių augimo logaritminėje fazėje ir greitai augančių navikų ląstelėse.

funkcijos

Genų, koduojančių topoizomerazes, pakitimas ląstelėms yra mirtinas, o tai rodo šių fermentų svarbą. Tarp procesų, kuriuose dalyvauja topoizomerazės, yra:

Kompaktiškas genetinės medžiagos saugojimas

Topoizomerazės palengvina genetinės informacijos saugojimą kompaktiškai, nes jos sukuria DNR susisukimo ir perkaitimo pobūdį, todėl santykinai mažame tūryje galima rasti didelį informacijos kiekį.

Prieiga prie genetinės informacijos

Be topoizomerazių ir nepakartojamų jų savybių neįmanoma pasiekti DNR saugomos informacijos. Taip yra dėl to, kad topoizomerazės periodiškai atpalaiduoja sukimo stresą, kuris susidaro DNR dviguboje spiralėje, jos atsukimo metu, replikacijos, transkripcijos ir rekombinacijos procesuose.

4 pav. DNR replikacija. Žr. Topoizomerazę DNR plaukų segtuko pradžioje. Šaltinis: „LadyofHats“ išvertė Miguelsierra per „Wikimedia Commons“

Jei šių procesų metu sukeltas sukimo stresas nebus paleistas, gali atsirasti defektų geno ekspresija, nutrūkti žiedinė DNR ar chromosoma, netgi sukelti ląstelių mirtį.

Genų ekspresijos reguliavimas

Dėl DNR molekulės konformacinių pokyčių (trimatėje struktūroje) iš išorės iškyla specifiniai regionai, kurie gali sąveikauti su DNR jungiančiais baltymais. Šie baltymai turi reguliuojančią genų ekspresijos funkciją (teigiamą ar neigiamą).

5 paveikslas. Reguliuojamas genų ekspresijos baltymas, šiuo atveju jis neleidžia ekspresuoti tam tikrų genų. Zephyris anglų kalbos Vikipedijoje

Taigi DNR besisukanti būsena, sugeneruota veikiant topoizomerazėms, turi įtakos genų ekspresijos reguliavimui.

II topoizomerazės ypatumai

Topoizomerazė II yra reikalinga chromatidėms surinkti, chromosomų kondensacijai ir dekondensacijai bei dukterinių DNR molekulių atskyrimui mitozės metu.

Šis fermentas taip pat yra struktūrinis baltymas ir viena pagrindinių ląstelės branduolio matricos sudedamųjų dalių interfazės metu.

Topoizomerazių tipai

Yra du pagrindiniai topoizomerazių tipai, atsižvelgiant į tai, ar jie sugeba suskaidyti vieną ar dvi DNR grandines.

-Topoizomerazės I tipo

Monomerinis

I tipo topoizomerazės yra monomerai, palengvinantys neigiamus ir teigiamus superrutulius, kuriuos sukuria plaukų smeigtukai judant transkripcijos metu, taip pat replikacijos ir genų rekombinacijos procesuose.

I tipo topoizomerazes galima suskirstyti į 1A ir 1B tipus. Pastarieji yra tie, kurie randami žmonėms, ir jie yra atsakingi už superviršytos DNR atpalaidavimą.

Tirozinas savo aktyviojoje svetainėje

Topoizomerazė 1B (Top1B) yra sudaryta iš 765 aminorūgščių, padalytų į 4 specifines sritis. Viename iš šių domenų yra labai konservuota sritis, kurioje yra tirozino aktyvioji vieta (Tyr7233). Visų topoizomerazių aktyviojoje vietoje yra tirozinas, atliekantis pagrindinį vaidmenį visame kataliziniame procese.

Veiksmo mechanizmas

Aktyvus tirozinas suformuoja kovalentinį ryšį su DNR grandinės 3'-fosfato galu, supjaustydamas ją ir laikydamas ją prijungtą prie fermento, o kita DNR grandinė praeina per skilimą.

Kita DNR grandinė praeina per suskaidytą sruogą per konformacinę fermento transformaciją, kuri sukelia DNR dvigubos spiralės atidarymą.

Tada topoizomerazė I grįžta į pradinę konformaciją ir vėl suriša suskaidytus galus. Tai įvyksta proceso metu, atvirkščiai DNR grandinės suskaidymui, fermento katalizinėje vietoje. Galiausiai topoizomerazė atpalaiduoja DNR grandinę.

DNR surišimo greitis yra didesnis nei išsiskyrimo greitis, tokiu būdu užtikrinant molekulės stabilumą ir genomo vientisumą.

Apibendrinant galima pasakyti, kad I tipo topoizomerazės katalizuoja:

1. Sruogos suskaidymas.
2. Kitos stygos praėjimas per skilimą.
3. Nupjautų galų sujungimas.

- II tipo topoizomerazės

Dimerinis

II tipo topoizomerazės yra dimeriniai fermentai, kurie skaido abi DNR grandines, taip atpalaiduodami superkrupes, kurios susidaro transkripcijos ir kitų ląstelių procesų metu.

Mg priklausomas

Šiems fermentams reikia magnio (Mg ⁺⁺ ), taip pat energijos, kuri gaunama sulaužius ATP trifosfato ryšį, kurį jie išnaudoja dėka ATPazės.

Dvi aktyvios vietos su tirozinu

Žmogaus II topoisomerazės II yra labai panašios į mieles (Saccharomyces cerevisiae), kurias sudaro du monomerai (A ir B subfragmentai). Kiekvienas monomeras turi ATPazės domeną, o subfragmente - aktyviosios vietos tirozinas 782, prie kurio gali prisijungti DNR. Taigi, dvi DNR grandinės gali jungtis prie topoizomerazės II.

Veiksmo mechanizmas

Topoizomerazės II veikimo mechanizmas yra toks pat, kaip aprašytas topoizomerazės I veikimui, atsižvelgiant į tai, kad yra suskaidomos dvi DNR grandinės, o ne viena.

Aktyviojoje topoizomerazės II vietoje stabilizuojamas dvigubos spiralės DNR fragmentas, vadinamas „fragmentu G“ (kovalentiniu ryšiu su tirozinu). Šis fragmentas pašalinamas ir kovalentiniais ryšiais laikomas prie aktyviosios vietos.

Tuomet fermentas leidžia kitam DNR fragmentui, vadinamam „T fragmentui“, pereiti per suskaidytą „G“ fragmentą, dėl fermento, kuris priklauso nuo ATP hidrolizės, konformacinio pokyčio.

Topoizomerazė II suriša du „G fragmento“ galus ir galiausiai atkuria pradinę būseną, išlaisvindama „G“ fragmentą. Tada DNR atpalaiduoja sukimo stresą, leisdamas atsirasti replikacijai ir transkripcijai.

-Žmogaus topoizomerazės

Žmogaus genomas turi penkias topoizomerazes: top1, top3α, top3β (I tipas); ir top2α, top2β (II tipo). Aktualiausios žmogaus topoizomerazės yra top1 (IB tipo topoizomerazė) ir 2α (II tipo topoisomerazės).

Topoizomerazės inhibitoriai

-Topoizomerazės kaip cheminės atakos taikinys

Kadangi topoizomerazių katalizuojami procesai yra būtini ląstelėms išgyventi, šie fermentai yra geras atakos objektas, kad paveiktų piktybines ląsteles. Dėl šios priežasties topoizomerazės laikomos svarbiomis gydant daugelį žmonių ligų.

Vaistai, sąveikaujantys su topoizomerazėmis, šiuo metu yra plačiai tiriami kaip chemoterapinės medžiagos nuo vėžio ląstelių (skirtinguose kūno organuose) ir patogeninių mikroorganizmų.

- Slopinimo tipai

Vaistai, slopinantys topoizomerazės aktyvumą, gali:

• Sumuštos DNR.
• Įtakoja fermento topoizomerazę.
• Tarpukariuokite molekulėje, esančioje netoli aktyviosios fermento vietos, o DNR-topoizomerazės kompleksas stabilizuojasi.

Laikinojo komplekso, kuris susidaro jungiantis DNR prie fermento katalizinės vietos tirozino, stabilizavimas apsaugo nuo suskaidytų fragmentų surišimo, o tai gali sukelti ląstelių mirtį.

-Topoizomerazių inhibitoriai

Tarp junginių, kurie slopina topoizomerazes, yra šie.

Priešvėžiniai antibiotikai

Antibiotikai yra naudojami prieš vėžį, nes jie užkerta kelią navikinių ląstelių augimui, dažniausiai trukdydami jų DNR. Tai dažnai vadinama antineoplastiniais (vėžio) antibiotikais. Pvz., Aktinomicinas D veikia topoizomerazę II ir yra naudojamas vaikų Wilms navikams bei rabdomiosarkoms.

Antraciklinai

Antraciklinai yra vieni iš veiksmingiausių priešvėžinių vaistų, kurių spektras yra plačiausias. Jie naudojami plaučių, kiaušidžių, gimdos, skrandžio, šlapimo pūslės, krūties, leukemijos ir limfomų vėžiui gydyti. Yra žinoma, kad topoizomerazė II paveikia interkaliaciją DNR.

Pirmasis antraciklinas, išskirtas iš aktinobakterijų (Streptomyces peucetius), buvo daunorubicinas. Vėliau doksorubicinas buvo sintezuotas laboratorijoje, o epirubicinas ir idarubicinas naudojami ir šiandien.

Antrachinonai

Antrachinonai arba antracendionai yra junginiai, gauti iš antraceno, panašūs į antraciklinus, veikiantys topoizomerazės II aktyvumą interkaluojant DNR. Jie naudojami metastazavusiam krūties vėžiui, ne Hodžkino limfomai (NHL) ir leukemijai gydyti.

Šie vaistai buvo rasti kai kurių vabzdžių, augalų (frangula, senna, rabarbarai), kerpių ir grybelių pigmentuose; taip pat hoelite, kuris yra natūralus mineralas. Atsižvelgiant į dozę, jie gali būti kancerogeniniai.

Tarp šių junginių turime mitoksantroną ir jo analogą losoksantroną. Tai neleidžia plisti piktybinėms navikinėms ląstelėms, kurios negrįžtamai prisijungia prie DNR.

Epidofilotoksinai

Podofilotoksinai, tokie kaip epidofilotoksinai (VP-16) ir tenipozidas (VM-26), sudaro kompleksą su topoizomeraze II. Jie, be kitų, naudojami nuo plaučių vėžio, sėklidžių vėžio, leukemijos, limfomų, kiaušidžių vėžio, krūties karcinomos ir piktybinių intrakranijinių navikų. Podophyllum notatum ir P. peltatum yra išskirti iš augalų.

Kamptotecino analogai

Kampotecinai yra junginiai, slopinantys topoizomerazę I, įskaitant irinotecan, topotecan ir diflomotecan.

Šie junginiai buvo naudojami prieš storosios žarnos, plaučių ir krūties vėžį ir yra natūraliai gaunami iš Kinijos ir Tibeto kukurūzų arbatinių augalų Camptotheca acuminata žievės ir lapų.

Natūralus slopinimas

I ir II topoizomerazių struktūriniai pokyčiai taip pat gali įvykti visiškai natūraliai. Tai gali nutikti kai kurių įvykių, turinčių įtakos jūsų kataliziniam procesui, metu.

Šie pokyčiai apima pirimidino dimerų susidarymą, azotinių bazių neatitikimą ir kitus įvykius, kuriuos sukelia oksidacinis stresas.

Nuorodos

1. Andersonas, H., ir Roberge, M. (1992). II DNR topoizomerazė: jos dalyvavimo chromosomų struktūroje, DNR replikacijos, transkripcijos ir mitozės apžvalga. Tarptautinės ląstelių biologijos ataskaitos, 16 (8): 717–724. doi: 10.1016 / s0309-1651 (05) 80016-5
2. Chhatriwala, H., Jafri, N., ir Salgia, R. (2006). Topoizomerazės slopinimo plaučių vėžyje apžvalga. Vėžio biologija ir terapija, 5 (12): 1600–1607. doi: 10.4161 / cbt.5.12.3546
3. Ho, Y.-P., Au-Yeung, SCF ir To, KKW (2003). Priešvėžiniai vaistai iš platinos: novatoriškos projektavimo strategijos ir biologinės perspektyvos. Medicininių tyrimų apžvalgos, 23 (5): 633–655. doi: 10.1002 / med.10038
4. Li, T.-K., ir Liu, LF (2001). Naviko ląstelių mirtis, kurią sukelia vaistai, nukreipti į topoizomerazes. Metinė farmakologijos ir toksikologijos apžvalga, 41 (1): 53–77. doi: 10.1146 / annurev.pharmtox.41.1.53
5. Liu, LF (1994). DNR topoizomerazės: vaistai, nukreipti į topoizomerazes. Akademinė spauda. p. 307
6. Osheroff, N. ir Bjornsti, M. (2001). DNR topoizomerazė. Enzimologija ir narkotikai. II tomas. „Humana Press“. p. 329.
7. Rothenberg, ML (1997). Topoizomerazės I inhibitoriai: peržiūrėkite ir atnaujinkite. Onkologijos metraštis, 8 (9), 837–855. doi: 10.1023 / a: 1008270717294
8. Ryanas B. (2009 m. Gruodžio 14 d.). 1 ir 2 topoizomerazė .. Atgauta iš youtube.com