TOPOISOMERASES: CIRI, FUNGSI, JENIS DAN PERENCAT - BIOLOGI - 2026

The topoisomerases enzim isomerases sejenis mengubah topologi asid deoksiribonukleik (DNA), menjana kedua-dua bersantai dan supercoiling sebagai curl itu.

Enzim ini mempunyai peranan khusus dalam menghilangkan tekanan kilasan dalam DNA sehingga proses penting seperti replikasi, transkripsi DNA menjadi asid ribonukleat utusan (mRNA), dan penggabungan DNA dapat terjadi.

Rajah 1. Topoisomerase II. Sumber: Emw, dari Wikimedia Commons

Enzim Topoisomerase terdapat pada sel eukariotik dan prokariotik. Keberadaannya diramalkan oleh para saintis Watson dan Crick, ketika menilai batasan yang ditunjukkan oleh struktur DNA untuk membolehkan akses ke maklumatnya (disimpan dalam urutan nukleotida).

Untuk memahami fungsi topoisomerase, mesti dipertimbangkan bahawa DNA mempunyai struktur heliks berkembar yang stabil, dengan helaiannya melilit satu sama lain.

Rantai linier ini terdiri daripada 2-deoxyribose yang dihubungkan oleh ikatan fosfodiester 5'-3 ', dan pangkalan nitrogen di dalamnya, seperti anak tangga tangga spiral.

Rajah 2. molekul DNA. Sumber: https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo:3DScience_DNA_structure_labeled_a.jpg

Kajian topologi molekul DNA menunjukkan bahawa mereka dapat menganggap pelbagai konformasi bergantung pada tekanan kilasan mereka: dari keadaan santai hingga keadaan gegelung yang berbeza yang memungkinkan pemadatannya.

Molekul DNA dengan konformasi yang berbeza disebut topoisomer. Oleh itu, kita dapat menyimpulkan bahawa topoisomerase I dan II dapat meningkatkan atau menurunkan tekanan kilasan molekul DNA, membentuk topoisomer mereka yang berbeza.

Di antara kemungkinan topoisomer DNA, penyesuaian yang paling biasa adalah supercoil, yang sangat padat. Walau bagaimanapun, heliks ganda DNA juga mesti dikeluarkan oleh topoisomerase semasa pelbagai proses molekul.

ciri-ciri

Mekanisme tindakan umum

Sebilangan topoisomerase hanya dapat mengendurkan superkil DNA negatif, atau kedua-dua lapisan super DNA: positif dan negatif.

Sekiranya DNA helai dua bulat dililit pada paksi membujur dan giliran tangan kiri (mengikut arah jam) berlaku, ia dikatakan terlilit negatif. Sekiranya belokan mengikut arah jam (berlawanan arah jam), ia akan dilapisi secara positif.

Rajah 3. DNA untai berkembar supercoiled, santai dan positif melingkar positif. Sumber: Fdardel, dari Wikimedia Commons

Pada dasarnya, topoisomerase boleh:

-Fasilitasi laluan untaian DNA melalui potongan pada helai yang bertentangan (topoisomerase jenis I).

-Fasilitasi laluan heliks berganda yang lengkap melalui pembelahan itu sendiri, atau melalui pembelahan pada heliks berganda yang lain (topoisomerase jenis II).

Ringkasnya, topoisomerase bertindak melalui pemisahan ikatan fosfodiester, dalam satu atau kedua helai yang membentuk DNA. Mereka kemudian mengubah keadaan gegelung helai ganda heliks (topoisomerase I) atau dua heliks berganda (topoisomerase II), untuk akhirnya mengikat atau mengikat hujung yang pecah lagi.

Topoisomerases dan kitaran sel

Walaupun topoisomerase I adalah enzim yang menunjukkan aktiviti yang lebih tinggi semasa fasa S (sintesis DNA), ia tidak dianggap bergantung pada fasa kitaran sel.

Manakala aktiviti topoisomerase II lebih aktif semasa fasa logaritmik pertumbuhan sel dan pada sel-sel tumor yang berkembang pesat.

ciri-ciri

Perubahan gen yang memberi kod topoisomerase adalah mematikan sel, membuktikan betapa pentingnya enzim ini. Antara proses di mana topoisomerase mengambil bahagian, adalah:

Penyimpanan bahan genetik yang padat

Topoisomerases memudahkan penyimpanan maklumat genetik dengan cara yang padat, kerana ia menghasilkan penggulungan dan lapisan super DNA, yang memungkinkan sejumlah besar maklumat ditemui dalam jumlah yang agak kecil.

Akses kepada maklumat genetik

Tanpa topoisomerase dan ciri khasnya, mustahil untuk mengakses maklumat yang tersimpan dalam DNA. Ini disebabkan oleh fakta bahawa topoisomerases secara berkala melepaskan tekanan kilasan yang dihasilkan dalam heliks ganda DNA, semasa penolakannya, dalam proses replikasi, transkripsi dan penggabungan semula.

Rajah 4. replikasi DNA. Lihat topoisomerase pada awal jepit rambut DNA. Sumber: LadyofHats diterjemahkan oleh Miguelsierra, melalui Wikimedia Commons

Sekiranya tekanan kilasan yang dihasilkan selama proses ini tidak dilepaskan, ekspresi gen yang cacat dapat terjadi, gangguan DNA bulat atau kromosom, bahkan menghasilkan kematian sel.

Peraturan ekspresi gen

Perubahan konformasi (dalam struktur tiga dimensi) molekul DNA memaparkan kawasan tertentu ke luar, yang dapat berinteraksi dengan protein yang mengikat DNA. Protein ini mempunyai fungsi pengawalan ekspresi gen (positif atau negatif).

Gambar 5. Protein regulasi ekspresi gen, dalam hal ini mencegah ekspresi gen tertentu. Zephyris di Wikipedia bahasa Inggeris

Oleh itu, keadaan gegelung DNA, yang dihasilkan oleh tindakan topoisomerase, mempengaruhi peraturan ekspresi gen.

Kekhususan topoisomerase II

Topoisomerase II diperlukan untuk pemasangan kromatid, pemeluwapan dan dekondensasi kromosom, dan pemisahan molekul DNA anak perempuan semasa mitosis.

Enzim ini juga merupakan protein struktur dan salah satu penyusun utama matriks inti sel semasa interphase.

Jenis topoisomerase

Terdapat dua jenis topoisomerase bergantung kepada sama ada ia mampu memecah satu atau dua helai DNA.

-Topoisomerases jenis I

Monomerik

Topoisomerase jenis I adalah monomer yang mengurangkan supercoil negatif dan positif, yang dihasilkan oleh pergerakan jepit rambut semasa transkripsi, dan semasa proses replikasi dan penggabungan semula gen.

Topoisomerase jenis I boleh dibahagikan kepada jenis 1A dan jenis 1B. Yang terakhir adalah yang terdapat pada manusia, dan mereka bertanggungjawab untuk menenangkan DNA supercoiled.

Tyrosine di laman aktifnya

Topoisomerase 1B (Top1B) terdiri daripada 765 asid amino yang dibahagikan kepada 4 domain tertentu. Salah satu domain ini mempunyai kawasan yang sangat terpelihara yang mengandungi laman aktif tirosin (Tyr7233). Semua topoisomerase menunjukkan tirosin di laman aktifnya dengan peranan asas dalam keseluruhan proses pemangkin.

Mekanisme tindakan

Tyrosine tapak aktif membentuk ikatan kovalen dengan hujung 3'-fosfat untai DNA, memotongnya dan menahannya melekat pada enzim, sementara helai DNA lain melewati pembelahan.

Laluan helai DNA yang lain melalui helai pemisah dicapai berkat transformasi konformasi enzim, yang menghasilkan pembukaan heliks ganda DNA.

Kemudian topoisomerase I kembali ke konformasi awalnya dan mengikat hujung yang pecah lagi. Ini berlaku oleh proses yang berlawanan dengan pemecahan rantai DNA, di tempat pemangkin enzim. Akhirnya, topoisomerase melepaskan helai DNA.

Kadar ligasi DNA lebih tinggi daripada kadar eksisi, sehingga memastikan kestabilan molekul dan integriti genom.

Ringkasnya, topoisomerase jenis I mengkatalisis:

1. Pembelahan helai.
2. Laluan helai lain melalui belahan.
3. Ligasi hujung yang dibelah.

Topoisomerase jenis II

Dimeric

Topoisomerase jenis II adalah enzim dimer, yang membelah kedua helai DNA, sehingga melonggarkan lapisan super yang dihasilkan semasa transkripsi dan proses selular lain.

Bergantung kepada Mg

Enzim-enzim ini memerlukan magnesium (Mg ⁺⁺ ) dan juga memerlukan tenaga yang berasal dari pemutusan ikatan trifosfat ATP, yang mereka manfaatkan berkat ATPase.

Dua laman web aktif dengan tirosin

Topoisomerase manusia II sangat serupa dengan ragi (Saccharomyces cerevisiae), yang terdiri daripada dua monomer (subfragmen A dan B). Setiap monomer mempunyai domain ATPase, dan dalam sub-fragmen tapak aktif tirosin 782, yang boleh diikat oleh DNA. Oleh itu, dua helai DNA dapat mengikat topoisomerase II.

Mekanisme tindakan

Mekanisme tindakan topoisomerase II adalah sama dengan yang dijelaskan untuk topoisomerase I, dengan mempertimbangkan bahawa dua helai DNA dibelah dan bukan hanya satu.

Di tapak aktif topoisomerase II, serpihan DNA heliks ganda, yang disebut "fragmen G", distabilkan (melalui ikatan kovalen dengan tirosin). Fragmen ini dipotong dan disatukan ke laman aktif oleh ikatan kovalen.

Enzim ini kemudian membolehkan fragmen DNA lain, yang disebut "fragmen T", melewati fragmen yang dibelah "G", berkat perubahan konformasi enzim, yang bergantung pada hidrolisis ATP.

Topoisomerase II mengikat dua hujung "G fragmen" dan akhirnya memulihkan keadaan awalnya, melepaskan "G" fragmen. DNA kemudian melonggarkan tekanan kilasan, memungkinkan replikasi dan transkripsi berlaku.

Topoisomerase manusia

Genom manusia mempunyai lima topoisomerase: top1, top3α, top3β (jenis I); dan top2α, top2β (jenis II). Topoisomerase manusia yang paling relevan adalah top1 (topoisomerase jenis IB) dan 2α (topoisomerase jenis II).

Perencat Topoisomerase

-Topoisomerases sebagai sasaran serangan kimia

Kerana proses yang dikatalisis oleh topoisomerase diperlukan untuk kelangsungan hidup sel, enzim ini adalah sasaran serangan yang baik untuk mempengaruhi sel-sel ganas. Atas sebab ini, topoisomerase dianggap penting dalam rawatan banyak penyakit manusia.

Dadah yang berinteraksi dengan topoisomerase kini banyak dikaji sebagai bahan kemoterapi terhadap sel barah (di organ tubuh yang berlainan) dan mikroorganisma patogen.

-Jenis perencatan

Dadah yang menghalang aktiviti topoisomerase boleh:

• Diapit dalam DNA.
• Mempengaruhi enzim topoisomerase.
• Selang molekul dekat dengan tapak aktif enzim sementara kompleks DNA-topoisomerase stabil.

Penstabilan kompleks sementara yang terbentuk dengan pengikatan DNA ke tirosin dari laman pemangkin enzim, mencegah pengikatan serpihan yang pecah, yang boleh menyebabkan kematian sel.

-Topoisomerase inhibitor ubat

Antara sebatian yang menghalang topoisomerase adalah berikut.

Antibiotik antitumor

Antibiotik digunakan untuk melawan barah, kerana mencegah pertumbuhan sel tumor, biasanya mengganggu DNA mereka. Ini sering disebut antibiotik antineoplastik (barah). Sebagai contoh, Actinomycin D mempengaruhi topoisomerase II dan digunakan pada tumor Wilms pada kanak-kanak dan rhabdomyosarcomas.

Anthracyclines

Anthracyclines adalah antara antibiotik, salah satu ubat antikanker yang paling berkesan dan dengan spektrum terluas. Mereka digunakan untuk mengobati barah paru-paru, ovari, rahim, perut, pundi kencing, payudara, leukemia, dan limfoma. Ia diketahui mempengaruhi topoisomerase II dengan interkalasi dalam DNA.

Antrasiklin pertama yang diasingkan dari actinobacteria (Streptomyces peucetius) adalah daunorubicin. Selepas itu doxorubicin disintesis di makmal, dan epirubicin dan idarubicin juga digunakan hari ini.

Anthraquinones

Anthraquinones atau anthracenediones adalah sebatian yang berasal dari anthracene, mirip dengan anthracyclines, yang mempengaruhi aktiviti topoisomerase II dengan interkalasi dalam DNA. Mereka digunakan untuk kanser payudara metastatik, limfoma bukan Hodgkin (NHL), dan leukemia.

Ubat ini dijumpai dalam pigmen beberapa serangga, tanaman (frangula, senna, rhubarb), lumut dan kulat; dan juga pada hoelite, yang merupakan mineral semula jadi. Bergantung pada dos anda, mereka boleh menjadi karsinogenik.

Di antara sebatian ini, kita mempunyai mitoxantrone dan analognya, losoxantrone. Ini mencegah percambahan sel-sel tumor ganas, mengikat DNA dengan tidak dapat dipulihkan.

Epidofilotoksin

Podophyllotoxins, seperti epidophyllotoxins (VP-16) dan teniposide (VM-26), membentuk kompleks dengan topoisomerase II. Mereka digunakan untuk melawan barah paru-paru, testis, leukemia, limfoma, barah ovari, karsinoma payudara dan tumor intrakranial malignan, antara lain. Podophyllum notatum dan P. peltatum diasingkan dari tumbuhan.

Analog Camptothecin

Campothecins adalah sebatian yang menghalang topoisomerase I, termasuk irinotecan, topotecan, dan diflomotecan.

Sebatian ini telah digunakan untuk melawan barah usus besar, paru-paru dan payudara, dan diperoleh secara semula jadi dari kulit kayu dan daun spesies arboreal Camptotheca acuminata kornea Cina dan Tibet.

Perencatan semula jadi

Perubahan struktur topoisomerase I dan II juga boleh berlaku secara semula jadi. Ini boleh berlaku semasa beberapa peristiwa yang mempengaruhi proses pemangkin anda.

Perubahan ini merangkumi pembentukan dimer pyrimidine, ketidakcocokan asas nitrogen dan kejadian lain yang disebabkan oleh tekanan oksidatif.

Rujukan

1. Anderson, H., & Roberge, M. (1992). DNA topoisomerase II: Kajian mengenai penglibatannya dalam struktur kromosom, replikasi DNA, transkripsi dan mitosis. Laporan Sel Biologi Antarabangsa, 16 (8): 717-724. doi: 10.1016 / s0309-1651 (05) 80016-5
2. Chhatriwala, H., Jafri, N., & Salgia, R. (2006). Tinjauan perencatan topoisomerase pada kanser paru-paru. Biologi & Terapi Kanser, 5 (12): 1600-1607. doi: 10.4161 / cbt.5.12.3546
3. Ho, Y.-P., Au-Yeung, SCF, & To, KKW (2003). Ejen antikanker berasaskan platinum: Strategi reka bentuk inovatif dan perspektif biologi. Ulasan Penyelidikan Ubat, 23 (5): 633-655. doi: 10.1002 / med.10038
4. Li, T.-K., & Liu, LF (2001). Kematian sel tumor disebabkan oleh ubat penargetan topoisomerase. Kajian Tahunan Farmakologi dan Toksikologi, 41 (1): 53-77. doi: 10.1146 / annurev.pharmtox.41.1.53
5. Liu, LF (1994). DNA Topoisomerases: Dadah Penyasaran Topoisomerase. Akhbar Akademik. hlm 307
6. Osheroff, N. dan Bjornsti, M. (2001). DNA Topoisomerase. Enzimologi dan Dadah. Jilid II. Humana Press. hlm 329.
7. Rothenberg, ML (1997). Inhibitor Topoisomerase I: Kaji dan kemas kini. Annals of Oncology, 8 (9), 837-855. doi: 10.1023 / a: 1008270717294
8. Ryan B. (2009, 14 Disember). Topoisomerase 1 dan 2.. Dipulihkan dari youtube.com