TOPOISOMERASES: MGA KATANGIAN, PAG-ANDAR, URI AT MGA INHIBITOR - BIOLOGY - 2026

Ang topoisomerases ay ang mga enzymes isomerases isang uri ng pagbabago ng topology ng deoxyribonucleic acid (DNA), na bumubuo ng parehong hindi kanais-nais at supercoiling bilang curl nito.

Ang mga enzymes na ito ay may isang tiyak na papel sa pag-relieving ng torsional stress sa DNA upang ang mga mahahalagang proseso tulad ng pagtitiklop nito, transkripsyon ng DNA sa messenger ribonucleic acid (mRNA), at ang pagsasaalang-alang ng DNA ay maaaring mangyari.

Larawan 1. Topoisomerase II. Pinagmulan: Emw, mula sa Wikimedia Commons

Ang mga Topoisomerase enzymes ay naroroon sa parehong mga eukaryotic at prokaryotic cells. Ang pagkakaroon nito ay hinulaang ng mga siyentipiko na Watson at Crick, kapag sinusuri ang mga limitasyon na ipinakita ng istraktura ng DNA upang payagan ang pag-access sa impormasyon nito (na nakaimbak sa pagkakasunod-sunod ng nucleotide).

Upang maunawaan ang mga pag-andar ng mga topoisomerases, dapat itong isaalang-alang na ang DNA ay may isang matatag na istrukturang double-helix, na ang mga strand ay nasugatan sa isa pa.

Ang mga linear chain na ito ay binubuo ng 2-deoxyribose na naka-link sa pamamagitan ng 5'-3 'na mga bono ng phosphodiester, at mga base sa nitrogenous sa loob, tulad ng mga rungs ng isang hagdan ng spiral.

Larawan 2. molekula ng DNA. Pinagmulan: https://es.m.wikipedia.org/wiki/Archivo UsoDScience_DNA_structure_labeled_a.jpg

Ang topological na pag-aaral ng mga molekula ng DNA ay nagpakita na maaari nilang ipagpalagay ang iba't ibang mga pagsasaalang-alang sa kanilang torsional stress: mula sa isang nakakarelaks na estado hanggang sa iba't ibang mga coiling estado na nagpapahintulot sa kanilang compaction.

Ang mga molekula ng DNA na may iba't ibang mga pagsang-ayon ay tinatawag na topoisomer. Sa gayon, maaari nating tapusin na ang topoisomerases I at II ay maaaring dagdagan o bawasan ang torsional stress ng mga molekula ng DNA, na bumubuo ng kanilang iba't ibang mga topicianomer.

Kabilang sa mga posibleng topicianomer ng DNA, ang pinaka-karaniwang pagbabagong-anyo ay ang supercoil, na napaka siksik. Gayunpaman, ang dobleng helix ng DNA ay dapat ding hindi malinis ng mga topoisomerases sa panahon ng iba't ibang mga proseso ng molekular.

katangian

Pangkalahatang mekanismo ng pagkilos

Ang ilang mga topoisomerases ay maaaring makapagpahinga lamang ng mga negatibong supercoils ng DNA, o parehong mga supercoils ng DNA: positibo at negatibo.

Kung ang pabilog na double-stranded na DNA ay walang takip sa paayon na axis nito at isang kaliwang kaliwa (sunud-sunod) ay nangyayari, sinasabing negatibong napapaso. Kung ang pagliko ay sunud-sunod (counterclockwise), positibo itong napuno.

Larawan 3. Negatibong supercoiled, nakakarelaks at positibong supercoiled na pabilog na double-stranded na DNA. Pinagmulan: Fdardel, mula sa Wikimedia Commons

Karaniwan, ang mga topoisomerases ay maaaring:

-Pagbuti ang pagpasa ng isang strand ng DNA sa pamamagitan ng isang hiwa sa kabaligtaran na strand (type I topoisomerase).

-Pagbuti ang pagpasa ng isang kumpletong dobleng helix sa pamamagitan ng isang cleavage mismo, o sa pamamagitan ng isang cleavage sa isa pang magkakaibang dobleng helix (type II topoisomerase).

Sa buod, ang mga topoisomerases ay kumikilos sa pamamagitan ng pag-iwas ng mga bono ng phosphodiester, sa isa o sa parehong mga strand na bumubuo sa DNA. Pagkatapos ay binago nila ang coiling estado ng mga strands ng isang dobleng helix (topoisomerase I) o ng dalawang dobleng helice (topoisomerase II), upang sa wakas ay itali o itali muli ang mga natapos na dulo.

Topoisomerases at ang cell cycle

Bagaman ang topoisomerase I ay isang enzyme na nagpapakita ng mas mataas na aktibidad sa panahon ng S phase (synthesis ng DNA), hindi ito itinuturing na umaasa sa isang yugto ng cell cycle.

Samantalang ang aktibidad ng topoisomerase II ay mas aktibo sa panahon ng logarithmic phase ng paglaki ng cell at sa mga cell ng mabilis na lumalagong mga bukol.

Mga Tampok

Ang pagbabago ng mga gen na code para sa topoisomerases ay nakamamatay para sa mga cell, na nagpapatunay ng kahalagahan ng mga enzymes na ito. Kabilang sa mga proseso kung saan nakilahok ang mga topoisomerases, ay:

Compact na imbakan ng genetic material

Pinapagana ng Topoisomerases ang pag-iimbak ng impormasyong genetic sa isang compact na paraan, sapagkat nabuo nila ang coiling at supercoiling ng DNA, na pinapayagan ang isang malaking impormasyon na matatagpuan sa medyo maliit na dami.

Pag-access sa genetic na impormasyon

Kung walang mga topoisomerases at ang kanilang mga natatanging katangian, imposible ang pag-access sa impormasyong nakaimbak sa DNA. Ito ay dahil sa ang katunayan na ang mga topoisomerases ay pana-panahong naglalabas ng torsional na stress na nabuo sa dobleng helix ng DNA, sa panahon ng hindi pagpayag nito, sa mga proseso ng pagtitiklop, transkripsyon at recombination.

Larawan 4. pagtitiklop ng DNA. Tingnan ang topoisomerase sa simula ng hairpin ng DNA. Pinagmulan: LadyofHats isinalin ni Miguelsierra, sa pamamagitan ng Wikimedia Commons

Kung ang stress ng torsional na nabuo sa mga prosesong ito ay hindi pinakawalan, maaaring maganap ang depekto na expression ng gene, pagkagambala sa pabilog na DNA o kromosom, kahit na ang paggawa ng kamatayan ng cell.

Ang regulasyon ng expression ng gene

Ang mga pagbabago sa pagbubuo (sa three-dimensional na istraktura) ng molekula ng DNA ay naglalantad ng mga tukoy na rehiyon sa labas, na maaaring makipag-ugnay sa mga protina na nagbubuklod ng DNA. Ang mga protina na ito ay may regulasyon na function ng expression ng gene (positibo o negatibo).

Larawan 5. Regulasyon ng protina ng expression ng gene, sa kasong ito pinipigilan ang pagpapahayag ng ilang mga gen. Zephyris sa wikang Ingles na Wikipedia

Kaya, ang coiling estado ng DNA, na nabuo ng pagkilos ng mga topoisomerases, ay nakakaapekto sa regulasyon ng pagpapahayag ng gene.

Mga detalye ng topoisomerase II

Ang Topoisomerase II ay kinakailangan para sa pagpupulong ng chromatids, ang paghalay at decondensasyon ng mga chromosome, at ang paghiwalay ng mga molekula ng anak na DNA sa panahon ng mitosis.

Ang enzyme na ito ay isa ring protina ng istruktura at isa sa pangunahing mga nasasakupan ng cell nucleus matrix sa pagitan ng interphase.

Mga uri ng topoisomerases

Mayroong dalawang pangunahing uri ng topoisomerases depende sa kung kaya nilang mai-clear ang isa o dalawang mga hibla ng DNA.

-Tipoisomerases type ko

Monomeric

Ang mga top topomotor na type I ay mga monomer na nagpapagaan ng mga negatibo at positibong mga supercoil, na ginawa ng kilusan ng hairpin sa panahon ng transkrip, at sa panahon ng mga proseso ng pagtitiklop at gene.

Ang mga uri ng topoisomerase ay maaaring mahahati sa uri ng 1A at uri ng 1B. Ang huli ay ang mga matatagpuan sa mga tao, at sila ang may pananagutan sa nakakarelaks na supercoiled DNA.

Tyrosine sa aktibong site nito

Ang Topoisomerase 1B (Top1B) ay binubuo ng 765 amino acid na nahahati sa 4 na tiyak na mga domain. Ang isa sa mga domain na ito ay may mataas na conservation area na naglalaman ng tyrosine active site (Tyr7233). Ang lahat ng mga topoisomerases ay nagpapakita ng isang tyrosine sa kanilang aktibong site na may pangunahing papel sa buong proseso ng catalytic.

Mekanismo ng pagkilos

Ang aktibong tyrosine ng site ay bumubuo ng isang covalent bond na may 3'-phosphate end ng DNA strand, pinutol ito at pinipiga ito sa enzyme, habang ang isa pang strand ng DNA ay dumaan sa cleavage.

Ang pagpasa ng iba pang mga strand ng DNA sa pamamagitan ng nabura strand ay nakamit salamat sa isang conformational transformation ng enzyme, na gumagawa ng pagbubukas ng dobleng helix ng DNA.

Pagkatapos ang topoisomerase I ay bumalik sa paunang pagbabagong-anyo nito at itinatali muli ang mga nabura. Nangyayari ito sa pamamagitan ng isang proseso na kabaligtaran sa pagkasira ng chain ng DNA, sa catalytic site ng enzyme. Sa wakas, pinakawalan ng topoisomerase ang strand ng DNA.

Ang rate ng DNA ligation ay mas mataas kaysa sa rate ng paggulo, sa gayon tinitiyak ang katatagan ng molekula at ang integridad ng genome.

Sa buod, ang uri ng top topomomerase ko ay catalyzes:

1. Ang cleavage ng isang strand.
2. Ang pagpasa ng iba pang mga strand sa pamamagitan ng cleavage.
3. Ligation ng mga na-clear na dulo.

-Type II topoisomerases

Dimeric

Ang mga topoisomerase ng Uri ng II ay mga dimeric enzymes, na humahawak sa parehong mga hibla ng DNA, sa gayon ay nakakarelaks ang mga supercoil na nabuo sa panahon ng transkrip at iba pang mga proseso ng cellular.

Mg nakasalalay

Ang mga enzymes na ito ay nangangailangan ng magnesiyo (Mg ⁺⁺ ) at nangangailangan din ng enerhiya na nagmula sa pagsira sa bono ng ATP triphosphate, na sinasamantala nila ang salamat sa isang ATPase.

Dalawang aktibong site na may tyrosine

Ang mga topoisomerases II ay katulad ng mga lebadura (Saccharomyces cerevisiae), na binubuo ng dalawang monomer (subfragment A at B). Ang bawat monomer ay may isang domain ng ATPase, at sa isang sub-fragment ang aktibong site ng tyrosine 782, kung saan maaaring magbigkis ang DNA. Sa gayon, ang dalawang strand ng DNA ay maaaring magbigkis sa topoisomerase II.

Mekanismo ng pagkilos

Ang mekanismo ng pagkilos ng topoisomerase II ay pareho sa na inilarawan para sa topoisomerase I, isinasaalang-alang na ang dalawang strand ng DNA ay na-clear at hindi lamang isa.

Sa aktibong site ng topoisomerase II, ang isang pagdoble ng dobleng helix ng DNA, na tinatawag na "fragment G", ay nagpapatatag (sa pamamagitan ng covalent bonding na may tyrosine). Ang fragment na ito ay nabigla at gaganapin sa aktibong site sa pamamagitan ng mga covalent bond.

Pinapayagan ng enzyme ang isa pang fragment ng DNA, na tinawag na "T fragment", na dumaan sa nabura na fragment na "G", salamat sa isang pagbagay ng pagbabago ng enzyme, na nakasalalay sa hydrolysis ng ATP.

Ang Topoisomerase II ay nagbubuklod sa dalawang dulo ng "G fragment" at sa wakas ay nabawi ang paunang estado nito, pinakawalan ang fragment na "G". Pagkatapos ay pinapaginhawa ng DNA ang stress ng torsional, na pinahihintulutan ang pag-uulit at transkripsyon.

-Human topoisomerases

Ang genome ng tao ay may limang topoisomerases: top1, top3α, top3β (type I); at top2α, top2β (ng uri II). Ang pinaka may-katuturang mga topoisomerase ng tao ay top1 (type IB topoisomerase) at 2α (type II topoisomerase).

Mga inhibitor ng Topoisomerase

-Topoisomerases bilang isang target ng pag-atake ng kemikal

Dahil ang mga proseso na naparalisa ng mga topoisomerases ay kinakailangan para sa kaligtasan ng mga selula, ang mga enzymes na ito ay isang mahusay na target ng pag-atake upang makaapekto sa mga malignant cells. Para sa kadahilanang ito, ang mga topoisomerase ay itinuturing na mahalaga sa paggamot ng maraming mga sakit sa tao.

Ang mga gamot na nakikipag-ugnay sa topoisomerases ay kasalukuyang malawak na pinag-aralan bilang mga chemotherapeutic na sangkap laban sa mga selula ng kanser (sa iba't ibang mga organo ng katawan) at mga pathogenic microorganism.

-Type ng pagsugpo

Ang mga gamot na pumipigil sa aktibidad ng topoisomerase ay maaaring:

• Sandwiched sa DNA.
• Naaapektuhan ang enzymes topoisomerase.
• Magpasulong sa isang molekula na malapit sa aktibong site ng enzyme habang ang DNA-topoisomerase complex ay nagpapatatag.

Ang pagpapatibay ng lumilipas na kumplikado na nabuo sa pamamagitan ng pagbubuklod ng DNA sa tyrosine ng catalytic site ng enzyme, pinipigilan ang pagbubuklod ng mga nabura na mga fragment, na maaaring humantong sa pagkamatay ng cell.

-Topoisomerase inhibitor na gamot

Kabilang sa mga compound na pumipigil sa topoisomerases ay ang mga sumusunod.

Antitumor antibiotics

Ang mga antibiotics ay ginagamit laban sa cancer, dahil pinipigilan nila ang paglaki ng mga tumor cells, karaniwang nakakasagabal sa kanilang DNA. Madalas itong tinatawag na antineoplastic (cancer) antibiotics. Ang Actinomycin D, halimbawa, ay nakakaapekto sa topoisomerase II at ginagamit sa mga tumor sa Wilms sa mga bata at rhabdomyosarcomas.

Mga Anthracyclines

Ang mga Anthracyclines ay kabilang sa mga antibiotics, isa sa mga pinaka-epektibong gamot na anticancer at may pinakamalawak na spectrum. Ginagamit ang mga ito upang gamutin ang kanser sa baga, ovaries, matris, tiyan, pantog, suso, lukemya, at lymphomas. Ito ay kilala na nakakaapekto sa topoisomerase II sa pamamagitan ng intercalation sa DNA.

Ang unang anthracycline na nakahiwalay mula sa isang actinobacteria (Streptomyces peucetius) ay dahonorubicin. Kasunod nito ang doxorubicin ay synthesized sa laboratoryo, at ang epirubicin at idarubicin ay ginagamit din ngayon.

Mga Anthraquinones

Ang mga Anthraquinones o anthracenediones ay mga compound na nagmula sa anthracene, na katulad ng mga anthracyclines, na nakakaapekto sa aktibidad ng topoisomerase II sa pamamagitan ng intercalation sa DNA. Ginagamit ang mga ito para sa kanser sa dibdib ng metastatic, lymphoma ng non-Hodgkin (NHL), at leukemia.

Ang mga gamot na ito ay natagpuan sa mga pigment ng ilang mga insekto, halaman (frangula, senna, rhubarb), lichens at fungi; pati na rin sa hoelite, na isang natural mineral. Depende sa iyong dosis, maaari silang maging carcinogenic.

Kabilang sa mga compound na ito, mayroon kaming mitoxantrone at ang analog, losoxantrone. Pinipigilan nito ang paglaganap ng mga malignant na mga selula ng tumor, na nagbubuklod sa DNA nang hindi mapigil.

Epidophyllotoxins

Ang mga podophyllotoxins, tulad ng epidophyllotoxins (VP-16) at teniposide (VM-26), ay bumubuo ng isang komplikadong may topoisomerase II. Ginagamit ang mga ito laban sa cancer sa baga, testicular, leukemia, lymphomas, ovarian cancer, breast carcinoma at malignant intracranial tumor, bukod sa iba pa. Ang podophyllum notatum at P. peltatum ay nakahiwalay sa mga halaman.

Mga analog na Camptothecin

Ang mga Campothecins ay mga compound na pumipigil sa topoisomerase I, kabilang ang irinotecan, topotecan, at diflomotecan.

Ang mga tambalang ito ay ginamit laban sa colon, baga at cancer sa suso, at nakuha nang natural mula sa bark at dahon ng mga species ng arboreal Camptotheca acuminata ng mga Tsino at Tibet cornáceas.

Likas na pagsugpo

Ang mga pagbabagong-anyo ng istruktura ng topoisomerases I at II ay maaari ring ganap na maganap. Ito ay maaaring mangyari sa panahon ng ilang mga kaganapan na nakakaapekto sa iyong proseso ng catalytic.

Kasama sa mga pagbabagong ito ang pagbuo ng pyrimidine dimers, mismatches base sa nitrogen, at iba pang mga kaganapan na sanhi ng stress ng oxidative.

Mga Sanggunian

1. Anderson, H., & Roberge, M. (1992). DNA topoisomerase II: Isang pagsusuri ng pagkakasangkot nito sa istruktura ng kromosome, pagtitiklop ng DNA, transkripsyon at mitosis. Mga Ulat sa Cell Biology International, 16 (8): 717-75. doi: 10.1016 / s0309-1651 (05) 80016-5
2. Chhatriwala, H., Jafri, N., & Salgia, R. (2006). Ang isang pagsusuri ng topoisomerase pagsugpo sa kanser sa baga. Biology & Therapy ng Kanser, 5 (12): 1600–1607. doi: 10.4161 / cbt.5.12.3546
3. Ho, Y.-P., Au-Yeung, SCF, & To, KKW (2003). Mga ahente ng anticancer na batay sa platinum: Mga makabagong diskarte sa disenyo at biological na pananaw. Mga Review ng Mga Pananaliksik sa Medicinal, 23 (5): 633–655. doi: 10.1002 / med.10038
4. Li, T.-K., & Liu, LF (2001). Ang pagkamatay ng cell ng tumor ay sapilitan ng mga gamot na pang-target na topoisomerase. Taunang Pagrepaso ng Pharmacology at Toxicology, 41 (1): 53-75. doi: 10.1146 / annurev.pharmtox.41.1.53
5. Liu, LF (1994). DNA Topoisomerases: Topoisomerase-Target na Gamot. Akademikong Press. pp 307
6. Osheroff, N. at Bjornsti, M. (2001). DNA Topoisomerase. Enzymology at Gamot. Tomo II. Humana Press. pp 329.
7. Rothenberg, ML (1997). Topoisomerase ko inhibitors: Suriin at i-update. Mga Annals ng Oncology, 8 (9), 837–855. doi: 10.1023 / a: 1008270717294
8. Ryan B. (2009, Disyembre 14). Topoisomerase 1 at 2.. Nabawi mula sa youtube.com