Topoisomerasi
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Le topoisomerasi sono un gruppo di enzimi che regolano il metabolismo del DNA, scoperti da James Wang e Martin Gellert. In particolare, le topoisomerasi determinano un aumento o una diminuzione del grado di superavvolgimento. Tali enzimi svolgono un ruolo fondamentale nell'impacchettamento e nella replicazione del DNA.
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[modifica] Funzione
L'acido desossiribonucleico (DNA) è una molecola troppo complessa ed enormemente lunga per essere contenuta facilmente all'interno di un contenitore biologico come una cellula (nel caso dei procarioti) o un nucleo (negli eucarioti). La lunghezza del DNA del cromosoma di Escherichia Coli, ad esempio, è di 1,7 mm, laddove la lunghezza di una tipica cellula dello stesso batterio è di soli 2 μm: più di 800 volte più piccola del proprio DNA. Per raggiungere un grado di compattezza tale da poter impacchettare il DNA, salvaguardando l'accesso rapido all'informazione codificata al suo interno, le cellule possiedono l'apparato delle topoisomerasi, la cui funzione è appunto quella di introdurre superavvolgimenti nella superelica di DNA. La topologia introduce una particolare grandezza, chiamata numero di legame Lk per quantificare il grado di superavvolgimento: Lk aumenta con superavvolgimenti positivi (levogiri) e diminuisce con superavvolgimenti negativi (destrogiri). Due molecole di DNA che differiscono tra loro soltanto per una variazione del numero di legame, sono definite topoisomeri.
[modifica] Classificazione
Esistono due classi di topoisomerasi: le topoisomerasi I rompono transitoriamente una sola delle catene del DNA, la ruotano attorno a quella integra e infine riuniscono le estremità interrotte, modificando il numero di legame "Lk" con incrementi positivi di 1. Dal momento che il DNA è superavvolto in senso destrogiro, un incremento positivo di Lk porta in effetti ad un rilassamento della doppia elica, un processo termodinamicamente favorevole. Le topoisomerasi II, invece, rompono entrambe le catene di DNA e modificano Lk con incremento negativo di 2; dal momento che introduce un ulteriore stress topologico nella doppia elica, questa reazione necessita di energia, prodotta attraverso l'idrolisi di una molecola di ATP.
[modifica] Meccanismi d'azione esemplificativi
[modifica] Topoisomerasi I umana
Dall'analisi della struttura tridimensionale di molte topoisomerasi I è stato determinato il meccanismo della loro reazione. La topoisomerasi I umana è costituita da 4 domini, disposti intorno a una cavità centrale con diametro di 20 Å, dove è presente un residuo di tirosina (Tyr 723). La molecola di DNA si lega all'interno di questa cavità, dove il gruppo ossidrilico della tirosina forma un legame fosfodiestere con un gruppo fosforico di uno dei due filamenti di DNA. In seguito a questo taglio, il DNA è libero di ruotare attorno all'altra catena, con un movimento favorito dall'energia contenuta nello stesso superavvolgimento; l'enzima controlla la rotazione perché non avvenga troppo velocemente. Al termine, il gruppo -OH libero sul DNA attacca il legame Tyr-fosfato, e richiude il filamento di DNA, lasciando la doppia catena libera di dissociarsi dall'enzima.
[modifica] Topoisomerasi II batterica
La topoisomerasi II di E. coli altera il numero di legame delle molecole di DNA circolare con un meccanismo insolito. Due regioni di una molecola di DNA vengono sovrapposte in una specifica configurazione nel complesso legato all'enzima, formando un nodo positivo; un nodo compensatorio (un incrocio in cui le catene si incrociano in maniera opposta) si forma spontaneamente nella molecola circolare per mantenere inalterato il numero di legame. La funzione dell'enzima è quella di spezzare entrambe le catene del segmento di DNA sul nodo positivo, far passare l'altro segmento attraverso l'interruzione, e riparare infine l'interruzione stessa. Il DNA circolare batterico contiene adesso due nodi negativi, con incremento negativo totale del numero di legame di 2.
[modifica] Topoisomerasi procariotiche ed eucariotiche
In E. coli esistono almeno 4 diverse topoisomerasi, identificate con numeri romani da I a IV. Le topoisomerasi I e III sono di tipo I, mentre quelle II e IV sono di tipo II. La topoisomerasi II batterica, detta anche DNA girasi, è bersaglio di numerosi antibiotici che inibiscono preferenzialmente l'enzima procariotico piuttosto che quello eucariotico: la novobiocina blocca il legame girasi-ATP, mentre l'acido nalixidico e la ciprofloxacina interferiscono con la separazione e la ricongiunzione delle catene di DNA. Questi antibiotici sono largamente utilizzati soprattutto nel trattamento delle infezioni del tratto urinario.
Tra le topoisomerasi delle cellule eucariotiche, le topoisomerasi I e III sono entrambe del tipo I. Esse rilassano il DNA rimuovendo i superavvolgimenti negativi (aumentando Lk). Le topoisomerasi IIα e IIβ, entrambe di tipo II, non riescono a introdurre superavvolgimenti negativi nel DNA come invece possono fare le topoisomerasi batteriche di tipo II, ma possono indurre il rilassamento del superavvolgimento sia negativo che positivo. Nella cellula eucariote il superavvolgimento del DNA è un processo complesso che coinvolge anche altre proteine (istoni) ed enzimi.
