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Topoisomerasi

Che cosa sono le topoisomerasi?

Le topoisomerasi sono enzimi presenti sia nelle cellule eucariotiche che nelle cellule dei procarioti ed hanno la funzione di permettere la transizione delle molecole di DNA da un topoisomero ad un altro modificando il grado di superavvolgimento della molecola.

In parole semplici, le topoisomerasi possono condensare o rilassare il DNA agendo sul numero di volte in cui questo risulta avvolto su se stesso.

Il ruolo delle topoisomerasi è fondamentale per consentire l'adeguata condensazione del DNA nelle cellule e per permettere lo svolgimento di tutte le sue funzioni principali, quali la replicazione, la trascrizione e la ricombinazione.

Le topoisomerasi controllano il numero di legame del DNA

Le molecole di DNA sono formate da un doppio filamento organizzato a spirale intorno ad un asse centrale. Questa struttura fa sì che i due filamenti siano avvolti l'uno intorno all'altro per un certo numero di volte, definito "numero di avvolgimento" (Tw).

Le molecole di DNA, però, sono macromolecole estremamente lunghe, e per poter occupare uno spazio compatibile con le dimensioni delle cellule batteriche e dei nuclei delle cellule eucariotiche, esso è impacchettato, o condensato, mediante dei superavvolgimenti, cioè degli ulteriori ripiegamenti in cui la doppia elica si avvolge su stessa un certo numero di volte, detto numero di superavvolgimento (Wr).

La somma di Tw e Wr dà un valore detto numero di legame (Lk): le topoisomerasi sono in grado di controllare il numero di legame delle molecole di DNA, agendo sia sul numero di avvolgimento che su quello di superavvolgimento.

Perché le topoisomerasi sono così importanti?

La stabilità e la funzionalità della molecola di DNA dipendono strettamente dal suo numero di legame.

Un DNA troppo rilassato, infatti, occuperebbe troppo spazio e non permetterebbe alla cellule di svolgere tutte le altre funzioni. Al contrario, durante i processi che coinvolgono direttamente singole porzioni di DNA, è necessario che queste vengano rilassate per poter essere accessibili agli enzimi quali, ad esempio, le polimerasi che trascrivono o replicano il DNA.

Durante la divisione cellulare, inoltre, può capitare che in concomitanza della condensazione del DNA alcuni cromosomi si ritrovino incatenati l'uno all'altro impedendo la normale migrazione: in questi casi le topoisomerasi agiscono rilassando il DNA o districando le porzioni ingarbugliate, con meccanismi che saranno di seguito descritti.

Topoisomerasi I e Topoisomerasi II

Le topoisomerasi sono una classe di enzimi che può essere divisa in due categorie:

  • le topoisomerasi I

e

  • le topoisomerasi II.

Gli enzimi appartenenti al primo gruppo sono in grado di rompere un singolo filamento del DNA e determinarne una sua torsione intorno al filamento integro. Agiscono quindi direttamente sul numero di avvolgimento, aumentandolo o diminuendolo.

Le topoisomerasi di tipo II eucariotiche, invece, agiscono tagliando entrambi i filamenti di DNA e consentendo ad una porzione di molecola inanellata nell'ansa formata da un altra molecola (oppure da una altra porzione della molecola stessa) di liberarsi attraversandola.

Le topoisomerasi batteriche di tipo II, dette girasi, esplicano la propria azione mediante la rottura di entrambi i filamenti della molecola circolare del DNA, producendo un doppio superavvolgimento ad ogni ciclo.

Struttura e meccanismo d'azione delle topoisomerasi I

Le topoisomerasi di tipo I sono enzimi monomerici caratterizzati dalla presenza di un “core” centrale che lega il DNA e di un dominio contenente un residuo di tirosina catalitico.

L'enzima lega il DNA nella cavità centrale e opera la rottura di uno dei due filamenti dell'acido nucleico mediante rottura del legame fosfodiesterico.

L'energia liberata dalla rottura di questo legame viene conservata mediante la formazione di un nuovo legame che coinvolge il gruppo fosfato del DNA e la tirosina, detto legame fosfotirosinico.

A questo punto l'enzima cambia conformazione e determina la rotazione del filamento libero intorno al filamento integro, alterando il numero di avvolgimento e quindi il numero di legame del DNA.

Al termine del processo l'enzima ripristina il legame fosfodiesterico ricavando l'energia dall'idrolisi del legame fosfotirosinico temporaneamente realizzato.

Mecanismo di azione della topoisomerasi I eucariotica

Meccanismo di azione della topoisomerasi I eucariotica.

Le topoisomerasi I sono di due categorie: I-A e I-B. La differenza principale tra le due sta nella modalità di attacco al DNA, che nelle topoisomerasi I-A avviene producendo un legame all'estremità 5' fosfato, mentre nelle topoisomerasi I-B il legame avviene all'estremità 3'.

Struttura e funzionamento delle topoisomerasi II

Le topoisomerasi di tipo II, sono enzimi dimerici, composti quindi da due sub-unità. Negli eucarioti le sub-unità sono identiche mentre nei batteri possono differire, come nel caso dell'enzima Girasi (una particolare topoisomerasi II batterica).

Entrambe le due sub-unità possiedono un sito catalitico di tirosina e l'attacco dell'enzima avviene a entrambi i filamenti di DNA che vengono quindi tagliati in modo analogo a quanto accada per le topoisomerasi I, con la formazione di legami covalenti fosfotirosinici reversibili su con entrambi i filamenti.

Una volta realizzato il taglio, l'enzima trasporta il doppio filamento integro attraverso la fessura realizzata nel doppio filamento tagliato, determinando una variazione nel numero di superavvolgimenti della  molecola o la liberazione di una molecola intrappolata nell'altra. Il trasporto del duplex integro attraverso la porta realizzata nel duplex tagliato richiede consumo di ATP.

Ruolo e funzionamento della topoisomerasi II

Ruolo e funzionamento della topoisomerasi II.

Girasi batterica

Una particolare topoisomerasi II è rappresentata dalla Girasi batterica, una molecola utilizzata come bersaglio di molti farmaci antibiotici.

La Girasi è formata da due sub-unità differenti (A e B); l'attacco al DNA produce l'avvolgimento di questo intorno alla sub-unità A e la produzione di un nodo positivo (cioè girato nello stesso senso di avvolgimento dei due filamenti) lungo la molecola circolare.

In risposta alla formazione del nodo indotto dalla girasi, la molecola di DNA ne produce spontaneamente uno inverso, con rotazione negativa.

A quel punto la girasi rompe i due filamenti in corrispondenza del nodo positivo e consente l'attraversamento del ponte da parte di un'altra porzione della molecola, determinando la formazione di un secondo nodo negativo.

Meccanismo d'azione della topoisomerasi II batterica Girasi

Meccanismo d'azione della topoisomerasi II batterica Girasi.

Al ripristino dell'integrità della molecola, quindi, si saranno formati due superavvolgimenti negativi con aumento del Lk di n= -2.

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