As topoisomerases Eles são um tipo de enzimas isomerase que modificam a topologia do ácido desoxirribonucléico (DNA), gerando tanto seu desenrolamento quanto seu enrolamento e superenrolamento.
Essas enzimas têm um papel específico no alívio do estresse de torção no DNA para que processos importantes como a replicação, a transcrição do DNA em ácido ribonucléico mensageiro (mRNA) e a recombinação do DNA possam ocorrer..
As enzimas da topoisomerase estão presentes em células eucarióticas e procarióticas. Sua existência foi prevista pelos cientistas Watson e Crick, ao avaliar as limitações que a estrutura do DNA apresentava para permitir o acesso às suas informações (armazenadas em sua sequência de nucleotídeos).
Para compreender as funções das topoisomerases, o DNA deve ser considerado como tendo uma estrutura de dupla hélice estável, com suas fitas enroladas umas sobre as outras..
Essas cadeias lineares são compostas por 2-desoxirribose ligada por ligações fosfodiéster 5'-3 'e bases nitrogenadas dentro delas, como os degraus de uma escada em espiral..
O estudo topológico das moléculas de DNA mostrou que elas podem assumir várias conformações dependendo de sua tensão de torção: de um estado relaxado a diferentes estados de enrolamento que permitem sua compactação..
As moléculas de DNA com diferentes conformações são chamadas de topoisômeros. Assim, podemos concluir que as topoisomerases I e II podem aumentar ou diminuir o estresse torcional das moléculas de DNA, formando seus diferentes topoisômeros..
Entre os possíveis topoisômeros de DNA, a conformação mais comum é a supercoil, que é muito compacta. No entanto, a dupla hélice do DNA também deve ser desenrolada por topoisomerases durante vários processos moleculares..
Índice do artigo
Algumas topoisomerases podem relaxar apenas supercoils negativas de DNA, ou ambas as supercoils de DNA: positivas e negativas.
Se o DNA circular de fita dupla for desenrolado em seu eixo longitudinal e ocorrer uma rotação para a esquerda (no sentido horário), ele será negativamente superenrolado. Se a curva for no sentido horário (anti-horário), é positivamente overcoiled.
Basicamente, as topoisomerases podem:
-Facilita a passagem de uma fita de DNA através de um corte na fita oposta (topoisomerase tipo I).
-Facilita a passagem de uma dupla hélice completa através de uma clivagem em si, ou através de uma clivagem em uma dupla hélice diferente (topoisomerase tipo II).
Em resumo, as topoisomerases atuam por meio da clivagem de ligações fosfodiéster, em uma ou nas duas fitas que compõem o DNA. Em seguida, eles modificam o estado de enrolamento dos fios de uma dupla hélice (topoisomerase I) ou de duas hélices duplas (topoisomerase II), para finalmente amarrar ou amarrar as extremidades clivadas novamente.
Embora a topoisomerase I seja uma enzima que exibe maior atividade durante a fase S (síntese de DNA), ela não é considerada dependente de uma fase do ciclo celular..
Considerando que a atividade da topoisomerase II é mais ativa durante a fase logarítmica de crescimento celular e em células de tumores de crescimento rápido.
A alteração dos genes que codificam para topoisomerases é letal para as células, evidenciando a importância dessas enzimas. Entre os processos em que participam topoisomerases estão:
As topoisomerases facilitam o armazenamento da informação genética de forma compacta, devido ao fato de gerarem o enrolamento e superenrolamento do DNA, permitindo que uma grande quantidade de informação seja encontrada em um volume relativamente pequeno..
Sem topoisomerases e suas características únicas, o acesso às informações armazenadas no DNA seria impossível. Isso se deve ao fato de que topoisomerases liberam periodicamente o estresse torcional que é gerado na dupla hélice do DNA, durante seu desenrolamento, nos processos de replicação, transcrição e recombinação..
Se o estresse torcional gerado durante esses processos não fosse liberado, poderia ocorrer uma expressão gênica defeituosa, a interrupção do DNA circular ou do cromossomo, produzindo até mesmo a morte celular..
Mudanças conformacionais (na estrutura tridimensional) da molécula de DNA expõem regiões específicas para o exterior, que podem interagir com proteínas de ligação ao DNA. Essas proteínas têm função reguladora da expressão gênica (positiva ou negativa).
Assim, o estado de enrolamento do DNA, gerado pela ação das topoisomerases, afeta a regulação da expressão gênica..
A topoisomerase II é necessária para a montagem das cromátides, a condensação e descondensação dos cromossomos e a segregação das moléculas de DNA filhas durante a mitose..
Esta enzima também é uma proteína estrutural e um dos principais constituintes da matriz do núcleo celular durante a interfase..
Existem dois tipos principais de topoisomerases, dependendo se são capazes de clivar uma ou duas fitas de DNA.
As topoisomerases do tipo I são monômeros que aliviam as supercoils negativas e positivas, que são produzidas pelo movimento em gancho durante a transcrição e durante os processos de replicação e recombinação de genes..
As topoisomerases do tipo I podem ser subdivididas em tipo 1A e tipo 1B. Os últimos são aqueles encontrados em humanos e são responsáveis por relaxar o DNA superenrolado.
A topoisomerase 1B (Top1B) é composta por 765 aminoácidos divididos em 4 domínios específicos. Um desses domínios possui uma área altamente conservada contendo o sítio ativo da tirosina (Tyr7233). Todas as topoisomerases apresentam em seu sítio ativo uma tirosina com papel fundamental em todo o processo catalítico..
A tirosina do sítio ativo forma uma ligação covalente com a extremidade 3'-fosfato da fita de DNA, cortando-a e mantendo-a ligada à enzima, enquanto passa outra fita de DNA através da clivagem.
A passagem da outra fita de DNA pela fita dividida é conseguida graças a uma transformação conformacional da enzima, que produz a abertura da dupla hélice do DNA..
Então a topoisomerase I retorna à sua conformação inicial e liga as extremidades clivadas novamente. Isso ocorre por um processo inverso à quebra da cadeia de DNA, no sítio catalítico da enzima. Finalmente, a topoisomerase libera a fita de DNA.
A taxa de ligação do DNA é maior do que a taxa de excisão, garantindo assim a estabilidade da molécula e a integridade do genoma..
Em resumo, a topoisomerase tipo I catalisa:
As topoisomerases do tipo II são enzimas diméricas, que clivam ambas as fitas de DNA, relaxando assim as supercoils que são geradas durante a transcrição e outros processos celulares.
Essas enzimas precisam de magnésio (Mg++) e também precisam da energia que vem da quebra da ligação trifosfato de ATP, da qual se aproveitam graças a uma ATPase.
As topoisomerases II humanas são muito semelhantes às de levedura (Saccharomyces cerevisiae), que é composto por dois monômeros (subfragmentos A e B). Cada monômero possui um domínio ATPase e em um sub-fragmento o sítio ativo da tirosina 782, ao qual o DNA pode se ligar. Assim, duas fitas de DNA podem se ligar à topoisomerase II..
O mecanismo de ação da topoisomerase II é o mesmo descrito para a topoisomerase I, visto que duas fitas de DNA são divididas e não apenas uma..
No sítio ativo da topoisomerase II, um fragmento de dupla hélice de DNA, denominado "fragmento G". Este fragmento é excisado e mantido junto ao sítio ativo por ligações covalentes..
Em seguida, a enzima permite que outro fragmento de DNA, denominado “fragmento T”, passe pelo fragmento clivado “G”, graças a uma alteração conformacional da enzima, que é dependente da hidrólise do ATP.
A topoisomerase II liga as duas extremidades do "fragmento G" e, finalmente, recupera seu estado inicial, liberando o fragmento "G". O DNA então relaxa o estresse de torção, permitindo que os processos de replicação e transcrição ocorram..
O genoma humano possui cinco topoisomerases: top1, top3α, top3β (do tipo I); e top2α, top2β (do tipo II). As topoisomerases humanas mais relevantes são top1 (topoisomerase tipo IB) e 2α (topoisomerase tipo II).
Como os processos catalisados pelas topoisomerases são necessários para a sobrevivência das células, essas enzimas são um bom alvo de ataque para afetar as células malignas. Por este motivo, as topoisomerases são consideradas importantes no tratamento de muitas doenças humanas..
Drogas que interagem com topoisomerases são atualmente amplamente estudadas como substâncias quimioterápicas contra células cancerosas (em diferentes órgãos do corpo) e microrganismos patogênicos..
Os medicamentos que inibem a atividade da topoisomerase podem:
A estabilização do complexo transitório que é formado pela ligação do DNA à tirosina do sítio catalítico da enzima, evita a ligação dos fragmentos clivados, o que pode levar à morte celular.
Os compostos que inibem topoisomerases incluem os seguintes.
Os antibióticos são usados contra o câncer, pois impedem o crescimento das células tumorais, geralmente interferindo em seu DNA. Estes são freqüentemente chamados de antibióticos antineoplásicos (câncer). A actinomicina D, por exemplo, afeta a topoisomerase II e é usada em tumores de Wilms em crianças e rabdomiossarcomas.
As antraciclinas são, entre os antibióticos, uma das drogas anticâncer mais eficazes e de espectro mais amplo. Eles são usados para tratar câncer de pulmão, ovário, útero, estômago, bexiga, mama, leucemia e linfomas. É conhecido por afetar a topoisomerase II por intercalação no DNA.
A primeira antraciclina isolada de uma actinobactéria (Streptomyces peucetius) foi daunorrubicina. Posteriormente, a doxorrubicina foi sintetizada em laboratório e, atualmente, a epirrubicina e a idarrubicina também são utilizadas..
As antracenonas ou antracenedionas são compostos derivados do antraceno, semelhantes às antraciclinas, que afetam a atividade da topoisomerase II por intercalação no DNA. Eles são usados para câncer de mama metastático, linfoma não-Hodgkin (NHL) e leucemia..
Essas drogas foram encontradas nos pigmentos de alguns insetos, plantas (frangula, sena, ruibarbo), líquenes e fungos; assim como a hoelita, que é um mineral natural. Dependendo da sua dose, eles podem ser cancerígenos.
Dentre esses compostos, temos a mitoxantrona e seu análogo, a losoxantrona. Estes evitam a proliferação de células tumorais malignas, ligando-se ao DNA de forma irreversível.
As podofilotoxinas, como as epidofilotoxinas (VP-16) e teniposídeo (VM-26), formam um complexo com a topoisomerase II. São utilizados contra câncer de pulmão, testículo, leucemia, linfomas, câncer de ovário, carcinoma de mama e tumores intracranianos malignos, entre outros. Eles são isolados de plantas Podophyllum notatum Y P. peltatum.
Campotecinas são compostos que inibem a topoisomerase I, incluindo irinotecano, topotecano e diflomotecano..
Esses compostos têm sido usados contra o câncer de cólon, pulmão e mama e são obtidos naturalmente da casca e das folhas das espécies arbóreas. Camptotheca acuminata das córneas chinesas e do Tibete.
As alterações estruturais das topoisomerases I e II também podem ocorrer de forma completamente natural. Isso pode acontecer durante alguns eventos que afetam seu processo catalítico.
Essas alterações incluem a formação de dímeros de pirimidina, incompatibilidades de bases de nitrogênio e outros eventos causados por estresse oxidativo..
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