Topoisomerases: características, funções, tipos e inibidores

As topoisomerases são um tipo de enzimas isomerase que modificam a topologia de ácido desoxirribonucleico ( ADN ), a geração de ambos os seus desenrolamento e como super-enrolamento a sua onda.

Essas enzimas têm um papel específico no alívio da tensão de torção no DNA, para que processos importantes como replicação, transcrição de DNA no ácido ribonucleico mensageiro (mRNA) e recombinação do DNA possam ocorrer.

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Figura 1. Topoisomerase II. Fonte: Emw [CC BY-SA 3.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0) ou GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html)], do Wikimedia Commons

As enzimas topoisomerase estão presentes nas 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 à sua informação (armazenada em sua sequência de nucleotídeos).

Para entender as funções das topoisomerases, deve-se considerar que o DNA possui uma estrutura estável de dupla hélice, com suas cadeias enroladas uma acima da outra.

Essas cadeias lineares consistem em 2-desoxirribose ligada por ligações fosfodiéster 5′-3 ‘e bases nitrogenadas no interior, como os degraus de uma escada em espiral.

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Figura 2. Molécula de DNA. Fonte: https://es.m.wikipedia.org/wiki/File:3DScience_DNA_structure_labeled_a.jpg

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 a compactação.

Moléculas de DNA com diferentes conformações são chamadas 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 do superenrolamento, que é muito compacto. No entanto, a dupla hélice do DNA também deve ser desenrolada pelas topoisomerases durante vários processos moleculares.

Caracteristicas

Mecanismo Geral de Ação

Algumas topoisomerases podem relaxar apenas super-bobinas negativas de DNA, ou ambas super-bobinas de DNA: positivas e negativas.

Se o DNA circular de fita dupla é desenrolado em seu eixo longitudinal e ocorre uma curva levógira (no sentido horário), diz-se que ele está superenrolado negativamente. Se o turno for dextrógira (sentido anti-horário), é positivamente superenrolado.

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Figura 3. DNA circular de fita dupla superenrolado negativamente, relaxado e positivamente superenrolado. Fonte: Fdardel [CC BY-SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0)], do Wikimedia Commons

Basicamente, as topoisomerases podem:

-Facilitar a passagem de uma fita de DNA através de um corte na fita oposta (topoisomerase tipo I).

-Facilitar a passagem de uma dupla hélice completa através de uma divisão em si mesma, ou através de uma divisão em uma hélice dupla diferente (topoisomerase tipo II).

Em resumo, as topoisomerases atuam através da clivagem das ligações fosfodiéster, em uma ou nas duas cadeias que compõem o DNA. Em seguida, eles modificam o estado de enrolamento dos fios de uma hélice dupla (topoisomerase I) ou duas hélices duplas (topoisomerase II), para finalmente re-amarrar ou ligar as extremidades clivadas.

Topoisomerases e ciclo celular

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.

Enquanto a atividade da topoisomerase II é mais ativa durante a fase logarítmica do crescimento celular e no crescimento rápido de células tumorais.

Funções

A alteração dos genes que codificam as topoisomerases é letal para as células, demonstrando a importância dessas enzimas. Entre os processos nos quais as topoisomerases participam, estão:

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Armazenamento compacto de material genético

As topoisomerases facilitam o armazenamento de informações genéticas de maneira compacta, porque elas geram enrolamento e superenrolamento de DNA, permitindo que grandes quantidades de informações sejam encontradas em um volume relativamente pequeno.

Acesso à informação genética

Se topoisomerases e suas características únicas não existissem, o acesso às informações armazenadas no DNA seria impossível. Isso ocorre porque as topoisomerases liberam periodicamente a tensão torcional que é gerada na dupla hélice do DNA, durante seu desenrolamento, nos processos de replicação, transcrição e recombinação.

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Figura 4. Replicação do DNA. Veja topoisomerase no início do grampo de DNA. Fonte: LadyofHats traduzido por Miguelsierra [Domínio público], via Wikimedia Commons

Se a tensão de torção gerada durante esses processos não for liberada, pode ocorrer uma expressão genética defeituosa, interrupção do DNA circular ou cromossomo, causando até a morte celular.

Regulação da expressão gênica

As 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 uma função reguladora da expressão genética (positiva ou negativa).

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Figura 5. Proteína reguladora da expressão genética, neste caso impede a expressão de certos genes. Zephyris no idioma inglês Wikipedia [GFDL (http://www.gnu.org/copyleft/fdl.html) ou CC-BY-SA-3.0 (http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/ )]

Assim, o estado de enrolamento do DNA, gerado pela ação das topoisomerases, afeta a regulação da expressão genética.

Particularidades da topoisomerase II

A topoisomerase II é necessária para a montagem de cromatídeos, a condensação e a descondensação dos cromossomos e a segregação das moléculas filhas de DNA durante a mitose.

Essa enzima também é uma proteína estrutural e um dos principais constituintes da matriz do núcleo celular durante a interface .

Tipos de topoisomerases

Existem dois tipos principais de topoisomerases, dependendo de serem capazes de clivar uma ou duas cadeias de DNA.

-Topoisomerases tipo I

Monomérico

As topoisomerases do tipo I são monômeros que aliviam super-bobinas positivas e negativas, produzidas pelo movimento do gancho de cabelo durante a transcrição e durante os processos de replicação e recombinação de genes.

As topoisomerases do tipo I podem ser subdivididas nos tipos 1A e 1B. Estes últimos são aqueles encontrados em seres humanos e são responsáveis ​​por relaxar o DNA superenrolado.

Tirosina em seu site ativo

A topoisomerase 1B (Top1B) é composta por 765 aminoácidos divididos em 4 domínios específicos. Um desses domínios possui uma área altamente conservada que contém o local ativo com tirosina (Tyr7233). Todas as topoisomerases apresentam em seu sítio ativo uma tirosina com papel fundamental em todo o processo catalítico.

Mecanismo de ação

A tirosina do sítio ativo forma uma ligação covalente com a extremidade 3′-fosfato da cadeia do DNA, cortando-a e mantendo-a ligada à enzima, enquanto outra cadeia de DNA passa pela clivagem.

A passagem da outra cadeia de DNA através da cadeia clivada é alcançada 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 novamente as extremidades clivadas. Isso ocorre por um processo inverso à quebra da cadeia de DNA, no local catalítico da enzima. Finalmente, a topoisomerase libera a fita do DNA.

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A taxa de ligação do DNA é maior que a taxa de clivagem, o que garante a estabilidade da molécula e a integridade do genoma.

Em resumo, a topoisomerase do tipo I catalisa:

  1. Excisão de uma costa.
  2. A passagem do outro fio através da excisão.
  3. Ligação de pontas duplas.

-Topoisomerases tipo II

Dimeric

As topoisomerases do tipo II são enzimas diméricas, que clivam ambas as cadeias de DNA, relaxando assim as super bobinas geradas durante a transcrição e outros processos celulares.

Dependentes de Mg ++ e ATP

Essas enzimas precisam de magnésio (Mg ++ ) e também precisam da energia proveniente da quebra da ligação ATP trifosfato , da qual tiram vantagem graças a uma ATPase.

Dois sites ativos com tirosina

As topoisomerases II humanas são muito semelhantes às da levedura ( Saccharomyces cerevisiae ), que é composta por dois monômeros (subfragmentos A e B). Cada monômero possui um domínio ATPase e, em um subfragmento, o local ativo da tirosina 782, ao qual o DNA pode se ligar. Portanto, duas cadeias de DNA podem ser ligadas à topoisomerase II.

Mecanismo de ação

O mecanismo de ação da topoisomerase II é o mesmo descrito para a topoisomerase I, considerando que duas cadeias de DNA são clivadas e não apenas uma.

No sítio ativo da topoisomerase II, um fragmento de dupla hélice do DNA, chamado “fragmento G”, é estabilizado (através de uma junção covalente com tirosina) . Este fragmento é clivado e mantido ligado ao local ativo por ligações covalentes.

Então, a enzima permite que outro fragmento de DNA, chamado “fragmento T”, passe pelo fragmento clivado “G”, graças a uma alteração conformacional da enzima, que depende da hidrólise do ATP.

A topoisomerase II liga as duas extremidades do “fragmento G” e, finalmente, recupera seu estado inicial, liberando o fragmento “G”. Então, o DNA relaxa a tensão de torção, permitindo que ocorram processos de replicação e transcrição.

-Topoisomerases humanas

O genoma humano possui cinco topoisomerases: top1, top3α, top3β (tipo I); e top2α, top2β (tipo II). As topoisomerases humanas mais relevantes são top1 (topoisomerase tipo IB) e 2α (topoisomerase tipo II).

Inibidores da topoisomerase

-Topoisomerases como alvo de ataque químico

Como os processos catalisados ​​pelas topoisomerases são necessários para a sobrevivência celular, essas enzimas são um bom alvo para afetar as células malignas. Portanto, as topoisomerases são consideradas importantes no tratamento de muitas doenças humanas.

Atualmente, os medicamentos que interagem com as topoisomerases são muito estudados como substâncias quimioterapêuticas contra células cancerígenas (em diferentes órgãos do corpo) e microorganismos patogênicos.

Tipos de inibição

Os medicamentos inibidores da atividade da topoisomerase podem:

  • Imprensado no DNA.
  • Afeta a enzima topoisomerase.
  • Intercalar em uma molécula perto do local ativo da enzima enquanto o complexo topoisomerase de DNA é estabilizado.

A estabilização do complexo transitório que é formado pela ligação do DNA à tirosina do sítio catalítico da enzima impede a ligação dos fragmentos clivados, o que pode levar à morte celular.

– Medicamentos inibidores da topoisomerase

Entre os compostos que inibem as topoisomerases, estão os seguintes.

Antibióticos antitumorais

Antibióticos são usados ​​contra o câncer, pois impedem o crescimento de células tumorais, geralmente interferindo em seu DNA. Eles são geralmente chamados antibióticos antineoplásicos (contra o câncer). A actinomicina D, por exemplo, afeta a topoisomerase II e é usada em tumores de Wilms em crianças e em rabdomiossarcomas.

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Antraciclinas

As antraciclinas são, entre os antibióticos, os medicamentos anticâncer mais eficazes e de amplo espectro. Eles são usados ​​no tratamento de câncer de pulmão, ovários, útero, estômago, bexiga, mama, leucemia e linfomas. Sabe-se que afeta 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 a epirrubicina e a idarrubicina também são usadas atualmente.

Antraquinonas

Antraquinonas ou antracenodionas 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 (frânula, senna, ruibarbo), líquenes e fungos; bem como a hoelita, que é um mineral natural. Dependendo da dose, eles podem ser cancerígenos.

Entre esses compostos, temos a mitoxantrona e seu análogo losoxantrona. Estes impedem a proliferação de células tumorais malignas, ligando-se ao DNA irreversivelmente.

Epidofilotoxinas

Podofilotoxinas, como epidofilotoxinas (VP-16) e teniposídeo (VM-26), formam um complexo com topoisomerase II. São utilizados contra câncer de pulmão, testicular, leucemia, linfomas, câncer de ovário, carcinoma de mama e tumores intracranianos malignos, entre outros. As plantas de Podophyllum notatum e P. peltatum são isoladas .

Análogos da camptotecina

Campotecinas são compostos que inibem a topoisomerase I e, entre eles, o irinotecano, o topotecano e o diflomotecano.

Esses compostos têm sido utilizados contra o câncer de cólon, pulmão e mama e são obtidos naturalmente a partir da casca e das folhas das espécies de árvores Camptotheca acuminata dos flocos de milho chineses e do Tibete.

Inibição natural

Alterações estruturais das topoisomerases I e II também podem ocorrer completamente naturalmente. Isso pode acontecer durante alguns eventos que afetam seu processo catalítico.

Dentre essas alterações, podem ser citadas a formação de dímeros de pirimidina, incompatibilidades de bases nitrogenadas e outros eventos causados ​​por estresse oxidativo.

Referências

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