в чем заключается функция топоизомераз
Репликация. Топоизомераза.
Топоизомераза с молекулярных позиций.
Общепринятый взгляд на процесс репликации установился уже давно и его сейчас никто, даже любители альтернативных теорий, не оспаривает. Общепринятость в данном случае считается, что данную теорию изучают школьники, студенты и т.д. Данный процесс описан на молекулярном уровне, то есть действующими элементами в нем являются молекулы, такая-то молекула сделала то – получилось это, другая молекула поступила так-то – результат вышел такой-то.
Мы напомним читателю основные положения этой теории (по такой схеме будем рассматривать и другие фрагменты строительства живой материи), укажем на не понятные или сомнительные нам пункты и затем попытаемся объяснить сомнения или неясности на квантовом языке.
Вот какую красивую картинку процесса репликации я нашел в Википедии. Рис. 2.
Как же работает этот комплекс?
Репликация начинается с расплетения двойной спирали. ДНК. На рисунке видно, что топоизомераза (10) раскрутила спираль в плоское, или нечто подобное на плоское. Дальше хеликаза (9) проходится по соединениям оснований и как клин разрывает их, а связанные с ветвями белки удерживают ветви разделенными, не давая им соединиться снова.
А теперь попытайтесь представить это колечко (топоизомеразу), которое как-то обнаружило конец молекулы, налезло на молекулу, захватило какими-то своими захватами ДНК и начало ее раскручивать. Похоже, что это не колечко, а нечто похожее на удава, который и обвивает ДНК. Но и такая топоизомераза должна найти начало молекулы, и то такое начало, которое совпадает с направлением раскручивающих сил топоизомеразы. Со средины раскручивание бессмысленно, ибо одна сторона будет раскручиваться, а другая будет закручиваться. Очень сложно представить, как молекулы топоизомеразы цепляются за фосфаты или дезоксирибозу молекулы и крутят ее. В это не верят другие ученые.
Они полагают, что топоизомераза разрывает одну ветвь, пропуская через разрыв вторую ветвь, и затем разорванная ветвь сшивается (лигируется). Один виток прошел. Это топоизомераза I. При выполнении этой работы она, как утверждают ученые, возможно, что это был даже профессор Гарвардского университета Джеймс Ванг, не потребляет никакой энергии. Но есть еще и топоизомераза II, которая разрывает обе ветви. Она потребляет энергию, но зато раскручивает два витка. Кроме этих двух топоизомераз существует еще около десятка других топоизомераз или их аналогов. В графическом виде топоизомеразаⅠ представляется так:
Ко всем этим моделям возникают вопросы.
1. Где берутся топоизомеразы?
Ясно, что они синтезируются в клетках, кроме может быть кроме тех, которые передались родительскими яйцеклетками. В организме много клеток и переданных по наследству топоизомераз не хватит.
2. Что и как их синтезирует?
Поскольку топоизомераза белковый комплекс, то можно предположить, что синтез белка идет либо прямо на ДНК, либо через рибосому. Тогда встает вопрос
3. На каких фрагментах (генах) ДНК строятся данные белки, как и где они собираются в комплекс?
4. По какому сигналу или чьему указанию топоизомераза начинает свою работу?
5. Как топоизомераза оказалась в нужном месте на ДНК?
Если она сразу строилась в нужном месте, то, как в это место стягивались ее составляющие? Если же она монтировалась, например, в аппарате Гольджи, то по какому сигналу и каким механизмом она прибыла на ДНК? При строительстве на месте она могла бы обвить ДНК, но как ДНК оказывается внутри топоизомеразы, если эта прибывает, откуда то? Хорошо допустим, что топоизомераза оказалась на требуемом месте на ДНК.
6. Тогда как она узнает связь, которую необходимо разорвать, протянуть через разрыв другую ветвь и потом разорванную связь восстановить?
7. А как будет разорван стык? Просто механическим или все-таки химическим способом? Если механическим, то в топоизомеразе должны быть какие-нибудь захваты и сжимающие элементы. Для этого потребуется энергия. Если разрыв вести химическим способом, то в топоизомеразе должен быть какой-то катализатор. А это снова энергия.
8. А как пропустить вторую ветвь в образовавшийся разрыв? То ли целую ветвь тащить через разрыв, то ли один оторванный конец обвести вокруг целой ветви. Затем этот конец подвести ко второму концу и ферментировать их реакцию. И вот интересное дело одна и та же топоизомераза ферментирует разрыв связи, и тут же ферментирует синтез одной и той же связи. К вероятному удивлению профессора Гарвардского университета и на тот и на другой процесс требуется энергия. Но энергия профессору не нужна, так как он не знает, куда ее пристроить и как она работает в реакциях.
На эти вопросы и еще множество других современная наука по молекулярной биологии не может дать принципиально.
Верим ли мы в данные модели раскручивания или нет, но ДНК действительно раскручивается. И как это происходит может объяснить только квантовая биология
Топоизомераза с квантовых позиций.
Лежит яйцо курицы в гнезде и ничего с ним не происходит. Но вот приходит курица и садится на яйцо или хозяин берет это яйцо и помещает в инкубатор.
Ни в том, ни в другом случае в яйцо не проникло никакой особой молекулы кроме тех, которые проникали раньше, чтобы яйцо было живым. А что же проникло? В яйцо проникли тепловые фотоны определенного качества. Если фотоны обладают энергией меньшей, чем требуется, то ничего не будет происходить. Если энергия фотонов будут превышать требуемую энергию, в яйце будут происходить нежелательные явления, вплоть до нарушения структуры белков и других молекул. Требуемый диапазон тепловых фотонов довольно узок. Из крокодильих яиц при чуть-чуть отличающихся температурах вылупляются либо самки, либо самцы. Возможно, и в человеческом организме в зависимости от величины температуры формируется мальчик или девочка.
Продолжим следить за действиями теплового фотона попавшего в яйцо курицы или вообще в любую другую яйцеклетку. Фотон может взаимодействовать с элементами клетки таким образом:
1. Быть поглощенным одним из электронов, участвующих в образовании связи между основаниями молекулы, и в результате этого изменить энергетическую конфигурацию электронов оснований так, что связь между основаниями разрушится. Для этого эти связи должны быть резонансными именно для фотонов такой мощности (так и случилось в природе). Фотоны другого качества не будут восприниматься данными электронами точно так же, как данные фотоны не воспринимаются, например, электронами, образующими связь основания и сахара или сахара и фосфата. Для разрыва этих связей потребуются фотоны другого качества.
2. Начальный тепловой фотон может взаимодействовать не прямо с основанием, а катализировать процессы в митохондрии, которая будет генерировать фотоны, разрушающие связи между основаниями.
3. Фотон может передать (запустить) функции разрушения связи не митохондрии, а какому-нибудь другому ферменту, например, то же хеликазе.
Возможно, что в результате этих действий фотона будет разорвана одна из связей молекулы, а последующие будут дополнительно ферментироваться разрушенными связями. Это так называемая каскадная ферментация. Так или иначе, без участия фотона или их группы невозможно ни образовать, ни разрушить химическую связь.
Опыт показывает (это уже можно наблюдать приборами), что репликация начинается и продолжается во множественных местах молекулы. По этой причине можно предположить, что репликация не требует каскадной ферментации для образования репликативных единиц. Для этого достаточно тепловых фотонов и тепловых Броуновских возмущений. Последние и вносят некоторую случайность в процесс возникновения репликативных единиц по времени и в пространстве.
Возможно, что тепловые фотоны как раз и запускают хеликазу, если таковая имеется, которая катализирует разрыв оснований, никуда не двигаясь и не требуя стабилизационных белков, так как у распавшихся оснований такие энергетические состояния, что они не могут уже соединиться. Каждое из разорванных оснований не может вступить в реакцию с основанием, сидящем на дезоксирибозе, но требует реакции со свободным основанием.
А можно ли раскрутить молекулу без ДНК-топоизомеразы? Можно. Всякий, кто сверлил отверстия в деталях электрической дрелью, мог заметить, что при заедании сверла дрель давала отдачу в руки или стремилась провернуть деталь. Если бы рассверливалась из торца цилиндрическая пружина, то при заедании сверла пружина бы раскручивалась при одном направлении намотки и скручивалась при обратной намотке. Все почему-то забыли, что следует не только раскручивать исходную молекулу, но и скручивать вновь образованные. Или молчаливо подразумевалось, что они скрутятся сами? Это верное предположение. Синтезирующаяся молекула скручивается сама под действием своих внутренних сил, за счет своих внутренних связей.
Если бы мы могли видеть реплицирующуюся молекулу с торца, то увидели бы, что каждый новый нуклеотид поворачивается относительно предыдущего на некоторый угол, то есть плоскость торца фактически вращается и движется вперед, точно также как кромка сверла в дрели. Рис. 3.
И теперь остается решить, кто-то должен кого-то вращать или должна раскручиваться спираль сама (пружина)? Естественно, если жесткость спирали не велика, то она и будет раскручиваться. Вновь образовывающаяся молекула уже связала свою ветвь со второй новой ветвью, и она стала массивней одной ветви реплицируемой молекулы и последней приходится раскручиваться. Точно также действует и встречная репликационная вилка, как две встречные дрели на цилиндрической пружине.
По этой причине одностороннее направление репликации и выжило эволюционно. Двух стороннее репликационное направление при спиральной форме молекулы выжить не может. Могло бы выжить противоположное одностороннее направление, но тогда молекула была бы не правозакрученная, а левозакрученная.
В природе закручивание можно наблюдать часто: вьющиеся лианы и другие растения, поворот цветков растений за солнцем и т.п. Цветы, согнутые растения, скрученные листочки и много чего другого обладает свойством раскручиваться. То есть силы скручивания и раскручивания в природе существуют и почему бы им не быть в молекуле. Принимают ли участие в этом процессе ДНК-топоизомеразы, сказать трудно, но можно согласиться с предположением, что они ферментируют данное явление.
В еженедельной газете «Наука в сибири» (N 30 (2466) Июль 2004 г) Сибирского отделения Российской академии наук доктор биологических наук Алексей Груздев при обсуждении статьи “«МОЛЧАЩАЯ» ДНК ГЕТЕРОХРОМАТИНА” рассказывает:
“Используя гигантские политенные хромосомы личинок одного из видов комаров, мы убедились, что ДНК в транскрипционно неактивных дисках, как и ожидалось, находится в топологически замкнутом релаксированном состоянии. Мы подтвердили также, что в транскрипционно активных участках (пуфах) ДНК существенно недокручена (т. е. торсионно напряжена отрицательно). По-видимому, это регулируемое клеткой состояние ДНК обеспечивает оптимальную скорость транскрипции генов.
Наш метод оказался недостаточно чувствительным для исследования состояния ДНК в отдельных участках метафазных хромосом мыши. Поэтому мы исследовали большие скопления хромосом. К нашему удивлению оказалось, что почти вся (80%) ДНК этих хромосом так же торсионно напряжена, как ДНК транскрипционно активных генов в пуфах политенных хромосом, но заметно устойчива к ДНКазам (ферментам, расщепляющим ДНК). Вероятнее всего, напряжение возникло при уплотнении упаковки ДНК в тело хромосомы. Этот вывод был подтвержден группой японских исследователей. Позже ими был вскрыт и механизм возникновения напряжения”.
К сожалению, мне неизвестно, что вскрыли японцы, но то, что они подтверждают факт торсионных напряжений в молекуле ДНК, может служить объяснению процесса раскручивания молекулы внутренними напряжениями в самой молекуле. ДНК-топоизомера в данном случае может рассматриваться как специфический фермент.
По предложенной модели процесс расплетения может идти различным порядком, а раскручивание происходит совместно с синтезом новой молекулы.
Характеристики, функции, типы и ингибиторы топоизомераз
топоизомеразы являются типом изомеразных ферментов, которые модифицируют топологию дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), вызывая как ее разматывание, так и намотку и суперскручение.
Эти ферменты играют специфическую роль в снятии крутильного напряжения в ДНК, так что могут происходить важные процессы, такие как ее репликация, транскрипция ДНК в мессенджере рибонуклеиновой кислоты (мРНК) и рекомбинация ДНК..
Ферменты топоизомеразы присутствуют как в эукариотических, так и в прокариотических клетках. Его существование было предсказано учеными Уотсоном и Криком при оценке ограничений, представленных структурой ДНК для обеспечения доступа к ее информации (хранящейся в ее нуклеотидной последовательности)..
Чтобы понять функции топоизомераз, необходимо учитывать, что ДНК имеет стабильную структуру двойной спирали, и ее цепи катятся одна над другой..
Эти линейные цепи состоят из 2-дезоксирибозы, соединенной фосфодиэфирными связями 5′-3 ‘, и азотистых оснований внутри их, как ступени винтовой лестницы.
Топологическое исследование молекул ДНК показало, что они могут принимать несколько конформаций в зависимости от их крутильного напряжения: от расслабленного состояния до различных состояний обмотки, которые позволяют их уплотнение.
Молекулы ДНК с различными конформациями называются топоизомерами. Таким образом, можно сделать вывод, что топоизомеразы I и II могут увеличивать или уменьшать крутильное натяжение молекул ДНК, образуя их разные топоизомеры.
Среди возможных топоизомеров ДНК наиболее распространенной конформацией является суперскручение, которое является очень компактным. Однако двойная спираль ДНК также должна быть развернута топоизомеразами во время нескольких молекулярных процессов..
черты
Механизм общего действия
Некоторые топоизомеразы могут расслаблять только отрицательные суперскрутки ДНК или обе суперскрутки ДНК: положительные и отрицательные.
Если кольцевая двухцепочечная ДНК разматывается по своей продольной оси и происходит поворот левой рукой (по часовой стрелке), говорят, что она имеет суперскрученную отрицательную спираль. Если поворот идет по часовой стрелке (против часовой стрелки), он имеет положительный супер-спиральный.
В основном топоизомеразы могут:
-Облегчить прохождение нити ДНК через разрез в противоположной нити (топоизомераза типа I).
-Облегчить прохождение полной двойной спирали через расщепление внутри себя или через расщепление в другой другой двойной спирали (топоизомераза типа II).
Таким образом, топоизомеразы действуют через расщепление фосфодиэфирных связей в одной или обеих цепях, которые составляют ДНК. Затем измените состояние намотки нитей двойной спирали (топоизомераза I) или двух двойных спиралей (топоизомераза II), чтобы, наконец, вернуться, чтобы связать или лигировать концы, вырезанные.
Топоизомеразы и клеточный цикл
Хотя топоизомераза I является ферментом, который проявляет большую активность во время S-фазы (синтез ДНК), он не считается зависимым от фазы клеточного цикла.
В то время как активность топоизомеразы II является более активной во время логарифмической фазы роста клеток и в клетках быстрорастущих опухолей.
функции
Изменение генов, кодирующих топоизомеразы, является летальным для клеток, демонстрируя важность этих ферментов. Среди процессов, в которых участвуют топоизомеразы:
Компактное хранение генетического материала
Топоизомеразы облегчают компактное хранение генетической информации, поскольку они генерируют спираль ДНК и суперскрученную, позволяя найти большое количество информации в относительно небольшом объеме..
Доступ к генетической информации
Если бы не было топоизомераз и их уникальных характеристик, было бы невозможно получить доступ к информации, хранящейся в ДНК. Это связано с тем, что топоизомеразы периодически снимают напряжение путем скручивания, которое образуется в двойной спирали ДНК, во время ее разматывания, в процессах репликации, транскрипции и рекомбинации..
Если напряжение, вызванное кручением, возникающим во время этих процессов, не будет снято, это может привести к дефектной экспрессии гена, нарушению циркулярной ДНК или хромосомы, даже вызывая гибель клеток..
Регуляция экспрессии генов
Конформационные изменения (в трехмерной структуре) молекулы ДНК обнажают определенные области снаружи, которые могут взаимодействовать с ДНК-связывающими белками. Эти белки имеют регуляторную функцию экспрессии генов (положительную или отрицательную).
Таким образом, состояние обмотки ДНК, генерируемой действием топоизомераз, влияет на регуляцию экспрессии генов.
Особенности топоизомеразы II
Топоизомераза II необходима для сборки хроматид, конденсации и деконденсации хромосом и сегрегации дочерних молекул ДНК во время митоза.
Этот фермент также является структурным белком и одним из основных компонентов матрицы клеточного ядра во время интерфазы.
Типы топоизомераз
Существует два основных типа топоизомераз в зависимости от того, способны ли они расщеплять одну или две цепи ДНК.
-Топоизомеразы типа I
мономерный
Топоизомеразы типа I представляют собой мономеры, которые смягчают отрицательные и положительные суперкатушки, которые образуются при перемещении вилки во время транскрипции, а также во время процессов репликации и рекомбинации генов..
Топоизомеразы типа I можно подразделить на тип 1А и тип 1В. Последние обнаружены у людей и отвечают за расслабление суперскрученной ДНК..
Тирозин в своем активном сайте
Топоизомераза 1B (Top1B) состоит из 765 аминокислот, разделенных на 4 специфических домена. Один из этих доменов имеет высоко консервативную область, которая содержит активный сайт с тирозином (Tyr7233). Все топоизомеразы присутствуют в своем активном сайте тирозина с фундаментальной ролью во всем каталитическом процессе.
Механизм действия
Тирозин из активного сайта образует ковалентную связь с 3′-фосфатным концом цепи ДНК, обрезая его и удерживая его прикрепленным к ферменту, пропуская другую цепь ДНК через иссечение.
Прохождение другой цепи ДНК через вырезанную цепь достигается благодаря конформационному превращению фермента, которое вызывает раскрытие двойной спирали ДНК..
Затем топоизомераза I возвращается к своей первоначальной конформации и снова связывает вырезанные концы. Это происходит в результате процесса, обратного разрыву цепи ДНК в каталитическом сайте фермента. Наконец, топоизомераза высвобождает цепь ДНК.
Скорость лигирования ДНК выше, чем скорость удаления, что обеспечивает стабильность молекулы и целостность генома.
Таким образом, топоизомераза типа I катализирует:
-Топоизомеразы типа II
димерная
Топоизомеразы типа II представляют собой димерные ферменты, которые расщепляют обе цепи ДНК, таким образом расслабляя суперскрутки, которые генерируются во время транскрипции и других клеточных процессов..
Mg зависимых ++ и спс
Этим ферментам нужен магний (Mg ++ ) и также нуждаются в энергии, которая исходит от разрыва АТФ-трифосфатной связи, которой они пользуются благодаря АТФазе.
Два активных сайта с тирозином
Человеческие топоизомеразы II очень похожи на таковые у дрожжей (Saccharomyces cerevisiae), который состоит из двух мономеров (подфрагменты A и B). Каждый мономер имеет домен АТФазы и в субфрагменте активный сайт 782 тирозина, с которым может связываться ДНК. Следовательно, две цепи ДНК могут быть присоединены к топоизомеразе II..
Механизм действия
Механизм действия топоизомеразы II такой же, как описанный для топоизомеразы I, учитывая, что расщепляются две цепи ДНК, а не только одна.
В активном сайте топоизомеразы II фрагмент белка стабилизируется (посредством ковалентного связывания с тирозином). двойная спираль ДНК, называемый «фрагмент G». Этот фрагмент расщепляется и остается связанным с активным центром ковалентными связями.
Затем фермент позволяет другому фрагменту ДНК, называемому «фрагментом Т», проходить через расщепленный фрагмент «G» благодаря конформационному изменению фермента, которое зависит от гидролиза АТФ..
Топоизомераза II связывает два конца «фрагмента G» и, наконец, восстанавливает свое первоначальное состояние, высвобождая фрагмент «G». Затем ДНК ослабляет крутильное напряжение, позволяя происходить процессам репликации и транскрипции..
-Топоизомеразы человека
Геном человека имеет пять топоизомераз: top1, top3α, top3β (типа I); и top2α, top2β (типа II). Наиболее релевантными человеческими топоизомеразами являются топ1 (топоизомераза типа IB) и 2α (топоизомераза типа II).
Ингибиторы топоизомеразы
-Топоизомеразы как мишени для химической атаки
Поскольку процессы, катализируемые топоизомеразами, необходимы для выживания клеток, эти ферменты являются хорошими мишенями для воздействия на злокачественные клетки. Для этого топоизомеразы считаются важными в лечении многих заболеваний человека.
Препараты, которые взаимодействуют с топоизомеразами, в настоящее время широко изучаются как химиотерапевтические вещества против раковых клеток (в разных органах организма) и патогенных микроорганизмов..
-Типы торможения
Препараты, ингибирующие активность топоизомеразы, могут:
Стабилизация временного комплекса, который образуется при связывании ДНК с тирозином каталитического сайта фермента, предотвращает объединение вырезанных фрагментов, что может привести к гибели клеток.
-Ингибиторы топоизомераз
Среди соединений, которые ингибируют топоизомеразы, являются следующие.
Противоопухолевые антибиотики
Антибиотики используются против рака, так как они предотвращают рост опухолевых клеток, обычно путем воздействия на их ДНК. Их часто называют противоопухолевыми антибиотиками (против рака). Например, актиномицин D влияет на топоизомеразу II и используется при опухолях Вильмса у детей и при рабдомиосаркомах..
антрациклинов
Антрациклины, среди антибиотиков, являются наиболее эффективными противораковыми препаратами и имеют самый широкий спектр. Они используются при лечении рака легких, яичников, матки, желудка, мочевого пузыря, молочной железы, лейкемии и лимфом. Известно, что он влияет на топоизомеразу II путем интеркаляции в ДНК.
Первый антрациклин, выделенный из актинобактерий (Streptomyces peucetius) был даунорубицин Впоследствии доксорубицин был синтезирован в лаборатории, и теперь также используются эпирубицин и идарубицин..
антрахинона
Антрахиноны или антрацендионы представляют собой соединения, полученные из антрацена, аналогичные антрациклинам, которые влияют на активность топоизомеразы II путем интеркаляции в ДНК. Они используются для лечения метастатического рака молочной железы, неходжкинской лимфомы (НХЛ) и лейкемии..
Эти препараты были обнаружены в пигментах некоторых насекомых, растений (frángula, сенна, ревень), лишайниках и грибах; а также в hoelita, который является природным минералом. В зависимости от их дозы они могут быть канцерогенными.
Среди этих соединений у нас есть митоксантрон и его аналог лосоксантрон. Они предотвращают размножение клеток злокачественной опухоли, необратимое связывание с ДНК.
эпиподофиллотоксины
Подофиллотоксины, такие как эпидофилотоксины (VP-16) и тенипозид (VM-26), образуют комплекс с топоизомеразой II. Они используются против рака легких, яичек, лейкемии, лимфом, рака яичников, рака молочной железы и злокачественных внутричерепных опухолей, среди других. Они изолированы от растений Podophyllum notatum и P. peltatum.
Аналоги камптотецинов
Эти соединения были использованы против рака толстой кишки, легких и молочной железы и получены естественным путем из коры и листьев древесных пород. Camptotheca acuminata китайских персиков и тибета.
Естественное торможение
Структурные изменения топоизомераз I и II также могут происходить совершенно естественно. Это может произойти во время некоторых событий, которые влияют на его каталитический процесс.
Среди этих изменений можно отметить образование димеров пиримидина, несоответствия азотистых оснований и другие события, вызванные окислительным стрессом..