Topoisomerasa
La familia de las topoisomerasas es la encargada de mantener la estructura terciaria del ADN durante todo el ciclo vital, siendo la encargada del enrollamiento y desenrollamiento de las hebras de ADN durante la síntesis, la replicación, la condensación y descondensación, etc. Estas enzimas nucleares están presentes tanto en procariotas como en eucariotas, hecho que deja ver la antigüedad y la importancia evolutiva de tener estas moléculas trabajando sobre el ácido desoxirribonucleico.
El ADN tiene una conformación de doble hélice, en la que dos hebras de bases nitrogenadas unidas por puentes fosfato se entrelazan o enrollan una sobre la otra. El problema surge cuando, por ejemplo, esta doble hebra se abre y el enrollamiento crea tensión de torsión sobre el resto de hebra (para ver la tensión con vuestros propios ojos probad de coger dos cuerdas o gomas elásticas y enrollarlas como el ADN y luego abrirlas por la mitad sin dejar que se desenrolle por los extremos). Cuando abrimos las dos hebras estamos creando un superenrollamiento (positivo si es en sentido horario o negativo si es al revés) en el resto de la doble hebra que resultará en una mayor dificultad para abrir la hebra de ADN en otro punto (se puede comprobar en el mismo experimento sencillo intentando abrir un segundo agujero en otra parte con el primero abierto).
Familia génica: Se han caracterizado tres tipos de ADN topoisomerasas en función de sus propiedades catalíticas, gasto energético y estructura de su proteína: las ADN topoisomerasas de tipo I (TOPI, subtipos IA y IB) y las ADN topoisomerasas de tipo II (TOPII).
+ Topoisomerasa I: En E. coli la topoisomerasa I es un monómero codificado por el gen topA. Actúa sobre un ADN con superenrollamiento negativo y solo corta una de las hebras generando un 5’P y un 3’OH y la enzima se une al enlace 5’P mediante un OH. Luego, a través de una brecha, pasa la hebra del DNA y cuando pasa la hebra sella el enlace. No gasta ATP. La energía liberada por la rotura se usa para sellar el DNA. El OH no está covalentemente unido a la enzima, pero está unido al DNA para que no se pierda el superenrollamiento. Cuando ha pasado la hebra por la segunda brecha se lleva un ataque nucleófilo y se produce la esterificación 3’OH – 5’P y los extremos se vuelven a unir. La topoisomerasa I actúa sobre ADN con superenrollamiento negativo (no positivos). Por tanto es una enzima relajante.
+ Topoisomerasa II o girasa: Es un heterodímero (dos monómeros diferentes), codificada por los genes gyrA y gyrB. Corta las dos hebras de un ADN. Cada monómero se une por una subunidad catalítica a los enlaces 5’P, con lo que conserva la energía. Una hebra pasa hacia atrás y sella los dos enlaces rotos. La hebra que pasaba por detrás ahora pasa por. Es, por tanto, una enzima superenrollante negativa. La actuación de esta enzima sí requiere ATP, que se necesita para cambios conformacionales de la enzima. La topoisomerasa II acepta ADN superenrollado positiva y negativamente y relajado.
La topoisomerasa II rompe ambas hebras de ADN y libera tensión de la hebra de ADN.
+ Efecto conjunto de las topoisomerasas sobre DNA
Actúan de manera conjunta para mantener el nivel adecuado de superenrollamiento para que se lleven a cabo los procesos biológicos.
Si en E. coli se muta el gen topA (que codifica topoisomerasa I), la I no puede actuar y el DNA estaría superenrrollado. Si muta gyrA o gyrB que codifica topoisomerasa II, el DNA estaría relajado. Si muta algún gyr y el topA tendremos niveles equilibrados de las mutaciones. Lo que importa no es cuánto actúen las topoisomerasas, sino la actuación equilibrada de las dos.
Funcionamiento: las enzimas de la familia de las topoisomerasas cortan y empalmar enlaces fosfodiéster y el DNA que resulta es un isómero topológico. Además permite que otras moléculas de ADN pasen por el corte realizado. Estas acciones requieren el gasto de ATP.
Antibióticos: Las topoisomerasas son frecuentes dianas de antibióticos debido a su importancia en la replicación del ADN. Por ejemplo, las quinolonas que inhiben las girasas.