TOPOİZOMERAZ

 Topoizomerazlar (veya DNA topoizomerazları), DNA'nın aşırı veya alttan sarılmasına katılan enzimlerdir. DNA'nın sarma problemi, çift sarmal yapısının iç içe geçmiş doğasından kaynaklanmaktadır. DNA replikasyonu ve transkripsiyonu sırasında, DNA bir replikasyon çatalının önüne geçer. Azaltılmazsa, bu torsiyon, sonunda bu süreçlerde yer alan DNA veya RNA polimerazlarının DNA zincirinde devam etme yeteneğini durduracaktır.Çift sarmalın neden olduğu bu tür topolojik sorunları önlemek ve düzeltmek için topoizomerazlar DNA'ya bağlanır ve DNA zincirlerinden birinin veya her ikisinin fosfat omurgasını keser. Bu ara kırılma, DNA'nın çözülmesine veya çözülmesine izin verir ve bu işlemlerin sonunda DNA omurgası yeniden mühürlenir. DNA'nın genel kimyasal bileşimi ve bağlanabilirliği değişmediğinden, DNA substratı ve ürünü, yalnızca global topolojilerinde farklılık gösteren kimyasal izomerlerdir, bu da bu enzimlerin adıyla sonuçlanır. 

Topoizomerazlar, DNA topolojisine etki eden izomeraz enzimleridir.Bakteriyel topoizomerazlar ve insan topoizomerazları, DNA süper sarmallarını yönetmek için benzer mekanizmalar yoluyla ilerler. Topoizomerazlar ayrıca alt familyalara ayrılabilir. Tip I ailede iki alt aile vardır; enzim sırasıyla DNA zincirinin 5' fosfatına ve DNA üzerindeki 3' fosfata bağlandığında tip IA ve tip IB. Tip II ailede, yapı ve organizma alt aileleri ve işlevlerini belirler. DNA topoizomerazın genel işlevi, hücredeki DNA'nın topolojik durumunu yönetmektir. Bu enzimin iki türü veya ailesi vardır; tip I aile ve tip II aile. Tip I ailesi, DNA'nın bir sarmalını karşıt sarmalın kırılmasından geçirir. Başka bir deyişle, DNA topoizomeraz tip I enzimi, DNA'nın yalnızca bir sarmalını parçalar. Tip II ailesi, aynı molekülden veya farklı bir molekülden çift sarmallı bir boşluktan bir dubleks (iki sarmal) bölgesi geçirir. Özetlemek gerekirse, tip II DNA'nın her iki sarmalını da keser ve bu da çift sarmallı bir kopma ile sonuçlanır. 

İşlev

Topoizomerazlar, hem pozitif hem de negatif süper sarmallar olan negatif süper sarmalları rahatlatabilir veya DNA'da pozitif ve negatif süper sarmalları indükleyebilir. Enzimler ayrıca katentasyonu (kopyalamadan sonra iki tek dairesel DNA zinciri birbirine bağlandığında) ve bozulmayı (iki bağlantılı, kapalı, dairesel kromozomun ayrılması) teşvik edebilir ve ayrıca lineer kromozomların dolaşıklığını giderebilir.DNA ipliklerinin çift sarmal konfigürasyonu, diğer enzimler proteinleri kodlayan dizileri kopyalayacaksa veya kromozomlar kopyalanacaksa, helikaz enzimleri tarafından gerekli olan ayrılmalarını zorlaştırır. Çift sarmallı DNA'nın büküldüğü ve bir daire içinde birleştirildiği dairesel DNA'da, iki iplik topolojik olarak birbirine bağlanır veya düğümlenir. Aksi takdirde, farklı sayıda bükülmelere sahip olan özdeş DNA halkaları topoizomerlerdir ve DNA zincirleri kırılmadan birbirine dönüştürülemezler. Topoizomerazlar, katalitik kalıntı olarak korunmuş bir tirozin kullanarak DNA'da geçici kırılmalar yaratarak DNA'nın düğümlenmesini veya bağlantısını çözmesini katalize eder ve yönlendirir. (Viral) DNA'nın kromozomlara eklenmesi ve diğer rekombinasyon biçimleri de topoizomerazların etkisini gerektirebilir.

Topolojik olarak bağlı dairesel moleküller, aka katanlar, dairesel plazmitlerin replikasyonu işlemi sırasında pozitif bir süper sarmal formu benimser. Katenlerin bağlarının çözülmesi, son zamanlarda pozitif süper-sarmallı DNA'nın bağlanmasının daha etkili olduğu bulunan tip IIA topoizomerazlar tarafından gerçekleştirilir. Negatif ve pozitif süper-sarmallı katanların konformasyonel özellikleri, topoizomerazlar tarafından katalize edilen karşılık gelen enzimatik reaksiyonlarına göre özelliklerini etkiler. Deneyler, pozitif süper sarmallı DNA'nın, ilk bağlı DNA segmentinde keskin bir DNA bükülmesi sağladığını, bu da topoizomerazın başarılı bir şekilde bağlanmasına ve dolayısıyla enzimatik reaksiyonunu belirli bir içeriden dışarıya bir maddede takip eden segmente sürdürmesine izin verdiğini göstermiştir. Öte yandan, negatif süper sargılı DNA, bu tür bir bükülmeyi sağlamaz ve enzimin ilk segmente erişimi neredeyse imkansızdır, bu nedenle bağlanmayı engellemeyi engeller.

DNA Topolojisi

DNA topolojisi, süper sarma, düğümleme ve katenasyon gibi DNA'nın üçüncül biçimleridir. DNA'nın topolojisi çoğu metabolik süreç tarafından bozulabilir: RNA polimeraz, DNA'yı enzimin önünde aşırı sararak pozitif süper sarmallara neden olabilir ve ayrıca DNA'yı enzimin arkasına alttan sararak negatif süper sarmallara neden olabilir. DNA polimeraz, DNA replikasyonunda da aynı etkiye sahiptir. Pozitif ve negatif süper sarma, DNA'nın tüm küresel topolojisini dengeler, dolayısıyla genel olarak topoloji aynı kalır. Bununla birlikte, DNA replikasyonu veya transkripsiyon çatalı ileriye doğru hareket ettikçe ve pozitif süper-sarılma arttıkça, DNA iplikleri birbirinin etrafına daha sıkı sarılır ve bu da polimerazın ilerlemesini zorlaştırır. Replikasyon ve hücre bölünmesinin devam edebilmesi için polimerazın önündeki ve arkasındaki DNA'nın yerel topolojisinin rahatlatılması önemlidir. DNA topoizomerazları bunun için kullanılır. topolojik problemler

Üç ana topoloji türü vardır:

1.süper sarma

2.düğüm

3.katenasyon

Temel replikasyon veya transkripsiyon süreçlerinin dışında, DNA mümkün olduğunca kompakt tutulmalıdır ve bu üç durum bu amaca yardımcı olur. Ancak transkripsiyon veya replikasyon meydana geldiğinde DNA'nın serbest olması gerekir ve bu durumlar süreçleri ciddi şekilde engeller. Ek olarak, replikasyon sırasında, yeni kopyalanmış DNA dubleks ve orijinal DNA dubleks iç içe geçer ve bir hücre bölünürken genomik bütünlüğü sağlamak için tamamen ayrılmalıdır. Bir transkripsiyon balonu ilerledikçe, transkripsiyon çatalının önündeki DNA aşırı sarılır veya pozitif olarak aşırı sarılırken, transkripsiyon balonunun arkasındaki DNA alttan sarılır veya negatif olarak aşırı sarılır. Replikasyon meydana geldikçe, replikasyon balonunun önündeki DNA pozitif olarak süper-sarmal hale gelirken, replikasyon çatalının arkasındaki DNA dolanık hale gelerek prekatenanlar oluşturur. En önemli topolojik sorunlardan biri, çoğaltmanın en sonunda, mitoz oluşmadan önce yavru kromozomların tamamen çözülmesi gerektiğinde ortaya çıkar. Topoizomeraz IIA, bu topolojik problemlerin çözümünde önemli bir rol oynar.

DNA Topoizomeraz Tip I Ailesi

DNA Topoizomeraz Tip I ailesi iki alt aileden oluşur; IA yazın ve IB yazın. Çeşitli organizmalar arasında Tip IA DNA topoizomeraz genellikle aşağıdaki özellikleri paylaşır: Enzimlerin tümü monomerdir. Enzim, bir DNA zincirinin ucu ile tirozin aktif bölgesinde bir 5' fosfodiester bağının kovalent bir etkileşimini paylaşır. Süper sargının gevşeme mekanizması magnezyum(II) gerektirir. Plazmid DNA'da üretilen negatif süper-sarmallar, tamamlanmayan bir süreç olan gevşeme mekanizması için substratlar olabilir. Tip IA ayrıca DNA substratı içinde açıkta kalan tek iplikli bir bölge gerektirir. Bağlanan DNA sayısı gevşeme ile değişir. Tip IA topoizomeraz, DNA'nın katenasyonunu, bozulmasını, düğümlenmesini ve çözülmesini katalize edebilir.

Tip IB topoizomerazın alt ailesi içinde üç sınıf vardır: ökaryotlarda topoizomeraz I, prokaryotlarda topoizomeraz V ve poksvirüs topoizomeraz. Tip IB alt ailesi topoizomerazlar genellikle hem negatif hem de pozitif süper sarmalları gevşetme yeteneklerine göre sınıflandırılır ve gevşeme mekanizması (tip IA'nın aksine) tamamlanmaya başlar. Enzim üzerindeki tirozin aktif bölgesi ve DNA zincirindeki 3' fosfat aracılığıyla kovalent bir etkileşim oluştururlar. Gevşeme mekanizması magnezyum(II) gerektirmez. Tip I ailesi içinde hem tip IA hem de tip IB topoizomerazların özelliklerinde çok belirgin farklılıklar vardır.

DNA Topoizomeraz Tip II Ailesi

Tip II topoizomeraz ailesi, onları tip I ailesinden ayırt edilebilir kılan genel özellikleri ve özellikleri paylaşır. Tüm tip II DNA topoizomerazları dimerdir. Dubleks bir DNA'ya bağlanırlar ve her iki ipliği de bölerek dört baz oluştururlar. Bölünme, DNA üzerindeki 5' fosfata her dimer alt birimi arasındaki kovalent bir etkileşimle yapılır ve bir fosfotirozin bağı oluşturur. Reaksiyon, bölünmüş DNA'nın iki ucunu birbirinden ayırır - buna kapılı (G-) segment denir. Taşınan (T-) segmenti, aynı veya farklı bir DNA dupleksindeki bir bölge, G segmentinden geçirilir. Bu, DNA dairesel (plazmit) olduğunda bağlantı numarasını değiştirir. Gevşeme mekanizması magnezyum(II) ve ATP'nin hidrolizini gerektirir. Amino asit tirozinleri içeren aktif bölge, katalizi aktive etmek için asidik kalıntılarla işbirliği yapan bir sarmal-dönüş-sarmal motifine sahiptir. Prokaryotik tip II topoizomerazlar heterotetrameriktir. Ökaryotik tip II topoizomerazlar homodimeriktir. Tip II ayrıca, dekatenasyon yerine DNA gevşemesinde daha iyidir, yani dairesel DNA'ya karşı lineer DNA'daki topolojik stresleri gidermek için daha iyi enzimlerdir.