Superbobinarea ADN-ului

Supercoiling-ul ADN-ului  este un fenomen de supra- sau sub-răsucire a lanțurilor de ADN închise topologic , în urma căruia axa dublei helix ADN-ului se răsucește într-o spirală de ordin superior. Prin „închise topologic” înțelegem molecule, a căror rotație liberă a capetelor este dificilă (molecule de ADN circulare sau molecule liniare, ale căror capete sunt fixate de structuri proteice ) [1] . ADN-ul rezultat din supercoilare este uneori denumit supercoiled .

Supercoiling-ul este important într-o varietate de procese biologice, cum ar fi compactarea ADN-ului , de exemplu . Anumite enzime, în special topoizomerazele , au capacitatea de a modifica topologia ADN-ului, de exemplu, pentru replicarea sau transcripția ADN-ului [2] . Supercoiling-ul este descris prin expresii matematice care compară helixul ADN-ului supercoiled cu forma sa „relaxată”.

Superbobinarea ADN-ului poate fi pozitivă sau negativă. Supercoiling pozitiv este considerat a fi unul în care axa dublei helix este răsucită în aceeași direcție cu lanțurile din interiorul dublei helix (în sensul acelor de ceasornic). În consecință, superbobinarea este considerată negativă dacă axa dublei helix este răsucită în sens invers acelor de ceasornic [3] . ADN-ul majorității organismelor mezofile este supraîncolăcit negativ. În același timp, există informații despre rolul biologic special al superînvăluirii pozitive a ADN-ului atât în ​​organismele mezofile, cât și în cele termofile [4] .

Descrierea matematică a superînfăşurării ADN-ului

În moleculele de ADN închise topologic, două catene sunt împletite între ele în așa fel încât este imposibil să le separăm fără a deteriora una dintre ele. Pentru o descriere cantitativă a conexiunii a două lanțuri, se folosește o cantitate specială - ordinea legăturii (Lk). Ordinea angajării indică de câte ori unul dintre lanțuri intersectează planul imaginar delimitat de al doilea lanț. Ordinea de legătură este întotdeauna exprimată ca un număr întreg, poate fi pozitivă sau negativă. Este în general acceptat faptul că ordinea de legătură pentru spiralele drepte închise este pozitivă. Ordinea de legătură depinde numai de starea topologică a lanțurilor de ADN și, prin urmare, rămâne constantă pentru orice modificări conformaționale ale moleculei. Aceeași moleculă de ADN poate exista în stări cu ordine de legătură diferite. Astfel de forme de ADN sunt numite izomeri topologici (topoizomeri) [5] [3] .

Este posibil să se elibereze tensiunea dintr-o moleculă de ADN închisă prin introducerea unei rupturi cu o singură catenă în ea și apoi ligand această rupere. Moleculele obţinute în urma unei astfel de proceduri vor fi caracterizate printr-un anumit interval de ordinul angajării. Valoarea medie a acestui interval se numește Lk o . Lk o poate fi calculat aproximativ prin formula:

,

unde N este numărul de perechi de baze din moleculă și γ este numărul mediu de perechi de baze pe tură a dublei elice în condițiile date. De obicei, valoarea lui γ este apropiată de 10,5 [1] .

Diferența dintre Lk și Lk o este importantă :

Valoarea lui ΔLk, spre deosebire de Lk, nu mai este neapărat un număr întreg și nu este strict legată de topologia moleculei. ΔLk caracterizează stresul experimentat de o moleculă de ADN închisă. La ΔLk=0 ADN-ul este în stare relaxată, la ΔLk<0 este supraînfăşurat negativ, la ΔLk>0 este pozitiv [5] .

În 1969, White a propus o formulă care lega ordinea de legătură și alte două caracteristici geometrice ale ADN-ului închis - torsiune (Twist, Tw) și numărul de superbobine (în creștere) (Writhe, Wr):

Răsucirea caracterizează rotația lanțurilor de ADN în jurul axei helixului și corespunde numărului total de spire; pentru elice de dreapta, răsucirea este considerată pozitivă. Creșterea (numărul de superbobine) caracterizează forma axei duble helix, este suma algebrică a tuturor intersecțiilor vizibile ale axei helixului cu ea însăși, mediată pe toate proiecțiile. Pentru moleculele de ADN în stare relaxată, Wr=0, pentru supercoiled negativ Wr<0, pentru supercoiled pozitiv — Wr>0 [5] [6] .

Un alt mod de a descrie supercoilarea ADN-ului este de a defini densitatea superbobinelor (σ):

ADN-ul circular izolat din organismele vii are, de obicei, o densitate supercoil variind de la -0,03 la -0,09 [5] .

Semnificația biologică a supercoilingului ADN-ului

Supercoiling este o proprietate importantă a ADN-ului, care determină cursul aproape tuturor proceselor dependente de ADN din celulă, cum ar fi replicarea , transcripția și recombinarea ADN-ului . ADN-ul din celulele majorității organismelor mezofile studiate este supraînvățat negativ [2] . Suprarularea negativă facilitează topirea locală a dublei helix, ceea ce permite inițierea normală a transcripției și replicării. În schimb, supercoiling pozitiv poate interfera cu inițierea transcripției și avansarea furcii de replicare [7] . Proteinele și enzimele speciale mențin ADN-ul într-o stare de supraînfăşurare negativă. În celulele eucariote , ADN-ul este răsucit în superbobine negative în jurul complexelor histonice , majoritatea arheilor mezofile au proteine ​​asemănătoare histonelor care îndeplinesc aceeași funcție, iar în bacterii , proteinele asociate cu nucleoizi (de exemplu, HU și HNS) sunt responsabile pentru aceasta [2] ] .

În plus, există enzime speciale din clasa izomerazei care pot schimba starea topologică a ADN-ului. Ele sunt numite topoizomeraze sau ADN topoizomeraze și au fost găsite în procariote , eucariote și în unele viruși . Topoizomerazele pot introduce superbobine pozitive și negative în ADN-ul închis, precum și asigură relaxarea acestuia. În funcție de mecanismul de acțiune, topoizomerazele sunt împărțite în două clase: topoizomerazele de tip I introduc o rupere temporară monocatenară în ADN și nu necesită surse de energie pentru funcționarea lor, în timp ce topoizomerazele de tip II introduc o rupere temporară dublu catenară și sunt ATP . -enzime dependente [4] . Topoizomerazele joacă un rol important în cursul proceselor dependente de ADN din celulă, de exemplu, ele sunt responsabile pentru îndepărtarea superbobinelor pozitive și ameliorarea tensiunii în regiunea ADN-ului din fața furculiței de replicare, ceea ce asigură mișcarea normală a acesteia [2] .

Până în 2012, s-au acumulat date experimentale care ne permit să aruncăm o privire nouă asupra rolului superînvăluirii pozitive a ADN-ului pentru organismele vii. Anterior, supraînfăşurarea pozitivă se credea a fi caracteristică numai ADN-ului arheal termofil, unde previne denaturarea termică a ADN-ului. Cu toate acestea, un număr tot mai mare de dovezi sugerează că regiunile ADN superînvăluite pozitiv și negativ pot coexista în celulele organismelor termofile și mezofile și că supraînfăşurarea pozitivă poate juca un rol special în reglarea expresiei genelor , replicarea telomerilor și alte procese [2]. ] .

Antimicrobienele din grupa fluorochinolonelor inhibă ADN-giraza și topoizomeraza-4, perturbând supraînfăşurarea ADN-ului, ceea ce duce la moartea bacteriilor [8] [9] .

Note

  1. ↑ 1 2 Takashi Ohyama. Capitolul 1. ADN: conformații alternative și biologie // Conformarea și transcripția ADN. — Georgetown, Texas. : Landes Bioscience; New York, NY : Springer Science Business Media, 2005. - ISBN 0387255796 .
  2. ↑ 1 2 3 4 5 Valenti A., Perugino G., Rossi M., Ciaramella M. Positive supercoiling in thermophiles and mezophiles: of the good and evil   // Biochim . soc. Trans. : jurnal. - 2011. - Vol. 39 , nr. 1 . - P. 58-63 . — PMID 21265747 .
  3. ↑ 1 2 Benjamin Lewin. Capitolul 15: Recombinare și reparare // Genele VIII . - Upper Saddle River, NJ: Pearson Prentice Hall, 2004. - ISBN 0131439812 .
  4. ↑ 1 2 D. V. Bugreev, G. A. Nevinsky. Structura și mecanismul de acțiune al ADN-topoizomerazelor de tip IA  // Progrese în chimia biologică: jurnal. - 2009. - T. 49 . - S. 129-158 . Arhivat din original pe 21 martie 2014.
  5. ↑ 1 2 3 4 Vologodskii AV, Cozzarelli NR Proprietăți conformaționale și termodinamice ale ADN-ului supercoiled  // Annu Rev Biophys Biomol Struct  :  journal. - 1994. - Vol. 23 . - P. 609-643 . - doi : 10.1146/annurev.bb.23.060194.003141 . — PMID 7919794 .
  6. ↑ Witz G., Stasiak A. ADN supercoiling and its role in DNA decatenation and unknotting   // Nucleic Acids Res. : jurnal. - 2010. - Vol. 38 , nr. 7 . - P. 2119-2133 . doi : 10.1093 / nar/gkp1161 . — PMID 20026582 . Arhivat din original pe 5 iunie 2020.
  7. ↑ Koster DA, Crut A., Shuman S., Bjornsti MA, Dekker NH Cellular strategies for regulating DNA supercoiling: a single-molecule  perspective  // ​​​​Cell . - Cell Press , 2010. - Vol. 142 , nr. 4 . - P. 519-530 . - doi : 10.1016/j.cell.2010.08.001 . — PMID 20723754 . Arhivat din original pe 24 septembrie 2015.
  8. ↑ Lysenko N. V. Evaluarea comparativă a fluorochinolonelor. Locul noilor fluorochinolone în practica clinică . Medicamente esentiale . Medicus Amicus® . Consultat la 27 februarie 2012. Arhivat din original pe 6 martie 2016.
  9. ↑ Mashkovsky M.D. Medicine. - Ed. a XV-a. - M . : New Wave, 2005. - S. 842. - 1200 p. — ISBN 5-7864-0203-7 .

Link -uri

  Accesați articolul Wikidata  Dicționare și enciclopedii