TOPOISOMERASES: CARACTERÍSTICAS, FUNÇÕES, TIPOS E INIBIDORES - BIOLOGIA - 2025

As topoisomerases são enzimas isomerases, um tipo de modificação da topologia do ácido desoxirribonucléico (DNA), gerando seu desenrolamento e superenrolamento como seu enrolamento.

Essas enzimas têm um papel específico no alívio do estresse de torção no DNA, de modo que processos importantes como sua replicação, transcrição do DNA em ácido ribonucléico mensageiro (mRNA) e recombinação do DNA possam ocorrer.

Figura 1. Topoisomerase II. Fonte: Emw, do Wikimedia Commons

As enzimas da topoisomerase estão presentes em 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 às suas informações (armazenadas em sua sequência de nucleotídeos).

Para compreender as funções das topoisomerases, deve-se considerar que o DNA tem uma estrutura de dupla hélice estável, com seus filamentos enrolados um sobre o outro.

Essas cadeias lineares são compostas por 2-desoxirribose ligada por ligações fosfodiéster 5'-3 'e bases nitrogenadas em seu interior, como os degraus de uma escada em espiral.

Figura 2. Molécula de DNA. Fonte:

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 sua compactação.

As moléculas de DNA com diferentes conformações são chamadas de 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 supercoil, que é muito compacta. No entanto, a dupla hélice do DNA também deve ser desenrolada por topoisomerases durante vários processos moleculares.

Caracteristicas

Mecanismo geral de ação

Algumas topoisomerases podem relaxar apenas supercoils negativas de DNA, ou ambas supercoils de DNA: positivas e negativas.

Se o DNA circular de fita dupla for desenrolado em seu eixo longo e uma rotação para a esquerda (no sentido horário) ocorrer, ele será negativamente superenrolado. Se a curva for no sentido horário (anti-horário), é positivamente overcoiled.

Figura 3. DNA superenrolado negativamente, relaxado e positivamente superenrolado de fita dupla circular. Fonte: Fdardel, 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 clivagem própria, ou através de uma clivagem em outra dupla hélice diferente (topoisomerase tipo II).

Em resumo, as topoisomerases atuam por meio da clivagem de ligações fosfodiéster, em uma ou nas duas fitas que compõem o DNA. Eles então modificam o estado de enrolamento dos fios de uma dupla hélice (topoisomerase I) ou de duas hélices duplas (topoisomerase II), para finalmente amarrar ou amarrar as extremidades clivadas novamente.

Topoisomerases e o 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 de crescimento celular e em células de tumores de crescimento rápido.

Recursos

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

Armazenamento compacto de material genético

As topoisomerases facilitam o armazenamento da informação genética de forma compacta, pois geram o enrolamento e o superenrolamento do DNA, permitindo que uma grande quantidade de informação seja encontrada em um volume relativamente pequeno.

Acesso à informação genética

Sem topoisomerases e suas características únicas, o acesso às informações armazenadas no DNA seria impossível. Isso se deve ao fato de que topoisomerases liberam periodicamente o estresse torcional que é gerado na dupla hélice do DNA, durante seu desenrolamento, nos processos de replicação, transcrição e recombinação.

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

Se o estresse torcional gerado durante esses processos não fosse liberado, poderia ocorrer expressão gênica defeituosa, interrupção do DNA circular ou do cromossomo, produzindo até morte celular.

Regulação da expressão gênica

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 função reguladora da expressão gênica (positiva ou negativa).

Figura 5. Proteína reguladora da expressão gênica, neste caso impede a expressão de determinados genes. Zephyris na Wikipédia em inglês

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

Particularidades da topoisomerase II

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

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

Tipos de topoisomerases

Existem dois tipos principais de topoisomerases, dependendo se são capazes de clivar uma ou duas fitas de DNA.

-Topoisomerases tipo I

Monomérico

As topoisomerases do tipo I são monômeros que aliviam as supercoils negativas e positivas, que são produzidas pelo movimento em gancho durante a transcrição e durante os processos de replicação e recombinação de genes.

As topoisomerases do tipo I podem ser subdivididas em tipo 1A e tipo 1B. Os últimos são os encontrados em humanos e são responsáveis ​​por relaxar o DNA superenrolado.

Tirosina em seu sítio ativo

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

Mecanismo de ação

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

A passagem da outra fita de DNA pela fita dividida é conseguida 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 as extremidades clivadas novamente. Isso ocorre por um processo inverso à quebra da cadeia de DNA, no sítio catalítico da enzima. Finalmente, a topoisomerase libera a fita de DNA.

A taxa de ligação do DNA é maior do que a taxa de excisão, garantindo assim a estabilidade da molécula e a integridade do genoma.

Em resumo, a topoisomerase tipo I catalisa:

1. A clivagem de um fio.
2. A passagem da outra vertente pela clivagem.
3. Ligadura das pontas clivadas.

-Topoisomerases tipo II

Dimérico

As topoisomerases do tipo II são enzimas diméricas, que clivam ambas as fitas de DNA, relaxando assim os supercoils que são gerados durante a transcrição e outros processos celulares.

Dependente de Mg

Essas enzimas precisam de magnésio (Mg ⁺⁺) e também da energia que vem da quebra da ligação trifosfato de ATP, da qual se aproveitam 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 sub-fragmento o sítio ativo da tirosina 782, ao qual o DNA pode se ligar. Assim, duas fitas de DNA podem se ligar à topoisomerase II.

Mecanismo de ação

O mecanismo de ação da topoisomerase II é o mesmo descrito para a topoisomerase I, visto que duas fitas de DNA se dividem e não apenas uma.

No sítio ativo da topoisomerase II, um fragmento de dupla hélice de DNA, denominado “fragmento G”, é estabilizado (através de ligação covalente com tirosina). Este fragmento é excisado e mantido junto ao sítio ativo por ligações covalentes.

A enzima então permite que outro fragmento de DNA, denominado “fragmento T”, passe pelo fragmento clivado “G”, graças a uma mudança conformacional da enzima, que é dependente da hidrólise do ATP.

A topoisomerase II liga as duas extremidades do "fragmento G" e finalmente recupera seu estado inicial, liberando o fragmento "G". O DNA então relaxa o estresse de torção, permitindo que a replicação e a transcrição ocorram.

-Topoisomerases humanas

O genoma humano possui cinco topoisomerases: top1, top3α, top3β (tipo I); e top2α, top2β (do 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 das células, essas enzimas são um bom alvo de ataque para afetar as células malignas. Por este motivo, as topoisomerases são consideradas importantes no tratamento de muitas doenças humanas.

Drogas que interagem com topoisomerases são atualmente amplamente estudadas como substâncias quimioterápicas contra células cancerosas (em diferentes órgãos do corpo) e microrganismos patogênicos.

-Tipos de inibição

Os medicamentos que inibem a atividade da topoisomerase podem:

• Imprensado em DNA.
• Afeta a enzima topoisomerase.
• Intercalate em uma molécula próxima ao sítio ativo da enzima enquanto o complexo DNA-topoisomerase é estabilizado.

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

-Fármacos inibidores da toposomerase

Entre os compostos que inibem topoisomerases estão os seguintes.

Antibióticos antitumorais

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

Antraciclinas

As antraciclinas estão entre os antibióticos, um dos medicamentos anticâncer mais eficazes e com o mais amplo espectro. Eles são usados ​​para tratar câncer de pulmão, ovário, útero, estômago, bexiga, mama, leucemia e linfomas. É conhecido por afetar a topoisomerase II por intercalação no DNA.

A primeira antraciclina isolada de uma actinobactéria (Streptomyces peucetius) foi a daunorrubicina. Posteriormente, a doxorrubicina foi sintetizada em laboratório, e a epirrubicina e a idarrubicina também são usadas atualmente.

Antraquinonas

Antraquinonas ou antracenedionas 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 (frangula, sena, ruibarbo), líquenes e fungos; bem como na hoelita, que é um mineral natural. Dependendo da sua dose, eles podem ser cancerígenos.

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

Epidofilotoxinas

As podofilotoxinas, como as epidofilotoxinas (VP-16) e teniposídeo (VM-26), formam um complexo com a topoisomerase II. São usados ​​contra câncer de pulmão, testículo, leucemia, linfomas, câncer de ovário, carcinoma de mama e tumores intracranianos malignos, entre outros. Podophyllum notatum e P. peltatum são isolados de plantas.

Análogos de camptotecina

Campotecinas são compostos que inibem a topoisomerase I, incluindo irinotecano, topotecano e diflomotecano.

Esses compostos têm sido usados ​​contra o câncer de cólon, pulmão e mama, e são obtidos naturalmente da casca e das folhas da espécie arbórea Camptotheca acuminata das cornáceas da China e do Tibete.

Inibição natural

As alterações estruturais das topoisomerases I e II também podem ocorrer de forma completamente natural. Isso pode acontecer durante alguns eventos que afetam seu processo catalítico.

Essas alterações incluem a formação de dímeros de pirimidina, incompatibilidades de bases de nitrogênio e outros eventos causados ​​por estresse oxidativo.

Referências

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