В предыдущих двух статьях мы рассмотрели две модели расплетения ДНК в режиме репликации. Какие же объекты выполняют эту работу? Вот что пишут по этому поводу ученые в своей книге:
“Решение названных топологических проблем обеспечивают ДНКтопоизомеразы — ферменты, изменяющие топологию ДНК (рис. 50). Топоизомеразы релаксируют сверхспирализованные молекулы ДНК, снимая их внутреннее напряжение путем внесения одно- и двуцепочечных разрывов с последующим их восстановлением (лигированием). По механизму действия различают ДНК-топоизомеразы двух типов — I и II. ДНК-топоизомеразы I — мономерные белки, релаксируюг ДНК без затраты энергии путем внесения одноцепочечных разрывов. ДНК-топоизомеразы II функционируют в виде димеров (у эукариот) и тетрамеров (у прокариот), осуществляя АТР-зависимое расщепление обеих цепей ДНК с последующим переносом цепей через разрыв и его лигированием. (Стр. 99).
По-моему, в этой цитате главные слова “димеров”, “тетрамеров” и “лигированием”. Они просто кричаще подтверждают, что при одноцепочном разрыве энергия вовсе не нужна, а при двухцепочном расщеплении обеих ветвей без энергии ну никак не обойтись. Вот насколько выгодней топоизомераза I. Ей никакая энергия не нужна. Она безо всяких усилий разорвет ветвь и все. А вот топоизомераза II, какая-то не сознательная, ей подай энергию хочешь не хочешь.
Хоть топоизомераза I и не требует энергии, зато ей требуется помощник в виде остатка тирозина, “который осуществляет нуклеофильную атаку фосфатной группы ДНК с образованием фосфотирозина”. Он находится тут, как раз подле топоизомеразы I. Интересно он тоже атакует без всякой энергии? Работает, так сказать, бесплатно.
Но тут еще одна неясность: топоизомераза I это обобщенное название, а в самом деле существует две разновидности топоизомераз I:
Топоизомеразы подтипа 1-5'связываются преимущественно с одноцепочечными участками ДНК, осуществляя ее разрыв с образованием 5'-фосфодиэфирной связи с тирозином активного центра фермента. Через образовавшийся разрыв проходит либо одноцепочечная ДНК (снятие витка), либо двуцепочечная (образование узла или катенана). Ферменты этого типа снимают только отрицательную суперспирализацию. Характерны для прокариот.
Топоизомеразы подтипа 1-3' связываются с двуцепочечной ДНК, разрывают одну цепь с образованием З'-фосфодиэфирной связи с тирозином активного центра фермента. Через разрыв проходит вторая цепь дуплекса, уменьшая плотность суперспирализации ДНК; знак суперспирализации существенной роли не играет. Характерны для эукариот. (Стр. 99).
Из этих цитат можно заключить, что в прокариотах работают топоизомеразы подтипа 1-5' и преимущественно с одноцепочными участками ДНК. Вот что это за одноцепочные участки ДНК понять сложно. Может быть, это имеется ввиду участок расплетенной ветви, с которой и связывается данный подтип? Ну не может же быть какой-то лысой ДНК: идут, идут две ветви, потом одна ветвь исчезает, а другая тянется дальше, и затем снова появляется исчезнувшая ветвь. Будем считать, что это расплетенная ветвь.
Как говорят ученые, этот подтипа 1-5' снимает только отрицательную суперспирализацию. Это значит, что при расплетении некоторого участка ДНК получились не прямые параллельные ветви, а свитые, но с большим шагом нежели шаг в релаксационном состоянии. Почему получается эта отрицательная суперспирализация не понятно. Если топоизомераза раскрутила один виток ДНК, то ветви одного витка раскрутились полностью. Затем снова топоизомераза раскрутила следующий виток. Если топоизомераза таскает за собой ветви полностью, то никакой отрицательной суперспирализации нет. Ну если ветви предыдущего витка не передвигаются совсем, то получится такая же суперспирализация как и в релаксационном состоянии. И только если топоизмераза будет передвигать расплетенные ветви в каком-то промежуточном состоянии, то возможно получить отрицательную суперспирализацию. Но как это все влияет на дальнейшие действия топоизомеразы подтипа 1-5'?
Дальше она осуществляет разрыв этой одноцепочной ДНК. Разорвала. И что и куда надо протягивать? Положите перед собой жгут из двух веревочек. Расплетите пальцами какую-то его часть. Возле нерасплетенной части жгута разрежьте одну из веревочек. Скажите куда и что можно протягивать и зачем это протягивание делать? Может быть надо не протягивать, а обводя отрезанный конец веревочки вокруг не разрезанной веревочки, до раскрутить отрицательную суперспирализацию, если такова получилась, до нуля, чтобы веревочки стали прямыми и параллельными? А потом разрезанные концы лигировать. Или все это надо понимать как-то по-другому?
Такое же явление наблюдается и с топоизомеразой подтипа 1-3'. Хотя она и взаимодействует с обоими ветвями ДНК, она все равно разрывает одну из ветвей и в этот разрыв уже проходит вторая ветвь, и по-видимому походит уже сама, ее ничто не протаскивает. А может и протаскивает, не слишком понятно из описания.
Топоизомеразы подтипа 1-3' работают в эукариотах.
Несмотря на наличие в клетках топоизомераз (подтипа 1-5' для прокариот и подтипа 1-3' для эукариот) этого оказывается недостаточно, поэтому еще есть топоизомеразы типа II.
“Топоизомеразы типа II связываются с двуцепочечной ДНК и осуществляют разрыв обеих цепей с образованием двух 5'-фосфодиэфирных связей с тирозинами активного центра. В образовавшуюся щель проходит вторая двуцепочечная ДНК, и результатом является изменение числа положительных или отрицательных супервитков на 2 (в отличие от ферментов типа I, изменяющих число супервитков на единицу за шаг)”. (Стр. 99-100).
Эта топоизомераза “ДНК-топоизомераза II является жизненно важным ферментом любого эукариотического организма.” (Стр.100).
Чем лучше эта топоизомераза IIв отличие от топоизомеразы подтипа 1-3', также работающей в эукариотическом организме?
Первое. Она работает в два раза производительней. Она за один шаг обрабатывает 2 витка молекулы, а не один, как подтипа 1-3'.
Второе. “Топоизомераза II Е. соli (ДНК-гираза) относится к ферментам типа II, но не требует АТР”. (Стр.100). Это значит, что бактерии в кишечнике при расплетении в режиме репликации не тратят энергии. Как никак, а все экономия.
Больше ничего интересного в этой статье “Глава 3. Cверхспирализация ДНК. Топоизомеразы” я для себя не нашел. Что осталось для меня не понятным в данном материале, я расскажу в последующих статьях.