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Topoisomerasi: una molecola che regola la conformazione del DNA

Tra i processi cellulari che regolano il metabolismo del DNA concorrono alcune tipologie specifiche di enzimi e molecole. Una di queste è la topoisomerasi, una sostanza deputata specifiche funzioni, e con classificazioni particolari di cui parleremo a breve, analizzandone prima le caratteristiche generali.

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Tra i processi cellulari che regolano il metabolismo del DNA concorrono alcune tipologie specifiche di enzimi e molecole. Una di queste è la topoisomerasi, una sostanza deputata specifiche funzioni, e con classificazioni particolari di cui parleremo a breve, analizzandone prima le caratteristiche generali.

A cosa serve l’enzima topoisomerasi?

L’enzima topoisomerasi è una molecola deputata alla produzione del super-avvolgimento del DNA, vale a dire la capacità dei filamenti di annodarsi tra loro, e di conseguenza creare la classica forma a singola o doppiaelica, determinandone un suo aumento o una diminuzione in termini volumetrici.

Per svolgere questa funzione, l’ enzima in questione ha la facoltà di rompere in maniera temporanea la catena filamentosa di DNA, sia questa a singola o a doppia elica, e andando quindi a creare veri e propri intrecci di materiale genetico attraverso il taglio creato.

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Come opera questo particolare enzima?

A livello operativo, l’enzima topoisomerasi è in grado di operare secondo tre fasi produttive:

  • rottura della molecola di DNA;
  • passaggio di un ulteriore filamento attraverso il taglio praticato in precedenza;
  • risaldatura del DNA.

Nella prima fase l’enzima si lega ad un tratto specifico di DNA, in cui la classica forma a doppia elica presenta un a particolare conformazione. In questo punto la topoisomerasi effettua quindi il taglio di uno dei due filamenti, separandoli di fatto, e creando di conseguenza un legame chimico con altre molecole, ed in particolar modo con la tirostina, un amminoacido polare precursore di diversi ormoni del corpo umano.

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Dopo aver effettuato il taglio, la topoisomerasi comincia a mutare la sua struttura peculiare, creando un’apertura all’interno del filamento tagliato, attraverso la quale il secondo materiale filamentoso penetra e si lega all’altra catena genetica.

Durante il taglio l’enzima permette all’elica del DNA di girare, in modo da svolgere gli avvolgimenti strutturali, regolando la tensione dei filamenti stessi.

Una volta avvenuto il passaggio,il filamento di DNA si rilassa, e la topoisomerasi riconnette il taglio mediante uno speciale legame chimico, permettendo all’elica ti tornare ad avvolgersi nella sua forma peculiare.

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Tipologie di topoisomerasi

A seconda delle loro caratteristiche, si possono classificare tre tipologie principali di topoisomerasi:

  • Topoisomerasi di categoria I: sono addette a mantenere la giusta tensione del materiale genetico, nel momento in cui avviene la fase di avvolgimento e di svolgimento del DNA, favorendo l’azione di rotazione dell’elica.
  • Topoisomerasi di categoria II: sono specializzate nell’azione di svolgimento del DNA presente all’interno del nucleo cellulare. Tali enzimi sono inoltre in grado di agire sui filamenti tipici di DNA a doppia elica, procedendo sempre ad effettuare un taglio, attraverso il quale verrà fatto passare un secondo segmento dell’elica.

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Bisogna tuttavia precisare che, all’interno delle topoisomerasi di categoria I, si possono distinguere due sottogruppi specifici di enzimi, vale a dire:

  • Topoisomerasi IA: sono enzimi di tipo monomerico, e a seguito del classico taglio del filamento di DNA si forma sempre un legame chimico tra essi ed il fosfato del filamento interrotto.Inoltre tutte queste tipologie di enzimi necessitano della presenza di ioni Mg++ per rilassare il filamento di DNA;
  • Topoisomerasi IB: pur essendo sempre enzimi monomerici, si differenziano dal tipo precedente per il fatto che il legame chimico che si forma tra queste molecole e il frammento di DNA avviene sempre sul 3° fosfato del filamento interrotto.

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Differenze a livello funzionale tra le due tipologie principali di topoisomerasi

Sulla base delle premesse di classificazione fatte in precedenza, le funzioni degli enzimi topoisomerasi differiscono in base alla categoria di appartenenza.

Le categorie I di enzimi non possono infattisvolgere i filamentieoperare tagli di alcun tipo sulle molecole di DNA a doppia elica, operazione alla quale sono deputati invece i loro corrispettivi di categoria II.

Inoltre un’altra differenza sostanziale è costituita dal fatto che per tagliare una catena di DNA a doppia elica, le topoisomerasi di categoria II necessitano dell’intervento di una molecolaidrolizzata di ATP, cosa che non avviene quando entrano in gioco le categorie di tipo I dei medesimi enzimi.

Infine le topoisomerasi di categoria II possono tagliare due filamenti per volta di materiale genetico, rispetto agli enzimi di tipo I, i quali possono operare su di un solo filamento per volta.

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Implicazioni a livello chimico e terapeutico delle topoisomerasi

L’azione delle molecole di topoisomerasi sulla formazione degli avvolgimenti di DNA è stata oggetto di numerose ricerche scientifiche, volte a studiarne un possibile utilizzo in campo medico.

Uno di questi riguarda l’impiego della chemioterapia per la cura di varie tipologie di cancro: infatti bloccando le operazioni di tali enzimi, la cellula incontra dei problemi nelle fasi ditrascrizione del DNA, così come nella fase della divisione e moltiplicazione cellulare.

La normale chemioterapia ospedaliera si basaproprio questo processo di blocco, sviluppando molecole in grado di fermare l’azione delle topoisomerasi per uccidere le cellule cancerosenella loro fase di moltiplicazione. A

Alcuni tipi di farmaci chemioterapici sono quindi a base di sostanze in grado di inibire le topoisomerasi per la cura del cancro, aiutando l’organismo a ridurre lo sviluppo delle masse tumorali.