Biochemisch werden die Topoisomerasen in zwei Klassen eingeteilt:
- Typ I DNA-Topoisomerasen (Topoisomerase I)
- Typ II DNA-Topoisomerasen (Topoisomerase II)
Topoisomerase I
Die Topoisomerase I überführen superhelikale DNA in entspannte DNA, indem sie einen der beiden Stränge vorübergehend spalten. Als Folge verändert sich die Verknüpfungszahl um eine Windung. Zuerst wollen wir uns die Einzelschritte der Topoisomerase I der Bakterien genauer anschauen:
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Bindung an die negativ superhelikale DNA |
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Öffnung von einem der beiden Stränge. Das Enzym bindet kovalent an das 5'- Phosphat des gespaltenen DNA-Stranges |
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Der intakte Strang wird durch den DNA-Spalt geführt |
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Abtrennen des Enzyms und gleichzeitiger Wiederverschluss der Phosphodiesterbindung |
Durch die kovalente Bindung an den DNA-Strang wird chemische
Energie gespeichert, die später wieder frei wird, wenn das Enzym
die DNA verlässt und der DNA-Strang geschlossen wird.
Die Topoisomerase I der Eukaryonten durchläuft einen ganz
ähnlichen Reaktionszyklus. Der Unterschied liegt darin, dass das
Enzym der Eukaryonten sowohl an negativ wie auch an positiv
superhelikale DNA binden kann, und dass zwischenzeitlich eine
kovalente Bindung an ein 3'-Phosphat erfolgt.
Topoisomerase II
Die Topoisomerase II spaltet vorübergehend beide DNA-Stränge und ändert damit die Topologie der DNA-Doppelhelix um zwei Windungen. Für ihre Funktion benötigt sie biochemische Energie in Form von ATP. Sie besteht immer aus mehreren Untereinheiten:
Die bakterielle Topoisomerase II hat vier Untereinheiten, je zwei A- und zwei B-Untereinheiten. Sie wird Gyrase genannt. Sie kann negativ superhelikale DNA entspannen, wobei sie dabei kein ATP verbraucht, und sie kann auch negative Supercoils in ringförmige DNA einführen, wobei sie jedoch ATP verbraucht.
Die eukaryontische Topoisomerase II besteht aus zwei identischen Untereinheiten. Sie kann nur "Entspannen", aber dies sowohl mit positiv als auch mit negativ superhelikaler DNA.
Die Topoisomerase II ist fähig, DNA-Ringe, die wie Glieder einer Kette aneinander hängen, durch Schneiden und Wiederverknüpfen voneinander zu lösen. Diese Reaktion erfolgt über folgende Teilschritte:
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Die Topoisomerase II bindet an die DNA. Die eukaryontische Topoisomerase II bevorzugt dabei AT-reiche Sequenzen |
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Der gebundene DNA-Doppelstrang wird geschnitten. Dabei entstehen kurze überstehende Einzelstrangenden, deren Phosphatgruppen kovalent an eine OH-Gruppe in einer Enzymuntereinheit gebunden werden |
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Der intakte Strang tritt durch die Öffnung im geschnittenen Strang |
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Die DNA-Lücke wird durch die Lösung der kovalenten Protein-DNA Bindung wieder verschlossen. |
Ausser diesen beiden Haupttypen gibt es noch andere Topoisomerasen, die ähnlich wie die Topoisomerase II funktionieren. Etwaige Spannungen in replizierender DNA von Säuger- oder Bakterien-Zellen werden normalerweise durch die Topoisomerase I aufgelöst. Bei Hefemutanten, welche keine Topoisomerase I haben, kann die Topoisomerase II deren Funktion übernehmen. Die Topoisomerasen sind für das Überleben der Eukaryonten- und Prokaryonten-Zellen lebensnotwendig, da sie für entscheidende Vorgänge am Ende einer Replikationsrunde verantwortlich sind. Dazu hat sie eine wichtige Funktion bei der Kondensation der Chromosomen während der Mitose.
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Mechanismus der Replikation |
