Кіріспе

ДНҚ гираза, немесе жай ғана гираза – топоизомераза класына жататын фермент. Бұл фермент АТФ-ге тәуелді түрде топологиялық кернеуді азайтатын ІІ типті топоизомеразалардың субкласы болып табылады, ал екі тізбекті ДНҚ РНК полимеразаның ұзартылуымен немесе репликациялық жікке жақындаған геликазаның әрекетімен ашылады. ДНҚ-ға теріс суперкоилді белсенді түрде енгізуге қабілетті жалғыз белгілі фермент – осы гираза, сонымен қатар ол оң суперкоилдерді де босата алады. Ол мұны үлгіні қиылыс құру үшін бұрап, содан кейін екі спиральдің біреуін кесіп, екіншісін осы үзіліс арқылы өткізіп, әр ферменттік қадамда байланыс санын екіге өзгертеді. Бұл процесс бактерияларда жүреді, олардың жалғыз дөңгелек ДНҚ-сы ДНҚ гиразамен кесіледі, содан кейін екі ұшы бір-біріне бұрылып суперкоилдерді құрайды. Гираза эукариоттық пластидтерде де табылады: ол маляриялық паразит Plasmodium falciparum-ның апикопластасында және бірнеше өсімдіктердің хлоропластарында кездеседі. Бактериялық ДНҚ гираза көптеген антибиотиктердің нысанасы болып табылады, соның ішінде налидиксик қышқылы, новобиоцин, альбицидин және ципрофлоксацин. Гиразаның АТФ гидролизі арқасында ДНҚ-ға теріс суперкоилдерді енгізудің ерекше қабілеті бар. Құрылымдық тұрғыдан алғанда, кешен 3 жұп "қақпадан" тұрады, олардың тізбекті ашылуы мен жабылуы ДНҚ сегментінің тікелей ауысуына және 2 теріс суперкоилдің енгізілуіне әкеледі. N қақпалары GyrB суббірліктерінің АТФаза домендерімен қалыптасады. 2 АТФ молекуласының байланысуы димеризацияға алып келеді, демек қақпалар жабылады. Гидролиз, керісінше, оларды ашады. ДНҚ-ның кесілуі мен қайта біріктірілуі барлық гираза суббірліктері құрайтын ДНҚ қақпаларында орналасқан каталитикалық орталықпен жүзеге асырылады. C қақпалары GyrA суббірліктерінен құралады.

Гираза белсенділігінің механохимиялық моделі

Бір молекулалық зерттеу гираза белсенділігін ДНҚ кернеуінің (қолданған күш) және АТФ функциясы ретінде сипаттады және механохимиялық модель ұсынды. ДНҚ-ға байланысқан кезде ("Гиразалық ДНҚ" күйі) ДНҚ оралуы мен диссоциациясы арасында бәсекелестік пайда болады, онда ДНҚ кернеуінің артуы диссоциация ықтималдығын жоғарылатады. Ұсынылған каталитикалық цикл бойынша, 2 АТФ молекуласының байланысуы GyrB суббөлімшелерінің АТФаза домендерінің димеризациялануына және GyrB суббөлімшелері арасындағы қуыста Т-ДНҚ сегментінің (Т – көшіруден) тұтқындалуына алып келеді. Келесі қадамда фермент ДНҚ-ның G сегментін (G – қақпадан) кесіп, екі тізбекті үзуді тудырады. Содан кейін Т сегменті үзіліс арқылы беріледі, бұл процеске бірінші АТФ молекуласының гидролизі сүйемелдейді. ДНҚ гиразасы G сегментіндегі үзілісті қайтадан жалғап, T сегменті фермент кешенінен шығады. Екінші АТФ-тың гидролизі жүйені циклдің бастапқы қадамына қайтарады. Каталитикалық циклдің нәтижесінде екі АТФ молекуласы гидролизденеді және екі теріс суперспираль ДНҚ матрицасына енгізіледі. Бастапқыда бос дөңгелек ДНҚ-ға енгізілген суперспиральдік бұрылыстардың саны гиразамен гидролизделген АТФ молекулаларының санына шамамен тең деп есептелді. Сондықтан, гиразаның реакциясының бір циклында екі АТФ молекуласы гидролизденеді, нәтижесінде 2 байланыс айырмашылығы пайда болады.

Гиразаға тән ерекшелік

Гираза ДНК субстраттарына айқын таңдаулылық танытады. Кейбір фагтарда (бактериофаг Mu тобы) және плазмидтерде (pSC101, pBR322) гиразаға күшті байланысу орындары (SGS) анықталды. Жақында, Topo Seq әдісін пайдалану арқылы Escherichia coli геномындағы ДНК гираза орындарының жоғары өнімділікпен картографиясы жасалды.
Хинолондар (налидиксик қышқылы және ципрофлоксацинды қоса алғанда) топоизомераза уы ретінде белгілі. Олар ферментпен байланысып, оны каталитикалық циклдің уақытша кезеңінде тұрғызып, G сегментінің қайта бірігуіне кедері келтіреді. Бұл қос тізбектің үзілуінің жиналуына, репликация шанышқыларының тоқтауына және жасушаның өліміне алып келеді. Хинолонға төзімді бактерияларда хинолонға байланысуға қарсы тұратын мутацияланған топоизомеразалар жиі кездеседі. А- суббірлігі оксолин және налидиксик қышқылы сияқты антибиотиктермен таңдамалы түрде белсенділігін жоғалтады. B- суббірлігі кумермицин А1 және новобиоцин сияқты антибиотиктермен таңдамалы түрде инактивацияланады. Кез келген суббірліктің тежелуі суперспиральдену белсенділігін тоқтатады.

Т4 фагы

Фаг T4-тің 39, 52 және 60 гендері бактериялық E. coli жауынды инфекциялаған кезде фаг ДНК репликациясында қолданылатын ДНК гиразасын құрайтын белоктарды кодтайды. Фагтың 52 генінің белогы бактериялық гиразаның gyrA суббірлігімен, ал 39 генінің белогы gyrB суббірлігімен гомологияны бөліседі. Жауынды E. coli ДНК гиразасы фаг гендерінің өнімдерінің жоғалуын ішінара толықтыра алатындықтан, 39, 52 немесе 60 гендеріндегі мутациялар фаг ДНК репликациясын толығымен тоқтатпайды, керісінше оның басталуын кешіктіреді. 39 геніндегі мутацияға ие мутант, фаг хромосомасының көптеген көшірмелері пайда болған кезде, ДНК репликациясы басталғаннан кейін фаг инфекциясының кезеңінде ультракүлгін сәулелендірумен инактивацияға сезімталдығы артады.