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.
DNA gyrase, or simply gyrase, is an enzyme within the class of topoisomerase and is a subclass of Type II topoisomerases that reduces topological strain in an ATP dependent manner while double stranded DNA is being unwound by elongating RNA polymerase or by helicase in front of the progressing replication fork. It is the only known enzyme to actively contribute negative supercoiling to DNA, while it also is capable of relaxing positive supercoils. It does so by looping the template to form a crossing, then cutting one of the double helices and passing the other through it before releasing the break, changing the linking number by two in each enzymatic step. This process occurs in bacteria, whose single circular DNA is cut by DNA gyrase and the two ends are then twisted around each other to form supercoils. Gyrase is also found in eukaryotic plastids: it has been found in the apicoplast of the malarial parasite Plasmodium falciparum and in chloroplasts of several plants. Bacterial DNA gyrase is the target of many antibiotics, including nalidixic acid, novobiocin, albicidin, and ciprofloxacin. The unique ability of gyrase to introduce negative supercoils into DNA at the expense of ATP hydrolysis Structurally the complex is formed by 3 pairs of "gates", sequential opening and closing of which results into the direct transfer of DNA segment and introduction of 2 negative supercoils. N gates are formed by ATPase domains of GyrB subunits. Binding of 2 ATP molecules leads to dimerization and, therefore, closing of the gates. Hydrolysis, on the contrary, opens them. DNA cleavage and reunion is performed by a catalytic center located in DNA gates build by all gyrase subunits. C gates are formed by GyrA subunits.
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.
The quinolones (including nalidixic acid and ciprofloxacin) are known as topoisomerase poisons. By binding to the enzyme they trap it in a transient step of the catalytic cycle, preventing the reunion of a G segment. This results in an accumulation of double strand breaks, stalling of replication forks and cell death. Quinolone resistant bacteria frequently harbor mutated topoisomerases that resist quinolone binding. The subunit A is selectively inactivated by antibiotics such as oxolinic and nalidixic acids. The subunit B is selectively inactivated by antibiotics such as coumermycin A1 and novobiocin. Inhibition of either subunit blocks supertwisting activity.
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.