La ADN girasa (o simplemente girasa ) es una enzima de la bacteria E. coli y otros procariotas , pertenece al grupo de las topoisomerasas . Como representante típico de las topoisomerasas de clase II, la ADN girasa introduce roturas temporales de doble cadena en el ADN durante el ciclo catalítico. Una característica única de la ADN girasa es la capacidad de introducir intencionalmente superenrollamientos negativos en las moléculas de ADN utilizando la energía de la hidrólisis de ATP .
En 2007, la girasa se describió en el parásito protozoario Plasmodium falciparum del phylum Apicomplexa [1] . También se ha encontrado girasa en cloroplastos y mitocondrias de algunas plantas [2] .
La ADN girasa bacteriana es necesaria para la implementación de los procesos celulares más importantes: replicación , división celular , transcripción [3] . Es el objetivo de muchos antibióticos , como el ácido nalidíxico , la novobiocina y la ciprofloxacina .
La ADN girasa fue descrita por M. Gellert y otros en 1976 [4] .
La ADN girasa es una enzima tetramérica que consta de dos subunidades A (GyrA) y dos B (GyrB). Estructuralmente, el complejo está formado por tres pares de "puertas", cuya apertura y cierre secuenciales conducen a la transferencia dirigida de un segmento de ADN y la introducción de dos superenrollamientos negativos. Las puertas N están formadas por dominios ATPasa de subunidades B. La unión de dos moléculas de ATP estimula la dimerización y, en consecuencia, el cierre de la puerta N, mientras que la hidrólisis de ATP a ADP , por el contrario, estimula la apertura de la puerta. La puerta de ADN contiene un centro catalítico que introduce reversiblemente una ruptura de doble cadena en el ADN y está formada por todas las subunidades de la enzima. La puerta C consta únicamente de las subunidades A de la girasa [5] . Las subunidades A y B de la ADN girasa son homólogas a las proteínas C y E de la topoisomerasa IV , así como a los dominios C- y N-terminal de la topoisomerasa II eucariota , respectivamente [6] .
Actualmente, el mecanismo de acción de la ADN girasa, denominado mecanismo de paso de cadena, se considera generalmente aceptado. Según este modelo, la ADN girasa interactúa con dos regiones funcionales de ADN, los segmentos T y G. En el primer paso, la enzima une el segmento G y envuelve el ADN alrededor de sí mismo, formando un superenrollamiento que corresponde al superenrollamiento positivo . El papel clave en la envoltura del ADN lo desempeñan los dominios C-terminales de las subunidades A ( CTD , del inglés C-terminal domains). La unión de dos moléculas de ATP conduce al cierre de la puerta N formada por las subunidades B de la enzima y la unión del segmento T del ADN. Los reordenamientos conformacionales del complejo provocan la hidrólisis de la primera molécula de ATP y la escisión del segmento G debido al ataque de los enlaces fosfodiéster del ácido nucleico por las tirosinas del centro catalítico de la ADN girasa. En el siguiente paso, el segmento T se pasa a través de la rotura de doble hebra en el segmento G y el segmento G se vuelve a cerrar. En la etapa final del ciclo catalítico, el segmento T abandona la enzima a través de la puerta C formada por las subunidades A de la girasa y se hidroliza la segunda molécula de ATP [7] . La introducción de dos superenrollamientos negativos ocurre debido a la inversión del signo del superenrollamiento: un superenrollamiento positivo se forma al comienzo del ciclo catalítico debido a que el ADN se envuelve alrededor de la enzima, dirigido por la transferencia del segmento T a través de un doble rotura de cadena en el segmento G, se convierte en una superbobina negativa [8] . En términos matemáticos, esta operación equivale a cambiar el coeficiente de enlace por −2. Según algunas estimaciones, la velocidad de la girasa alcanza unas 100 superbobinas por segundo [9] .
Se ha demostrado que la ADN girasa tiene una especificidad pronunciada por las secuencias de ADN. Por ejemplo, se conocen sitios de unión fuertes para la enzima del bacteriófago Mu y algunos plásmidos (pSC101, pBR322). El mapeo de los sitios de unión de la ADN girasa en el genoma de E. coli utilizando el método Topo-Seq reveló un motivo de unión largo (130 nt) que explica la existencia de sitios fuertes y refleja la envoltura del ADN alrededor del complejo enzimático y la flexibilidad del ácido nucleico. El análisis del motivo reveló regiones de unión del ADN a los dominios C-terminales de las subunidades A, caracterizadas por un patrón periódico de nucleótidos de regiones ricas en AT y GC con un período cercano al de la doble hélice del ADN (~10,5 nt) [ 3] . Anteriormente, se encontró una regularidad similar en el motivo de unión para los nucleosomas eucariotas , alrededor de los cuales también se envuelve el ADN (146 nt, organizados en 1,8 vueltas) [10] . En total, se han encontrado varios miles de sitios de enzimas en el genoma de E. coli [3] .
Como se muestra arriba, la girasa tiene la capacidad de relajar las superespiras positivas, reemplazándolas por negativas. Esto hace que la girasa sea extremadamente importante para los procesos celulares durante los cuales se produce el desenrollamiento de la doble hélice del ADN, como la replicación y la transcripción del ADN . Cuando la ADN o la ARN polimerasa se mueve a lo largo del ADN , se acumulan superenrollamientos positivos delante de la enzima. La tensión creada de esta manera impide el progreso adicional de la enzima. Este problema lo resuelve la girasa (así como la topoisomerasa IV en el caso de la replicación), que relaja las superespiras positivas. Por lo tanto, la girasa juega un papel importante tanto en la iniciación como en la elongación de los procesos de síntesis de moldes con ADN [8] .
La girasa está presente en procariotas y algunos eucariotas, pero estas enzimas tienen diferentes secuencias de aminoácidos y estructuras espaciales en diferentes especies. La ADN girasa está ausente en humanos, por lo que es conveniente utilizarla como diana para antibióticos. Hay dos clases de antibióticos destinados a inhibir la girasa:
Además de la ADN girasa, que induce la formación de superenrollamientos negativos, también existe la girasa inversa , que provoca la formación de superenrollamientos positivos, también con gasto de energía de hidrólisis de ATP . Hasta ahora, la girasa inversa se ha encontrado exclusivamente en bacterias y arqueas hipertermófilas , mientras que la girasa de ADN se encuentra predominantemente en bacterias mesófilas . Se han registrado varios casos únicos cuando ambas enzimas están presentes en un organismo: esta es la bacteria hipertermófila Thermotoga maritima y la arquea hipertermófila Archaeoglobus fulgidus [6] . La presencia de girasa inversa en arqueas termófilas está asociada con la presencia de elementos genéticos ( plásmidos , ADN viral ) en ellos en una forma única positivamente torcida, mientras que los plásmidos de arqueas mesófilas y bacterias están torcidas negativamente. Se cree que el superenrollamiento positivo estabiliza adicionalmente la doble hélice del ADN y previene la desnaturalización térmica del ácido nucleico a temperaturas elevadas [11] .
La girasa inversa es una combinación única de topoisomerasa de tipo I clásica y un complejo proteico con propiedades de helicasa [6] .
| replicación del ADN | |||||||
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| Alargamiento |
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| Terminación |
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