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Topoisomerasi
Il DNA di batteri, mitocondri, plastidi e alcuni virus è costituito da una doppia elica
circolare. Consideriamo una molecola di DNA circolare a doppia elica rilassata e
chiusa, formata da 260 paia di basi, essa si presenta in questa forma:
Ogni 10.4 paia di basi un filamento compie un giro attorno all'asse dell'elica e passa
quindi sopra l’altro filamento. Il giro compiuto da un filamento attorno al proprio
asse prende il nome di torsione ed è indicato come T.
Il numero di volte che un filamento passa sopra l’altro filamento prende il nome di
Numero di legame ed indicato come L.
Per una molecola di DNA circolare composta da 260 paia di basi (come quella che
abbiamo deciso di prendere come riferimento), la torsione T è data dal numero di paia
di basi: 260, diviso 10.4 e cioè 25 volte.
Per una molecola circolare a doppia elica rilassata e chiusa, il numero di legame L, è
uguale alla torsione T.
Se si conta infatti quante volte il verde passa sul rosso o quante volte il rosso passa
sul verde si trova, che il numero di legame è proprio 25.
Se il DNA viene parzialmente denaturato (cioè se i filamenti che compongono la
doppia elica vengono parzialmente separati) prima che si formi la molecola circolare,
il numero di legame diminuisce e si ha la formazione di un anello instabile.
Questo anello deve pertanto riacquisire stabilità e lo fa ripiegandosi su se stesso tante
volte quanti erano stati i numeri di legame perduti, infatti il numero di legame deve
sempre restare costante.
Questi ripiegamenti su se stessa della molecola di DNA circolare prendono il nome di
supereliche negative, e si realizzano proprio se la doppia elica del DNA è stata in
precedenza, parzialmente disavvolta.
Il numero di volte che l'elica si avvolge su se stessa, prende il nome di contorcimento,
ed è indicato come W.
Per calcolare effettivamente il numero di legame della nostra molecola di DNA di
260 paia di basi, che a causa del parziale disavvolgimento ha subito la formazione di
due supereliche negative, dovremo pertanto effettuare il seguente calcolo:
L = T + W , cioè
L = 25+(-2) → 23
Super eliche positive si possono formare a carico di una molecola di DNA circolare
che non sia stata disavvolta in precedenza al solo scopo di ridurne le dimensioni. In
tal caso, per calcolare effettivamente il numero di legame della nostra molecola di
DNA di 260 paia di basi, dovremo pertanto effettuare il seguente calcolo:
L = T + W , cioè
L = 25+(2) → 27
Il superavvolgimento è negativo quando consiste in una rotazione in senso opposto
a quello di avvolgimento del DNA, come nel caso del DNA A e B; positivo quando la
rotazione è nella stessa direzione dell'avvolgimento del duplex (figura 1).
Nel caso di superavvolgimenti negativi il DNA si dice sottospiralizzato, mentre è
superspiralizzato quando il DNA è avvolto in superavvolgimenti positivi.
Le proprietà topologiche della molecola sono quelle proprietà geometriche che non
variano in seguito a deformazione del DNA.
La topologia e il grado di superavvolgimento sono descritti mediante l'equazione Lk
= Tw + Wr (Fuller, 1978), dove Lk rappresenta il numero di legame che è il numero
totale di volte con cui un filamento si incrocia su un altro in una molecola chiusa di
DNA. Per convenzione il numero di legame viene considerato positivo per ogni
incrocio dei filamenti nella doppia elica destrorsa; il suo valore è inoltre espresso da
un numero intero (Bauer et al ., 1980).
Il numero di legame è composto da Tw (twist number) che è il numero di
avvolgimento ovvero il numero totale di giri d'elica del duplex (Tw = n / A, dove n è
il numero di nucleotidi delle molecole ed A il numero di nucleotidi per giro d’elica), e
da Wr (writhing number) o numero di superavvolgimento, che esprime i
ripiegamenti dell’asse su sé stesso.
Per una molecola rilassata il numero di legame corrisponde al numero di
avvolgimento (Lk = Tw).
Mediante il numero di legame o, meglio, la differenza del numero di legame
(∆Lk = ∆Wr + ∆Tw) è possibile descrivere i cambiamenti topologici del DNA. Il
numero di legame è proprietà intrinseca del duplex e non può cambiare a meno
che si verifichino rotture dei filamenti.