拓撲異構酶的分類

　　可分為兩類一類叫拓撲異構酶I，一類叫拓撲異構酶II。拓撲異構酶I催化DNA鏈的斷裂和重新連接，每次只作用于一條鏈，即催化瞬時的單鏈的斷裂和連接，它們不需要能量輔因子如ATP或NAD。E.coliDNA拓撲異構酶I又稱ω蛋白，大白鼠肝DNA拓撲異構酶I又稱切刻-封閉酶(nicking-closing enzyme )。拓撲異構酶II能同時斷裂并連接雙股DNA鏈．它們通常需要能量輔因子ATP。在拓撲異構酶II中又可以分為兩個亞類：一個亞類是DNA旋轉酶(DNA gyrase )，其主要功能為引入負超螺旋，在DNA復制中起十分重要的作用。迄今為止，只有在原核生物中才發現DNA旋轉酶．另一個亞類是轉變超螺旋DNA(包括正超螺旋和負超螺旋)成為沒有超螺旋的松弛形式(relaxed form )。這一反應雖然是熱力學上有利的方向，但不知道為什么它們仍然像DNA旋轉酶一樣需要ATP，這可能與恢復酶的構象有關。這一類酶在原核生物和真核生物中都有發現。

　　第一類

　　DNA拓撲異構酶能催化的反應很多，這里只能作簡單敘述。DNA拓撲異構酶I對單鏈DNA的親和力要比雙鏈高得多，這正是它識別負超螺旋DNA的分子基礎，因為負超螺旋DNA常常會有一定程度的單鏈區。負超螺旋越高，DNA拓撲異構酶I作用越快。現已知道，生物體內負超螺旋穩定在5%左右，低了不行，高了也不行。生物體通過拓撲異構酶1和II的相反作用而使負超螺旋達到一個穩定狀態。現已發現，編碼E．coli拓撲異構酶I的基因topA發生突變，則會引起旋轉酶基因的代償性突變；否則，負超螺旋增高，細胞生活能力降低。拓撲異構酶I作用的堿基序列特異性不高，但切點一定在C的下游方向4個堿基(包括C本身)的位置。在將DNA單鏈切斷后，拓撲異構酶I連接于切口的5端，并貯藏了水解磷酸二酯鍵的能量用以連接切口，因而拓撲異構酶I的作用不需能量供應。此外．拓撲異構酶I還能促進兩個單鏈環的復性，其作用是解除復性過程所產生的鏈環數的負值壓力，以使復性過程進行到底。如果在一個單鏈環上一個部位切斷，而使另一部位繞過切口．則可產生三葉結結構分子 (trefoil knot)。如果有兩個雙鏈環，其中一個有一個切刻，拓撲異構酶1則可以將切刻對面的一條鏈切斷，伎完整的雙鏈環套進去，再連接起來而成為環連體分子(catenane)，以上這三種反應示于右圖。拓撲異構酶I還能催化其他反應，這將在復制和重組的機制中再講述。

　　第二類

　　大腸桿菌的拓撲異構酶II(gyrase)除了引入負超螺旋以外．還具有形成或拆開雙鏈DNA環連體和成結分子的能力。II類拓撲異構酶沒有堿基序列特異性，它們可以和任何相交的兩對雙鏈DNA結合。DNA旋轉酶有兩個α亞基和兩個β亞基。α亞基約105KDa，為gyrA基因所編碼，具有磷酸二酯酶活性，可為萘啶酮酸(nalidixic acid )所抑制。A亞基約95KD，為graB基因所編碼，具有ATP酶活性，可為新生霉素(novobiocin )所抑制。這兩種藥物均可抑制野生型大腸桿菌的DNA復制。可見DNA旋轉酶為E．coli的復制所不可缺少的。在切斷一條DNA雙鏈后，兩個a亞基各結合于切口的一個5'端，并貯藏了水解磷酸二酯鍵而獲得的能量，由于該酶的整體性，因而DNA鏈的四個斷頭并無任意旋轉的可能性。由于酶的別構效應，使完整的雙鏈穿過切口，然后再重新形成磷酸二酯鍵。β亞基的功能在于水解ATP以使酶分子恢復原來的構象，以便進行下一輪反應。這一點可以用ATP的同系物β,γ-亞氨基ATP代替ATP而得到證實。因為這一同系物不能被DNA旋轉酶所水解，但它確能促進第一輪拓撲異構反應，使負超螺旋增加，而妨礙以后進一步的拓撲異構反應。