Fotoliasi: meccanismo

La fotoliasi è una classe di flavoproteine che utilizzano la luce blu per riparare i danni al DNA indotto dai raggi ultravioletti.
L’irradiazione ultravioletta della luce solare può modifiche al DNA che rendono il materiale genetico illeggibile dagli strumenti di replicazione del DNA.

Il danno al DNA dovuto alla formazione di un dimero di ciclobutano pirimidina (CPD) e di un fotoprodotto pirimidina-pirimidone (6-4) può portare a molteplici affezioni come l’apoptosi cellulare e la mutagenesi che possono evolvere nel cancro della pelle.

Si verificano quindi  mutazioni permanenti e  possibili gravi patologie. Tuttavia la stessa luce solare che trasporta i dannosi raggi U.V. contiene anche luce blu che può indurre la fotoliasi a riparare rapidamente qualsiasi danno al DNA. Si pensa che la fotoliasi sia una delle ragioni per cui le piante, che hanno ore di esposizione al sole ogni giorno, sono meno suscettibili ai danni dei raggi UV rispetto agli esseri umani, che mancano di questi composti.

Alla fine degli anni ’40, Albert Kelner riportò per la prima volta il fenomeno della fotoriattivazione enzimatica, studiando in situ la riparazione delle principali lesioni del DNA prodotte dalla radiazione ultravioletta (UV) mediante una scissione enzimatica indotta dalla luce di un dimero di timina per produrre due monomeri di timina.

Nei vertebrati, le fotoliasi si trovano nei pesci, negli anfibi, negli uccelli e nei rettili sebbene i mammiferi abbiano perso questo meccanismo di protezione nel corso dell’evoluzione. Quindi, la maggior parte dei mammiferi, compreso l’uomo, può riparare queste lesioni del DNA solo attraverso un processo chiamato riparazione per escissione di nucleotidi.

Sono proteine ​​monomeriche con una massa molecolare da 50 a 61 kDa e costituite da 450-550 amminoacidi e due cromofori legati covalentemente

Meccanismo delle fosfoliasi

A seguito dell’irradiazione con raggi UV si verifica la formazione di un dimero di ciclobutano pirimidina (CPD) e meno frequentemente di un fotoprodotto pirimidina-pirimidone (6–4).

Solitamente sono classificate come fotoliasi CPD e (6–4) in base alle loro funzioni. Esse, pur avendo sequenze primarie e ripiegamento simili, agiscono in modo selettivo. Entrambe  contengono una molecola di flavina adenina dinucleotide (FADH^–) come cofattore attivo legata in modo non covalente e completamente ridotta.

Ciclobutano fotoliasi

L’enzima si lega ai dimeri della pirimidina indipendentemente dalla luce ed è attratto dalla elica distorta del DNA ottenuta a seguito del danno. Il dimero è espulso dalla doppia elica del DNA nella cavità del sito attivo della fotoliasi, posizionata in stretta prossimità della flavina.

La catalisi inizia quando un fotone con una lunghezza d’onda di 300-500 nm è assorbito dal cromoforo e l’energia trasferita al FADH^–. Lo stato di singoletto eccitato della flavina (FADH^–)* trasferisce un elettrone al dimero dividendo l’anello del ciclobutano in due pirimidine.

Contemporaneamente, un elettrone dal radicale pirimidinico è trasferito nuovamente al radicale neutro della flavina (FADH°) formato durante la catalisi. Si rigenera la forma attiva di flavina FADH^–  senza una cambiamento del numero di ossidazione nel cromoforo o nel substrato

Fotoliasi del DNA

La fotoliasi del DNA  è una proteina solubile con una massa molecolare di circa 55.000 che si trova in una varietà di organismi che vanno dai batteri agli eucarioti multicellulari. Contiene un cofattore redox attivo , il flavin adenina dinucleotide (FAD), e un cromoforo antenna ausiliario.

Le fotoliasi del DNA  convertono l’energia della luce delle radiazioni del vicino UV in lunghezze d’onda visibili in energia chimica per rompere l’anello ciclobutano dei dimeri di pirimidina nel DNA e quindi prevenire gli effetti letali e mutageni delle radiazioni del lontano UV  (200-300 nm)

Per svolgere il suo ruolo biologico, la riparazione delle lesioni indotte dai raggi UV nel DNA mediante scissione dei legami covalenti tra pirimidine vicine, l’enzima deve avere il cofattore FAD nella sua forma completamente ridotta, FADH ⁻ . In questo caso, FADH ⁻ che è stato eccitato da un fotone nella regione spettrale vicino UV o blu può donare un elettrone al DNA danneggiato e avviare la reazione di riparazione. Si pensa che l’elettrone ritorni in seguito, ripristinando il cofattore FAD al suo stato completamente ridotto (cataliticamente attivo).