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瞬身止水

木虫 (初入文坛)

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[交流] 关于分子生物学里的拓扑异构酶的疑问（欢迎参与讨论，总共送30金币哦）

众所周知，有L=T+W，其中L定义为双链DNA的linking number，T为double helix带来的twist数，W为supercoil带来的writhing number。

分别有I类拓扑异构酶和II类拓扑异构酶，其区别在于I类酶只切断双链中的一条链，然后进行拓扑异构，再重连；而II类酶则同时断开双链，进行拓扑异构后再重连；这I、II两种酶分别使L值变化1和2。

现已知DNA gyrase是属于II类酶，并已知该酶能使W值变化1，那么是不是暗示该酶同时有使T值变化1的解双螺旋（double helix）活性？

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1楼 2013-02-20 13:36:19

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瞬身止水

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小丹木木: 回帖置顶 2013-02-21 08:07:21

之前的问题焦点在于ATP供能下的DNA gyrase有没有解双螺旋活性，经过思考我得出了否定的结论，下面进行说明：

图：Observer -------------------->左Chromosome右

首先我还是用到公式L=T+W，有所不同的是定义T的绝对值等于顺时针螺旋数，W的绝对值等于逆时针螺旋数，如上图所示，我假设观察者从染色体人为定义的左端向人为定义的右端进行观察，那么可以看到染色体是逆时针螺旋缠绕的，而DNA双螺旋则是顺时针螺旋，那么我以观察者的角度人为设顺时针螺旋数T为正数，逆时针螺旋数W为负数，那么由于染色体本身是处于一个热力学稳态，则可以推出L=T+W=0，这个推理的逻辑在于如果T和W绝对值不等，即L≠0时，染色体肯定是处于一个需要额外能量维系的非热力学稳态，一旦维系该状态的能量耗竭，染色体整体会以0.5L的绝对值为旋转次数进行与L正负号所示螺旋方向相反的旋转以回归热力学稳态，以上说明内容是大前提。

接着，对于一个处于热力学稳态的染色体，有L'=T'+W'=0，即-T'=W'。假设它要开始进行DNA复制或转录，我将参与DNA复制的DNA polymerase和参与DNA转录的RNA polymerase都统称为apparatus，并假设apparatus从观察者近端的染色体左端向右端行进，那么随着apparatus开始复制/转录，DNA双螺旋结构则开始解开，但解开方式的特殊之处在于该复制/转录的过程是会消耗能量的，而消耗的能量则使得apparatus前方的DNA双链以远离观察者进一步进行顺时针螺旋的方式开始apparatus所处区域的局部解螺旋，如果单是这样子进行下去的最终结果将会是染色体整体在获得了不少能量后其T值变成开始时的两倍即T''=2T'，而W''=W'=-T'不变，对于染色体整体有L''=T''+W''=T'>0，染色体整体处于非热力学稳态，具体来说此时的染色体整体暂时处于螺旋数为T'的绝对值的DNA双链顺时针螺旋状态，此时染色体整体自身不存在任何其它螺旋，是一条直的DNA双螺旋链，显然该状态不能持久，当能量耗竭，结局则会类似大前提里讨论的那样，形成0.5T'绝对值为旋转次数的DNA双链顺时针螺旋，并且染色体整体形成0.5T'绝对值为旋转次数的逆时针螺旋，建立起不同于初始状态的全新的热力学稳态。

但实际情况并非如此，在apparatus所处区域完成了复制/转录过程后，DNA gyrase则开始介入，同样是ATP供能，DNA gyrase会在apparatus身后已完成复制/转录的区域以指向观察者进行逆时针螺旋的方式将解开螺旋的局部区域重新螺旋，这样子与apparatus解螺旋同步进行的最终结果就是染色体整体的T值变为开始时的两倍即T''=2T'，同时W值也变为开始时的两倍即W''=2W'，那么会有L''=T''+W''=2T'+2W'=2(T'+W')=2*0=0，即染色体整体最终达稳态，并且从观察者角度看染色体的状态仍是开始的螺旋数为T'绝对值的DNA双链顺时针螺旋，而染色体整体则为旋转数为W'绝对值的逆时针螺旋，一切和初始状态一样，这里要提到的是DNA gyrase为II类拓扑异构酶，ATP功能时每次反应会引入两个逆时针螺旋，即有可能有多余的一个逆时针螺旋存在，此时I类拓扑异构酶则会发挥作用，将多余的一次螺旋给消去。

最后纵观整个复制/转录过程，apparatus在染色体整体中引入顺时针螺旋，而DNA gyrase引入逆时针螺旋，两者都消耗能量，作用结果互相抵消，但进一步分析可以看到，DNA gyrase在整个过程中只起到重新螺旋解旋DNA双链的作用，即使最后可能多出的一次旋转也被I类拓扑异构酶取消，所以总的来说，DNA gyrase是不具有解双螺旋活性的。