miniatura|220px|Estrutura da helicase RuvA de Escherichia coli.
As helicases son unha clase de encimas vitais para todos os organismos vivos, xa que a súa principal función é desempaquetar os xenes dun organismo. Son proteínas motoras que se moven direccionalmente ao longo dunha molécula de ácido nucleico, separando as dúas febras apareadas do ácido nucleico (en ADNs, ARNs bicatenarios, ou en híbridos ARN-ADN) usando enerxía derivada da hidrólise do ATP. Existen moitas helicases debido á gran variedade de procesos nos cales se debe catalizar a separación de febras de ácidos nucleicos. Aproximadamente o 1% dos xenes eucariotas codifican helicases. No xenoma humano están codificadas 95 helicases non redundantes, que son 64 ARN helicases e 31 ADN helicases. Moitos procesos celulares, como a replicación do ADN, transcrición, tradución, recombinación, reparación do ADN, e bioxénese de ribosomas implican a separación de febras de ácido nucleico para o cal cómpre a intervención das helicases.
Función 200px|miniatura|dereita|Acción das helicases na replicación do ADN. As helicases utilízanse con frecuencia para separar as febras do ADN de dobre hélice ou unha molécula de ARN autoapareada (self-annealed) utilizando a enerxía da hidrólise do ATP, un proceso no que se produce a rotura dos enlaces de hidróxeno entre os pares de bases apareados. Tamén funcionan retirando proteínas asociadas ao ácido nucleico e catalizan a recombinación homóloga do ADN. Os procesos metabólicos nos que intervén o ARN, como a tradución, transcrición, bioxénese dos ribosomas, splicing do ARN, transporte do ARN, modificación ou edición do ARN, e degradación do ARN son todos facilitados polas helicases. As helicases móvense ao longo dunha febra do dúplex do ácido nucleico cunha direccionalidade e procesividade específica para cada encima helicase determinado.
As helicases adoptan diferentes estruturas e estados de oligomerización. Aínda que as helicases de tipo DnaB desenrolan o ADN como hexámeros con forma de donut, outros encimas helicases son activos como monómeros ou dímeros. As helicases poden actuar pasivamente, agardando a que se produza un desenrolamento non catalizado e despois translocándose entre as febras desprazadas, ou poden ter un papel activo catalizando a separación das febras usando a enerxía xerada pola hidrólise do ATP. Neste último caso, a helicase actúa comparablemente a un motor activo, desenrolando as febras e translocándose ao longo do seu substrato como resultado directo da súa actividade de ATPase. As helicases poden procesar moito máis rápido in vivo que in vitro debido á presenza de proteínas accesorias que axudan na desestabilización da unión en forquita.
Barreira de activación na actividade helicase A acción encimática das helicases, como o desenrolamento dos ácidos nucleicos realízase por medio da diminución da barreira de activación (B) de cada acción específica.Manosas M, Xi XG, Bensimon D, Croquette V |title=Active and passive mechanisms of helicases |journal=Nucleic Acids Res. |volume=38 |issue=16 |pages=5518–26 |date=setembro de 2010 |pmid=20423906 |pmc=2938219 |doi=10.1093/nar/gkq273 |url=}} A barreira de activación é o resultado de varios factores, e pode definirse usando a seguinte ecuación, na cal N = número de pares de bases desenroladas (bps), ΔGbp = enerxía libre da formación de pares de bases, Gint = redución da enerxía libre debido á helicase, e Gƒ = redución da enerxía libre debido ás forzas de abertura da hélice. B = N (ΔGbp-Gint-Gƒ) Os factores que contribúen a que a barreira de activación teña máis ou menos altura son: a secuencia específica do ácido nucleico implicado, o número de pares de bases implicadas, a tensión presente na forquita de replicación, e as forzas de desestabilización.
Helicases activas e pasivas O tamaño da barreira de activación que debe superar a helicase contribúe á súa clasificación como helicase activa ou pasiva. Nas helicases pasivas, hai unha barreira de activación significativa (definida como B > kBT, onde kB é a constante de Boltzmann e T é a temperatura do sistema). Debido a esta barreira de activación significativa, a progresión de desenrolamento está afectada en gran medida pola secuencia do ácido nucleico que se ten que desenrolar, e a presenza de forzas de desestabilización que actúan sobre a forquita de replicación. Certas combinacións na secuencia dos ácidos nucleicos fan diminuír as velocidades de desenrolamento (é dicir, tramos con guanina e citosina), mentres que varias forzas desestabilizantes poden incrementar a velocidade de desenrolamento. En sistemas pasivos, a velocidade de desenrolamento (Vun) é menor que a velocidade de translocación (Vtrans) (translocación ao longo do ácido nucleico monocatenario, ssNA). Outra forma de ver a acción dunha helicase pasiva é a súa dependencia do desenredamento transitorio dos pares de bases na forquita de replicación para determinar a súa velocidade de desenrolamento.
Nas helicases activas, B < kBT, onde o sistema carece dunha barreira significativa, xa que a helicase pode desestabilizar o ácido nucleico, desenrolando a dobre hélice a unha velocidade constante, sen importar cal era a secuencia do ácido nucleico. Nas helicases activas, Vun é aproximadamente igual a Vtrans. Outra forma de considerar as helicases activas é a súa capacidade de desestabilizar directamente a forquita de replicación para promover o desenrolamento.
As helicases activas mostran un comportamento similar cando actúan tanto sobre ácidos nucleicos bicatenarios (dsNA) coma monocatenarios (ssNA), con respecto ás velocidades de desenrolamento e velocidades de translocación, nos que en ambos os sistemas Vun e Vtrans son aproximadamente iguais.
Historia das ADN helicases As ADN helicases foron descubertas na bacteria Escherichia coli en 1976. Esta helicase foi descrita como “encima que desenrola o ADN” que “desnaturaliza a dobre hélice do ADN nunha reacción dependente do ATP, sen degradación detectable”. A primeira ADN helicase eucariótica coñecida atopouse en 1978 nas plantas liliáceas (Lilium). Desde entón, descubríronse e illáronse ADN ligases en diversas bacterias, virus, lévedos, moscas e eucariotas superiores. Ata agora foron illadas 14 helicases diferentes de organismos unicelulares, 6 helicases de bacteriófagos, 12 doutros virus, 15 de lévedos, 8 de plantas, 11 do timo de tenreiras, e aproximadamente 25 helicases de células humanas. Segue unha historia do descubrimento das helicases: 1976 – Descubrimento e illamento de ADN helicase de E. coli. 1978 – Descubrimento da primeira ADN helicase eucariótica, illada dos lirios. 1982 – A “proteína do xene 41 de T4” é a primeira ADN helicase descuberta en bacteriófagos. 1985 – A primeira ADN helicase de mamífero illouse do timo bovino. 1986 – Publícase que o antíxeno tumoral grande de SV40 é unha helicase viral, a cal é a primeira ADN helicase descuberta en virus non bacteriófagos. 1986 – Determínase que a ATPaseIII de lévedos é unha ADN helicase. 1988 – Descubrimento de dominios con aminoácidos conservados, que se determina que son os motivos de helicase 1989 – Designación das superfamilias I e II de ADN helicases. 1989 - Identificación da familia de helicases de caixa DEAD.Linder, P., Lasko, P.F., Ashburner, M., Leroy, P., Nielson, P.J., Nishi, K., Schneir, J., Slonimski, P.P. (1989) Birth of the DEAD-box. Nature (Londres) 337, 121-122. 1990 - Illamento dunha ADN helicase humana. 1992 – Illamento da primeira ADN helicase mitocondrial (do cerebro bovino). 1996 – Descubrimento da primeira ADN helicase purificada de cloroplasto do chícharo. 2002 – Illamento e caracterización da primeira ADN helicase bioloxicamente activa do parasito Plasmodium cynomolgi.
Características estruturais A función común das helicases explica que teñan un certo grao de homoloxía de secuencia de aminoácidos; todas posúen un motivo de secuencia localizado na súa estrutura primaria, implicado na unión ao ATP, na hidrólise do ATP e na translocación ao longo do seu substrato o ácido nucleico. A porción variable da secuencia de aminoácidos está relacionada coas características específicas de cada helicase.
A presenza destes motivos de helicase permite que a unha determinada proteína se lle poida atribuír unha suposta actividade de helicase, pero non necesariamente confirma dita actividade. Os motivos conservados apoian unha homoloxía evolutiva entre os encimas. Baseándose nestes motivos de helicase, distinguíronse varias superfamilias.
Superfamilias As helicases clasifícanse en 6 grupos (superfamilias) baseándose nos motivos de secuencia que comparten. As helicases que non forman unha estrutura en anel clasifícanse nas superfamilias 1 e 2 e as que forman o anel forman parte das superfamilias 3 a 6. As helicases tamén se clasifican como α ou β dependendo de se funcionan con ADN monocatenario (α helicases) ou bicatenario (β helicases). Tamén se clasifican pola súa polaridade de translocación, de tal maneira que se a translocación ocorre en dirección 3’-5’ a helicase considérase de tipo A, e se esta ocorre en dirección 5’-3’ é de tipo B.
Superfamilia 1 (SF1): Esta superfamilia pode subdividirse en helicases SF1A e SF1B. Neste grupo de helicases a polaridade de translocación pode ser 3’-5’ (subfamilia SF1A) ou 5’-3’(subfamilia SF1B). As helicases máis coñecidas de tipo SF1A son Rep e UvrD de bacterias gramnegativas, e a helicase PcrA helicase de bacterias grampositivas. As helicases máis coñecidas do grupo SF1B son as helicases RecD e Dda. Superfamilia 2 (SF2): Este é o grupo máis grande de helicases, implicadas en diversos procesos celulares. Caracterízanse pola presenza de nove motivos conservados: Q, I, Ia, Ib, II, III, IV, V e VI. Este grupo está composto principalmente por ARN helicases de caixa DEAD. Algunhas outras helicases incluídas en SF2 son as da familia de helicases de tipo RecQ e as de encimas de tipo Snf2. A maioría das helicases SF2 son de tipo A con poucas excepcións, como a familia XPD. Superfamilia 3 (SF3): Consta de helicases codificadas principalmente por pequenos virus de ADN e algúns virus de ADN grande nucleocitoplasmáticos. Teñen unha direccionalidade de translocación 3’-5’, o que significa que son helicases de tipo A. A helicase SF3 máis coñecida é a helicase E1 do virus do papiloma. Superfamilia 4 (SF4): Todas as helicases SF4 teñen unha polaridade de tipo B (5’-3’). A helicase SF4 máis estudada é gp4 do virus bacteriófago T7. Superfamilia 5 (SF5): Son proteínas Rho. Superfamilia 6 (SF6): Conteñen o núcleo AAA+ que non está incluído na clasificación das SF3. Algunhas proteínas do grupo SF6 son: MCM, RuvB, RuvA e RuvC.
Trastornos e enfermidades relacionados con helicases
Mutacións da helicase ATRX O xene ATRX codifica a helicase dependente do ATP ATRX (tamén chamada XH2 e XNP) da familia do subgrupo SNF2, que se cre é responsable de funcións como a remodelación d cromatina, regulación xénica, e metilación do ADN.Nextrprot Online Protein Database. " ATRX-Transcriptional regulator ATRX.", Consultado o 12 de novembro de 2012. Estas funcións axudan a previr a apoptose, que regula o tamaño do córtex cerebral, e contribúe á supervivencia de estruturas do hipocampo e corticais, que afectan á memoria e aprendizaxe. Esta helicase está localizada no cromosoma X (Xq13.1-q21.1), na heterocromatina pericentromérica e únese á proteína heterocromatínica 1 (HP1). Os estudos demostraron que o ATRX xoga un papel na metilación do ARNr e é esencial para o desenvolvemento embrionario. Atopáronse mutacións na proteína ATRX, e o 90% delas están asociadas con dominios dedo de cinc e helicase. As mutacións da ATRX poden causar atraso mental con alfa-talasemia ligada ao X (síndrome ATR-X).