¿Qué es la ADN polimerasa?
La ADN polimerasa es una enzima que se encarga de catalizar la polimerización de la nueva hebra de ADN durante la replicación de esta molécula. Su función principal es emparejar los desoxirribonucleótidos trifosfato con los de la cadena molde. También participa en la reparación del ADN.
Esta enzima permite el emparejamiento correcto entre las bases de ADN de la cadena molde y la nueva, siguiendo el esquema de A se aparea con T, y G con C.
El proceso de replicación de ADN debe ser efectivo y debe llevarse a cabo con rapidez, por lo que la ADN polimerasa actúa añadiendo unos 700 nucleótidos por segundo y solo comete un error cada 109 o 1010 nucleótidos incorporados.
Existen diferentes tipos de ADN polimerasa. Estas varían tanto en eucariotas como procariotas, y cada una tiene un papel específico en la replicación y reparación del ADN.
Tipos
Procariotas
Los organismos procariotas (organismos sin un núcleo verdadero, delimitado por una membrana) poseen tres ADN polimerasas principales, abreviadas comúnmente como pol I, II y III.
La ADN polimerasa I participa en la replicación y en la reparación del ADN y posee actividad exonucleasa en ambos sentidos. Se considera que el papel de esta enzima en la replicación es secundario.
La II participa en la reparación del ADN y su actividad exonucleasa es en el sentido 3´-5´. La III participa en la replicación y revisión del ADN, y al igual que la enzima anterior, presenta actividad exonucleasa es en el sentido 3´-5´.
Eucariotas
Los eucariotas (organismos con un núcleo verdadero, delimitado por una membrana) poseen cinco ADN polimerasas, denominadas con letras del alfabeto griego: α, β, γ, δ y ε.
La polimerasa γ se localiza en la mitocondria y es la responsable de la replicación del material genético en esta organela celular. En contraste, las otras cuatro se encuentran en el núcleo de las células y están involucradas en la replicación del ADN nuclear.
Las variantes α, δ y ε son las más activas en el proceso de división celular, lo que sugiere que su función principal está asociada con la producción de copias de ADN.
La ADN polimerasa β, por su parte, presenta picos de actividad en las células que no se están dividiendo, por lo que se asume que su función principal se asocia con la reparación del ADN.
Distintos experimentos han logrado comprobar la hipótesis que asocian mayormente a las polimerasas α, δ y ε con la replicación del ADN. Los tipos γ, δ y ε presentan actividad exonucleasa 3´-5´.
Arqueas
Los nuevos métodos de secuenciación han logrado identificar una enorme variedad de familias de ADN polimerasas. En las arqueas, específicamente, se ha identificado una familia de enzimas, denominadas familia D, que son únicas de este grupo de organismos.
Funciones
Replicación del ADN
La replicación del ADN requiere de una serie de enzimas que catalizan el proceso. Entre estas moléculas proteicas, resalta la ADN polimerasa.
Todas las ADN polimerasas conocidas comparten dos propiedades esenciales asociadas al proceso de replicación.
- En primer lugar, todas las polimerasas sintetizan la hebra de ADN en dirección 5´-3´, añadiendo los dNTP al grupo hidroxilo de la cadena en crecimiento.
- Segundo, las ADN polimerasas no pueden empezar a sintetizar una cadena nueva de la nada. Necesitan un elemento adicional conocido como primer o cebador, el cual es una molécula formada por unos pocos nucleótidos que otorga un grupo hidroxilo libre, donde la polimerasa puede anclarse y empezar su actividad. Esta es una de las diferencias fundamentales entre las ADN y ARN polimerasas, ya que esta última sí es capaz de iniciar la síntesis de una cadena de novo.
Reparación del ADN
El ADN está constantemente expuesto a factores, tanto endógenos como exógenos, que pueden dañarlo. Estos daños pueden bloquear la replicación y acumularse, de manera que afectan la expresión de los genes, generando problemas en los diversos procesos celulares.
Además de su función en el proceso de replicación del ADN, la polimerasa también es un componente clave de los mecanismos de reparación del ADN. También pueden actuar como sensores en el ciclo celular que previenen la entrada a la fase de división si el ADN está dañado.
Estructura
Actualmente, gracias a los estudios de cristalografía, se ha logrado dilucidar las estructuras de diversas polimerasas. Basados en su secuencia primaria, las polimerasas se agrupan en familias: A, B, C, X e Y.
Algunos aspectos son comunes a todas las polimerasas, particularmente los relacionados con los centros catalíticos de la enzima.
Estos incluyen dos sitios activos claves que poseen iones metálicos, con dos residuos de aspartato y un residuo variable, ya sea aspartato o glutamato, que coordina los metales. Existe otra serie de residuos cargados que rodean al centro catalítico y están conservados en las distintas polimerasas.
En procariotas, la ADN polimerasa I es un polipéptido de 103 kd, la II es un polipéptido de 88 kd y la III consta de diez subunidades.
En los eucariotas, las enzimas son más grandes y complejas: la α está formada por cinco unidades, la β y γ por una subunidad, la δ por dos subunidades, y la ε por 5.
Aplicaciones
PRC
La reacción en cadena de la polimerasa (PRC) es un método usado en todos los laboratorios de biología molecular, gracias a su utilidad y simplicidad. El objetivo de este método es amplificar de manera masiva una molécula de ADN de interés.
Para lograrlo, los biólogos emplean una ADN polimerasa que no es dañada por el calor (las altas temperatura son indispensables para este proceso) para amplificar la molécula. El resultado de este proceso es un número elevado de moléculas de ADN que pueden ser utilizadas con distintos propósitos.
Una de las utilidades clínicas más resaltantes de la técnica, es su uso en el diagnóstico médico. La PRC puede ser usada para comprobar la presencia de bacterias y virus patógenos en los pacientes, como en el caso del coronavirus.
Antibióticos y medicamentos antitumorales
Un número importante de medicamentos tienen como objetivo truncar los mecanismos de replicación del ADN en el organismo patógeno, ya sea un virus o una bacteria.
En algunos de estos, el blanco es la inhibición de la actividad de la ADN polimerasa. Por ejemplo, el medicamento quimioterapéutico citarabina, también denominado arabinósido de citosina, inhabilita a la ADN polimerasa.
Referencias
- Cann, I. K., & Ishino, Y. Archaeal DNA replication: identifying the pieces to solve a puzzle. Genetics.
- Cooper, G. M., & Hausman, R. E. The cell: Molecular approach. Medicinska naklada.