La ADN polimerasa es una enzima que interviene en el proceso de replicación del ADN. Existen disferentes tipos, pero todas tienen en común que realizan la síntesis de la nueva cadena de ADN emparejando los desoxirribonucleótidos trifosfato (dNTP) con los desoxirribonucleótidos complementarios correspondientes del ADN molde.
Cabe destacar que la ADN Polimerasa suele ser analizada en las pruebas de ADN para detectar mutaciones.
¿Qué son los dNTP?
Los dNTP que se utilizan en la replicación del ADN poseen tres fosfatos unidos al conjunto hidroxilo 5′ de la desoxirribosa y en dependencia de la base nitrogenada van a ser dATP, dTTP, dCTP o dGTP. La reacción fundamental es una transferencia de un conjunto fosfato en la que el conjunto 3′-OH actúa como nucleófilo en el extremo 3′ de la cadena que está en desarrollo.
El ataque nucleofílico se genera sobre el fosfato α (el más próximo a la desoxirribosa) del desoxirribonucleósido 5′ trifosfato que entra, liberándose pirofosfato inorgánico y alargándose el ADN (al formarse un nuevo link fosfodiéster). En contraste, a la mayor parte de procesos biológicos que ocurren en la célula en los que solo se aparta un grupo fosfato (Pi), durante la replicación se apartan los 2 últimos grupos fosfato, en forma de conjunto pirofosfato (PPi).
¿Qué es la ADN Polimerasa?
Como mencionamos al principio, la ADN polimerasa cataliza la síntesis de moléculas de ADN desde desoxirribonucleótidos. Las ADN polimerasas juegan un papel clave en la replicación del ADN dejando el paso de información genética a las células hijas de generación en generación.
Aspectos bioquímicos de las ADN polimerasas
Actividad de la ADN polimerasa
La polimerasa deja la unión química de moléculas individuales (monómeros) para formar una cadena (polímero). En el caso de la ADN polimerasa, el polímero formado es ácido desoxirribonucleico (ADN). Los monómeros son desoxirribonucleótidos, más exactamente desoxinucleósidos trifosfatos (dNTP).
La ADN polimerasa dependiente de ADN siempre y en toda circunstancia emplea una hebra fácil de ADN ya existente como plantilla para la síntesis de una nueva hebra complementaria cuya secuencia de nucleótidos está determinada por la plantilla. Esta preservación de la secuencia de ADN es definitiva para la capacidad de la ADN polimerasa de copiar la información genética codificada en el ADN.
La copia correcta de la plantilla se consigue a través de el apareamiento de bases complementarias de las bases de nucleótidos incorporadas con las bases de la plantilla de ADN, mediada por links de hidrógeno. La síntesis de la nueva hebra de ADN tiene lugar desde el extremo 5 ‘hasta el 3’. Químicamente, tiene sitio un ataque nucleofílico del grupo 3′-hidroxi terminal de la hebra de ADN sobre el fosfato α del dNTP, liberando pirofosfato. Este paso es catalizado por la polimerasa.
A diferencia de las ARN polimerasas (genera ARN que se emplea para sintetizar proteínas a partir de aminoácidos), la síntesis de la hebra de ADN complementaria en las ADN polimerasas solo puede tener lugar si la polimerasa dispone de un extremo 3′-hidroxi libre. Ahora, se une el primer nucleótido a este extremo. En la reacción en cadena de la polimerasa (PCR), se utiliza una hebra simple de ADN (cebador) de aproximadamente 15-veinte nucleótidos de longitud como punto de partida de la reacción. Las enzimas acostumbran a requerir iones magnesio como cofactor.
La catálisis de la formación del enlace diéster es funcionalmente equivalente a la pertinente reacción de las ARN polimerasas. El último nucleótido de la sección ya sintetizada y el nucleótido a agregar se regulan con uno de los 2 iones magnesio cada uno en el centro catalítico del dominio de la polimerasa. El primer conjunto fosfato del nucleótido que se agregará está coordinado con los dos iones magnesio. La situación espacial deja que el grupo hidroxi del nucleótido precedente ataque al grupo fosfato del nucleótido que se marcha a añadir. En el proceso, se aparta un residuo de pirofosfato.
Tipos de ADN Polimerasas
En bacterias como Escherichia coli hay 3 ADN polimerasas diferentes dependientes de ADN. Uno de ellos, la ADN polimerasa I (Pol I) fue aislado en mil novecientos cincuenta y cinco por Arthur Kornberg y fue la primera polimerasa nunca descubierta. Sin embargo, esta no es la polimerasa más esencial para la replicación en E. coli, en tanto que solo cataliza cerca de veinte pasos de síntesis (es decir, solo tiene un poder de procesamiento bajo).
Sin embargo, es quien se encarga de la degradación del cebador durante la replicación debido a su actividad exonucleasa 5 ‘→ 3’. La ADN polimerasa II y la ADN polimerasa III, las otras 2 ADN polimerasas en Y también. coli, se aislaron solo quince años tras el descubrimiento de la ADN polimerasa I, una vez que los mutantes de E. coli con un defecto en el gen de la polimerasa I demostraran ser eficientes para replicación. Sin embargo, estos mutantes eran particularmente susceptibles a la radiación UV y a las substancias alquilantes, con lo que se asume que la ADN polimerasa I realiza primordialmente labores de reparación. La polimerasa III, que realiza la replicación real en Y también. coli, está compuesta por un total de 7 subunidades y solo se presenta en muy pocas copias por célula bacteriana.
Las ADN polimerasas eucariotas, incluyendo las ADN polimerasas humanas, se clasifican en las próximas familias:
Familia A: ADN polimerasas γ, θ y ν
Tipo B: ADN polimerasas α, δ, ε y ζ
Forma X: ADN polimerasas β, λ, σ y μ
Tipo Y: ADN polimerasas η, ι y κ
La polimerasa γ solo ocurre en las mitocondrias.
En los mamíferos solo ocurren cinco tipos: α, β, γ, δ y ε. Se supone que las polimerasas δ y ε, que son definitivas para la replicación, se caracterizan por una alta potencia de procesamiento y función de corrección de pruebas. Por contra, las polimerasas α y β muestran solo un bajo poder de procesamiento y ninguna función de corrección de pruebas.
Además de esto, existen ADN polimerasas dependientes de ARN que usan ARN como plantilla y le unen dNTP. Se llaman transcriptasas inversas, que asimismo incluyen la telomerasa. La única ADN polimerasa independiente famosa es la desoxirribonucleotidiltransferasa terminal.
En las arqueobacterias existen tipos estables a la temperatura que asimismo se utilizan para la PCR.
Relevancia biológica
Las ADN polimerasas son de relevancia central para la replicación del ADN. Dejan la copia leal de información genética en forma de ADN, por lo que un paso definitivo en la reproducción y procreación de organismos vivos. Las enzimas asimismo juegan un papel esencial en los procesos asociados con la reparación del ADN.
Relevancia biotecnológica
En el laboratorio, las ADN polimerasas se usan a menudo para la reacción en cadena de la polimerasa y métodos relacionados (p. Ej. RT-PCR, qPCR), para traducción de mellas, cebado aleatorio y secuenciación de ADN. Un sinnúmero de tipos termoestables diferentes (por servirnos de un ejemplo, polimerasa Taq de Thermus aquaticus ), algunos de los cuales se modifican a través de ingeniería de proteínas. Además de la estabilidad a altas temperaturas, las ADN polimerasas termoestables de origen anticuado, como la polimerasa Pfu, proporcionan una lectura de prueba, ya que la PCR no debe provocar ningún cambio en el ADN producido. Además, las ADN polimerasas que desplazan la cadena, como la ADN polimerasa φ29, se utilizan en varios métodos de amplificación de ADN isotérmica a temperatura ambiente. El predecesor de las ADN polimerasas empleadas actualmente fue la ADN polimerasa T4.
La replicación y la ADN polimerasa
El proceso de replicación del ADN es uno de los fenómenos biológicos más increíbles de la naturaleza. Y lo es por el hecho de que hay una enzima que se encarga de que lo sea. Y es que la DNA polimerasa es la enzima con la función de hacer copias de las 2 cadenas de ADN de la célula, las cuales, recordemos, se han separado.
Cada una sirve como molde para generar una cadena nueva. Así, tras “pasar por sus manos”, va a haber dos moléculas de ADN (2 dobles cadenas). Y cada una de estas, tendrá una hebra “vieja” y otra de “nueva”. Pero este proceso ha de ser muy rápido y al unísono efectivo, pues la información genética debe mantenerse intacta durante la división de la célula.
Y en términos de eficiencia, pocas cosas superan a la ADN polimerasa. Esta enzima sintetiza una nueva cadena de ADN desde la molde a una velocidad de setecientos nucleótidos por segundo. Solo se equivoca en 1 de cada 10.000.000.000 nucleótidos. Es decir, por toda vez que pone un nucleótido que no es, ha puesto 10.000.000.000 de correctos.
Mas, por irónico que parezca, es precisamente este 1 de cada 10.000.000.000 lo que ha permitido la evolución de las especies. Cuando la DNA polimerasa se confunde, o sea, pone un nucleótido que no toca da lugar a un gen ligeramente diferente. Por norma general, esto no afecta a la proteína para la que codifica, pero hay ocasiones que sí que puede tener impacto.
Y cuando hay un cambio en el gen, lo más normal es que dé lugar a una proteína disfuncional. Pero en un pequeño porcentaje de los casos, el fallo en la ADN polimerasa hace que el “error” pase de generación en generación.
