ADN polimerasas: los poderosos escritores del genoma

ADN polimerasa

Definición de ADN polimerasa

Las ADN polimerasas son enzimas que catalizan la síntesis de moléculas de ADN a partir de desoxirribonucleótidos. Las ADN polimerasas juegan un papel clave en la replicación del ADN permitiendo el paso de información genética a las células hijas de generación en generación.

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Aspectos bioquímicos de las ADN polimerasas

Actividad de polimerasa

La polimerasa permite 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 precisamente desoxinucleósidos trifosfatos (dNTP). La ADN polimerasa dependiente de ADN siempre utiliza una hebra sencilla 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 decisiva para la capacidad de la ADN polimerasa de copiar la información genética codificada en el ADN. La copia correcta de la plantilla se logra mediante el apareamiento de bases complementarias de las bases de nucleótidos incorporadas con las bases de la plantilla de ADN, mediada por enlaces de hidrógeno. La síntesis de la nueva hebra de ADN tiene lugar desde el extremo 5 ‘hasta el 3’. Químicamente, tiene lugar 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 (produce ARN que se usa 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. A continuación, se une el primer nucleótido a este extremo. En la reacción en cadena de la polimerasa (PCR), se usa una hebra simple de ADN (cebador) de aproximadamente 15-20 nucleótidos de longitud como punto de partida de la reacción. Las enzimas suelen requerir iones magnesio como cofactor.

La catálisis de la formación del enlace diéster es funcionalmente análoga a la correspondiente reacción de las ARN polimerasas. El último nucleótido de la sección ya sintetizada y el nucleótido a agregar se coordinan con uno de los dos iones magnesio cada uno en el centro catalítico del dominio de la polimerasa. El primer grupo fosfato del nucleótido que se agregará está coordinado con ambos iones magnesio. La posición espacial permite que el grupo hidroxi del nucleótido precedente ataque al grupo fosfato del nucleótido que se va a añadir. En el proceso, se separa un residuo de pirofosfato.

Las funciones en los sitios activos de la ADN polimerasa.
Los procesos en los sitios activos de la ADN polimerasa donde se catalizan las reacciones de los ácidos nucleicos.

Actividad exonucleasa

Muchas polimerasas también tienen otras funciones enzimáticas. En presencia de concentraciones bajas de dNTP, predomina la actividad exonucleasa 3 ‘→ 5’ para la eliminación de nucleótidos. Algunas polimerasas también tienen actividad exonucleasa 5 ‘→ 3’. Para garantizar que no se produzcan errores al leer la plantilla de ADN, tienen esta función de corrección de pruebas, es decir, son capaces de detectar la inserción de un nucleótido inadecuado y luego eliminarlo del ADN mediante la actividad exonucleasa. Esto permite la degradación de una cadena de ADN o ARN existente que ya está emparejada con la cadena de plantilla mientras se forma una nueva cadena. Esto da como resultado un intercambio de la cadena antigua por una nueva. Esta actividad exonucleasa se aprovecha mediante el método de traducción de mellas.

Diferentes ADN polimerasas

En bacterias como Escherichia coli hay tres ADN polimerasas diferentes dependientes de ADN. Uno de ellos, la ADN polimerasa I (Pol I) fue aislado en 1955 por Arthur Kornberg y fue la primera polimerasa jamás descubierta. Sin embargo, esta no es la polimerasa más importante para la replicación en E. coli, ya que solo cataliza alrededor de 20 pasos de síntesis (es decir, solo tiene un poder de procesamiento bajo). Sin embargo, es responsable 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 dos ADN polimerasas en E. coli, se aislaron solo 15 años después del descubrimiento de la ADN polimerasa I, después de que los mutantes de E. coli con un defecto en el gen de la polimerasa I demostraran ser competentes para replicación. Sin embargo, estos mutantes eran particularmente susceptibles a la radiación UV y a las sustancias alquilantes, por lo que se asume que la ADN polimerasa I realiza principalmente tareas de reparación. La polimerasa III, que realiza la replicación real en E. coli, está compuesta por un total de siete subunidades y solo se presenta en muy pocas copias por célula bacteriana.

Las ADN polimerasas eucariotas, incluidas las ADN polimerasas humanas, se clasifican en las siguientes familias:

  • Familia A: ADN polimerasas γ, θ y ν
  • Familia B: ADN polimerasas α, δ, ε y ζ
  • Familia X: ADN polimerasas β, λ, σ y μ
  • Familia 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 decisivas para la replicación, se caracterizan por una alta potencia de procesamiento y función de corrección de pruebas. Por el contrario, las polimerasas α y β muestran solo un bajo poder de procesamiento y ninguna función de corrección de pruebas.

Además, existen ADN polimerasas dependientes de ARN que utilizan ARN como plantilla y le unen dNTP. Se denominan transcriptasas inversas, que también incluyen la telomerasa. La única ADN polimerasa independiente conocida es la desoxirribonucleotidiltransferasa terminal.

En las arqueobacterias existen tipos estables a la temperatura que también se utilizan para la PCR.

Importancia biológica

Las ADN polimerasas son de importancia central para la replicación del ADN. Permiten la copia fiel de información genética en forma de ADN, por lo que un paso decisivo en la reproducción y procreación de organismos vivos. Las enzimas también juegan un papel importante en los procesos asociados con la reparación del ADN.

Importancia biotecnológica

En el laboratorio, las ADN polimerasas se utilizan 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. Una gran cantidad de tipos termoestables diferentes (por ejemplo, polimerasa Taq de Thermus aquaticus ), algunos de los cuales se modifican mediante ingeniería de proteínas. Además de la estabilidad a altas temperaturas, las ADN polimerasas termoestables de origen arcaico, 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 precursor de las ADN polimerasas utilizadas en la actualidad fue la ADN polimerasa T4.

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