ADN POLIMERASA: TIPUS, FUNCIÓ I ESTRUCTURA - BIOLOGIA - 2025

La ADN polimerasa és un enzim que s'encarrega de catalitzar la polimerització del nou bri d'ADN durant la replicació d'aquesta molècula. La seva funció principal és aparellar els desoxiribonucleòtids trifosfat amb els de la cadena motlle. També participa en la reparació de l'ADN.

Aquest enzim permet l'aparellament correcte entre les bases d'ADN de la cadena motlle i la nova, seguint l'esquema d'A s'aparella amb T, i G amb C.

Estructura de l'ADN polimerasa beta en humans.

Font: Yikrazuul, from Wikimedia Commons

El procés de replicació d'ADN ha de ser efectiu i s'ha de fer amb rapidesa, de manera que l'ADN polimerasa actua afegint uns 700 nucleòtids per segon i només comet un error cada 10 ⁹ o 10 ¹⁰ nucleòtids incorporats.

Hi ha diferents tipus d'ADN polimerasa. Aquestes varien tant en eucariotes com procariotes, i cadascuna té un paper específic en la replicació i reparació de l'ADN.

És possible que una de les primeres enzims a aparèixer en l'evolució hagin estat les polimerases, ja que l'habilitat per replicar el genoma de manera precisa és un requisit intrínsec per al desenvolupament dels organismes.

El descobriment d'aquest enzim se'ls atribueix a Arthur Kornberg i els seus col·legues. Aquest investigador va identificar a l'ADN polimerasa I (Pol I) en l'any 1956, mentre treballa amb Escherichia coli. De la mateixa manera, van ser Watson i Crick els que van proposar que aquest enzim podia produir còpies fidels de la molècula d'ADN.

tipus

procariotes

Els organismes procariotes (organismes sense un nucli veritable, delimitat per una membrana) posseeixen tres ADN polimerases principals, abreujades comunament com pol I, II i III.

La ADN polimerasa I participa en la replicació i en la reparació de l'ADN i posseeix activitat exonucleasa en tots dos sentits. Es considera que el paper d'aquest enzim en la replicació és secundari.

La II participa en la reparació de l'ADN i la seva activitat exonucleasa és en el sentit 3'-5'. La III participa en la replicació i revisió de l'ADN, i a l'igual que l'enzim anterior, presenta activitat exonucleasa és en el sentit 3'-5'.

eucariotes

Els eucariotes (organismes amb un nucli veritable, delimitat per una membrana) posseeixen cinc ADN polimerases, anomenades amb lletres de l'alfabet grec: α, β, γ, δ i ε.

La polimerasa γ es localitza a la mitocòndria i és la responsable de la replicació de l'material genètic en aquesta orgànul cel·lular. En contrast, les altres quatre es troben en el nucli de les cèl·lules i estan involucrades en la replicació de l'ADN nuclear.

Les variants α, δ i ε són les més actives en el procés de divisió cel·lular, el que suggereix que la seva funció principal està associada amb la producció de còpies d'ADN.

La ADN polimerasa β, per la seva banda, presenta pics d'activitat en les cèl·lules que no s'estan dividint, per la qual cosa s'assumeix que la seva funció principal s'associa amb la reparació de l'ADN.

Diferents experiments han aconseguit comprovar la hipòtesi que associen majorment a les polimerases α, δ i ε amb la replicació de l'ADN. Els tipus γ, δ i ε presenten activitat exonucleasa 3'-5'.

arqueges

Els nous mètodes de seqüenciació han aconseguit identificar una enorme varietat de famílies d'ADN polimerases. En els arqueobacteris, específicament, s'ha identificat una família d'enzims, denominades família D, que són úniques d'aquest grup d'organismes.

Funcions: replicació i reparació de l'ADN

Què és la replicació de l'ADN?

L'ADN és la molècula que porta tota la informació genètica d'un organisme. Està formada d'una sucre, una base nitrogenada (adenina, guanina, citosina i timina) i un grup fosfat.

Durant els processos de divisió cel·lular, que estan passant constantment, l'ADN ha de ser copiat amb rapidesa i precisió - específicament en la fase S de l'cicle cel·lular. A aquest procés on la cèl·lula còpia l'ADN se li coneix com replicació.

Estructuralment, la molècula d'ADN està formada per dos brins, formant una hèlix. Durant el procés de replicació, aquestes se separen i cadascuna actua com un temperat per a la formació d'una molècula nova. Així, les noves brins passen a les cèl·lules filles en el procés de divisió cel·lular.

Com cada bri serveix de temperat, es diu que la replicació de l'ADN és semiconservativa - a la fi de l'procés, la molècula nova consta d'un bri nova i una vella. Aquest procés va ser descrit l'any 1958 pels investigadors Meselson i Stahl, usant isópotos.

La replicació de l'ADN requereix d'una sèrie d'enzims que catalitzen el procés. Entre aquestes molècules proteiques, ressalta l'ADN polimerasa.

reacció

Perquè passi la síntesi de l'ADN, es requereixen dels substrats necessaris per al procés: els desoxiribonucleòtids trifosfat (dNTP)

El mecanisme de la reacció implica un atac nucleofílic de el grup hidroxil en l'extrem 3'del fil en creixement en el fosfat alfa dels dNTP complementari, eliminant 1 pirofosfat. Aquest pas és molt important, ja que l'energia per a la polimerització ve de la hidròlisi dels dNTP i de l'pirofosfat resultant.

La pol III o l'alfa s'uneix a la primera (veure propietats de la polimerases) i comença a afegir els nucleòtids. La èpsilon s'elonga la cadena líder, i la delta s'elonga el bri retardada.

Propietats de les ADN polimerases

Totes les ADN polimerases conegudes comparteixen dues propietats essencials associades a el procés de replicació.

En primer lloc, totes les polimerases sintetitzen el bri d'ADN en direcció 5'-3 ', afegint els dNTP a el grup hidroxil de la cadena en creixement.

Segon, les ADN polimerases no poden començar a sintetitzar una cadena nova del no-res. Necessiten un element addicional conegut com a primer o encebador, el qual és una molècula formada per uns pocs nucleòtids que atorga un grup hidroxil lliure, on la polimerasa pot ancorar-se i començar la seva activitat.

Aquesta és una de les diferències fonamentals entre les ADN i ARN polimerases, ja que aquesta última si és capaç d'iniciar la síntesi d'una cadena de novo.

Fragments d'Okazaki

La primera propietat de les ADN polimerases esmentada a l'apartat anterior, suposa una complicació per a la replicació semiconservativa. Com els dos brins d'ADN corren de manera antiparalela, una d'elles es sintetitza de manera discontínua (la qual necessitaria ser sintetitzada en sentit 3'-5 ').

En el bri retardada, la síntesi discontínua ocorre per mitjà de l'activitat normal de la polimerasa, 5'-3 ', i els fragments resultants - coneguts en la literatura com fragments d'Okazaki - són units per un altre enzim, la ligasa.

Reparació de l'ADN

L'ADN està constantment exposat a factors, tant endògens com exògens, que poden danyar-lo. Aquests danys poden bloquejar la replicació i acumular-se, de manera que afecten l'expressió dels gens, generant problemes en els diversos processos cel·lulars.

A més de la seva funció en el procés de replicació de l'ADN, la polimerasa també és un component clau dels mecanismes de reparació de l'ADN. També poden actuar com a sensors en el cicle cel·lular que prevenen l'entrada a la fase de divisió si l'ADN està danyat.

estructura

Actualment, gràcies als estudis de cristal·lografia, s'ha aconseguit dilucidar les estructures de diverses polimerases. Basats en la seva seqüència primària, les polimerases s'agrupen en famílies: A, B, C, X i Y.

Alguns aspectes són comuns a totes les polimerases, particularment els relacionats amb els centres catalítics de l'enzim.

Aquests inclouen dos llocs actius claus que posseeixen ions metàl·lics, amb dos residus d'aspartat i un residu variable - ja sigui aspartat o glutamat, que coordina els metalls. Existeixen una altra sèrie de residus carregats que envolten a centre catalític i estan conservats en les diferents polimerases.

En procariotes, l'ADN polimerasa I és un polipèptid de 103 kd, la II és un polipèptid de 88 kd i la III consta de deu subunitats.

En els eucariotes, els enzims són més grans i complexes: la α està formada per cinc unitats, la β i γ per una subunitat, la δ per dues subunitats y.la ε per 5.

aplicacions

PRC

La reacció en cadena de la polimerasa (PRC) és un mètode usat en tots els laboratoris de biologia molecular, gràcies a la seva utilitat i simplicitat. L'objectiu d'aquest mètode és amplificar de manera massiva una molècula d'ADN d'interès.

Per aconseguir-ho, els biòlegs usen una ADN polimerasa que no és danyada per la calor (les altes temperatura són indispensables per a aquest procés) per amplificar la molècula. El resultat d'aquest procés és un nombre elevat de molècules d'ADN que poden ser usades amb diferents propòsits.

Una de les utilitats clíniques més resaltantes de la tècnica, és el seu ús en el diagnòstic mèdic. La PRC pot ser usada per a comprovar la presència de bacteris i virus patògens en els pacients.

Antibiòtics i medicaments antitumorals

Un nombre important de medicaments tenen com a objectiu truncar els mecanismes de replicació de l'ADN en l'organisme patogen, ja sigui un virus o un bacteri.

En alguns d'això, el blanc és la inhibició de l'activitat de l'ADN polimerasa. Per exemple, el medicament quimioterapèutic citarabina, també denominat arabinòsid de citosina, inhabilita l'ADN polimerasa.

referències

1. Alberts, B., Bray, D., Hopkin, K., Johnson, AD, Lewis, J., Raff, M.,… & Walter, P. (2015). Essential cell biology. Garland Science.
2. Cann, IK, & Ishino, I. (1999). Archaeal DNA replication: Identifying the pieces to solve a trencaclosques. Genetics, 152 (4), 1249-1267.
3. Cooper, GM, & Hausman, RE (2004). The cell: Molecular approach. Medicinska naklada.
4. Garcia-Diaz, M., & Bebenek, K. (2007). Multiple functions of DNA polymerases. Critical reviews in plant sciences, 26 (2), 105-122.
5. Shcherbakova, PV, Bebenek, K., & Kunkel, TA (2003). Functions of Eukaryotic DNA polymerases. Science 's SAGE KE, 2003 (8), 3.
6. Steitz, TA (1999). DNA polymerases: structural diversity and common mechanisms. Journal of Biological Chemistry, 274 (25), 17.395-17.398.
7. Wu, S., Beard, WA, Pedersen, LG, & Wilson, SH (2013). Structural comparison of DNA polymerase architecture suggests a nucleotide passarel·la to the polymerase activi site. Chemical reviews, 114 (5), 2759-74.