Polimerasa

Qué es la polimerasa

El término polimerasa designa una clase de enzimas catalizadoras de la polimerización, es decir, de la formación de un polímero a partir de la unión química de unidades menores llamadas monómeros. En el contexto de la genética y la bioquímica de los ácidos nucleicos, los monómeros son los nucleótidos trifosfato y el polímero resultante es una cadena de ADN o de ARN. Sin polimerasas, ni el material genético podría duplicarse antes de la división celular ni la información codificada en los genes podría expresarse.

La palabra se formó en el siglo XX combinando polímero, del griego πολυμερής (polymerés, «de muchas partes»), con el sufijo -asa, que en bioquímica nombra a las enzimas según el tipo de reacción que catalizan o el sustrato sobre el que actúan. Polimerasa significa, por tanto, «enzima que hace polímeros». El término se popularizó tras los trabajos de Arthur Kornberg, que en 1956 aisló la primera de estas enzimas a partir de la bacteria Escherichia coli.

Principios comunes a todas las polimerasas

Todas las polimerasas conocidas comparten propiedades que reflejan su parentesco evolutivo y la química del sustrato sobre el que actúan. La primera es la direccionalidad: la cadena nueva se sintetiza siempre en sentido 5'→3', añadiendo nucleótidos al extremo 3'-hidroxilo del fragmento en crecimiento. La segunda es la dependencia de un molde. La enzima copia, no inventa.

El sustrato común a estas enzimas son los desoxirribonucleótidos trifosfato (dATP, dCTP, dGTP, dTTP) en el caso de las ADN polimerasas, y los ribonucleótidos trifosfato (ATP, CTP, GTP, UTP) en el de las ARN polimerasas. La incorporación de cada nucleótido libera un grupo pirofosfato cuya hidrólisis posterior aporta la energía que hace irreversible la reacción. Las polimerasas requieren, además, iones magnesio como cofactor: dos iones Mg²⁺ se coordinan en el sitio activo y orientan los grupos químicos para que la reacción tenga lugar con la geometría correcta.

Hay una diferencia importante entre los dos grandes grupos enzimáticos, y tiene que ver con el cebador. Las ADN polimerasas no pueden iniciar una cadena desde cero: necesitan un fragmento previo (un cebador o primer, a menudo de ARN) al cual añadir los nucleótidos siguientes. Las ARN polimerasas, en cambio, pueden empezar la síntesis directamente, sin cebador. Son las únicas capaces de fabricar una cadena de ácido nucleico desde la nada química.

Las ADN polimerasas

El grupo de las ADN polimerasas reúne enzimas con funciones especializadas, repartidas en dos grandes papeles: las replicativas, responsables de copiar el genoma completo antes de cada división celular, y las reparadoras, que corrigen daños puntuales en el ADN existente. En las bacterias el reparto está bien definido. La ADN polimerasa I, descubierta por Kornberg, interviene sobre todo en reparación y en la maduración de los fragmentos de Okazaki; su porción enzimática activa se usa, escindida del resto, como reactivo de laboratorio bajo el nombre de fragmento Klenow. La ADN polimerasa III, en cambio, es la verdadera enzima replicativa del genoma bacteriano.

En las células eucariotas el panorama se complica. Coexisten al menos cinco ADN polimerasas, identificadas con letras griegas. La polimerasa α inicia la síntesis con un cebador corto en cada hebra. Las polimerasas δ y ε realizan la elongación en las hebras retrasada y adelantada, respectivamente. La polimerasa β participa en la reparación nuclear, y la polimerasa γ, dentro de la mitocondria, es la única responsable de replicar el genoma de este orgánulo: su pérdida de función es la base molecular de varios síndromes mitocondriales hereditarios.

La fidelidad con la que estas enzimas copian la información genética es notable. Una ADN polimerasa replicativa típica incorpora alrededor de 700 nucleótidos por segundo y se equivoca, en promedio, una vez cada mil millones de bases. Esa precisión no procede solo de la geometría del sitio activo: muchas ADN polimerasas llevan acoplada una actividad exonucleasa 3'→5' que retira los nucleótidos mal apareados justo después de incorporarlos, en lo que se conoce como corrección de pruebas. Los errores que escapan a este filtro entran en el dominio de los mecanismos de reparación posterior; los que escapan a todos los filtros se convierten en mutaciones.

Las ARN polimerasas

Las ARN polimerasas sintetizan ARN a partir de un molde de ADN durante la transcripción. En las bacterias existe una única enzima de este tipo. Las eucariotas tienen tres: la ARN polimerasa I, II y III, especializadas en transcribir, respectivamente, los ARN ribosómicos mayoritarios, los ARN mensajeros y los ARN pequeños como los de transferencia. Su actividad está sujeta a una regulación compleja por factores de transcripción, que determinan qué genes se expresan en cada tipo celular y en cada momento.

Otras polimerasas: transcriptasa inversa y polimerasas virales

Junto a las ADN y ARN polimerasas «canónicas» existen otras con propiedades singulares. La más conocida es la transcriptasa inversa, una enzima de origen viral (presente en los retrovirus, incluido el VIH) que sintetiza ADN a partir de un molde de ARN. Howard Temin y David Baltimore la descubrieron de forma independiente en 1970, un hallazgo que obligó a reformular el llamado dogma central de la biología molecular, hasta entonces convencido de que la información solo podía fluir del ADN al ARN.

Otros virus tienen polimerasas propias. Los virus de ARN, como los coronavirus o el de la gripe, portan ARN polimerasas dependientes de ARN, capaces de replicar genomas de ARN sin pasar por un intermediario de ADN. Como son estructuralmente distintas de las polimerasas humanas, constituyen dianas frecuentes de la investigación farmacológica antiviral.

Arthur Kornberg y el primer aislamiento

El descubrimiento de las polimerasas como enzimas biológicas concretas se debe a Arthur Kornberg, bioquímico estadounidense que en 1956, trabajando en la Universidad Washington de San Luis, aisló de cultivos de Escherichia coli la enzima responsable de la síntesis de ADN a partir de nucleótidos. La llamó ADN polimerasa, reprodujo en el tubo de ensayo la copia del material genético y publicó los resultados en 1958. Un año después compartió el Premio Nobel de Fisiología o Medicina con el bioquímico español Severo Ochoa, que había trabajado en paralelo sobre la síntesis enzimática de ARN.

Hay una continuación familiar poco frecuente en este relato. Tom Kornberg, hijo de Arthur, descubrió las polimerasas II y III en los años setenta. Roger Kornberg, otro de sus hijos, recibió el Premio Nobel de Química en 2006 por la elucidación del mecanismo molecular de la ARN polimerasa II.

Preguntas frecuentes

¿De dónde viene la palabra «polimerasa»?

Del griego πολυμερής (polymerés, «de muchas partes»), a través del término polímero, al que se añadió el sufijo -asa. Ese sufijo se emplea en bioquímica para nombrar las enzimas según la reacción que catalizan o el sustrato sobre el que actúan.

¿Qué diferencia hay entre una ADN polimerasa y una ARN polimerasa?

Las ADN polimerasas sintetizan ADN a partir de desoxirribonucleótidos y necesitan un cebador para empezar; las ARN polimerasas sintetizan ARN a partir de ribonucleótidos y pueden iniciar la síntesis sin él. Las primeras incorporan timina frente a la adenina del molde, y las segundas incorporan uracilo en su lugar. Y, salvo excepciones especializadas, las ADN polimerasas son mucho más fieles, gracias a su corrección de pruebas integrada.

¿Es lo mismo polimerasa que PCR?

No. La reacción en cadena de la polimerasa (PCR) es una técnica de laboratorio que utiliza una ADN polimerasa para amplificar millones de copias de un fragmento concreto de ADN. La enzima empleada, la Taq polimerasa, se aisló de Thermus aquaticus, una bacteria que vive en aguas termales. Su resistencia al calor le permite sobrevivir a los ciclos de temperatura alta necesarios para separar las hebras de ADN durante la amplificación.

¿Pueden las polimerasas equivocarse?

Sí, y de hecho lo hacen continuamente, aunque con tasas muy bajas. Una ADN polimerasa replicativa con corrección de pruebas integrada se equivoca, en promedio, una vez cada mil millones de nucleótidos. Los errores que escapan a ese filtro entran en los sistemas posteriores de reparación del ADN; los que también escapan a estos se convierten en mutaciones permanentes.

Referencias

1. The Nobel Foundation. Arthur Kornberg. Facts. The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1959. Disponible en: nobelprize.org
2. Encyclopædia Britannica. Arthur Kornberg. Disponible en: britannica.com
3. The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1975. Press release. Disponible en: nobelprize.org
4. National Human Genome Research Institute (NIH). Replicación de ADN. Glosario parlante de términos genómicos y genéticos. Disponible en: genome.gov