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. La función biológica es esencial: 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 designa 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 una serie de propiedades que reflejan su parentesco evolutivo y la naturaleza 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; necesita una hebra preexistente cuya secuencia leerá para colocar el nucleótido complementario en cada posición.

El sustrato común a todas 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.

Una diferencia importante entre los dos grandes grupos enzimáticos 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, lo que las convierte en las únicas enzimas 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 que pueden clasificarse 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 es más complejo. Coexisten al menos cinco ADN polimerasas, identificadas con letras griegas. La polimerasa α se ocupa del inicio de la síntesis, sintetizando 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 mecanismos de reparación nuclear; y la polimerasa γ, localizada en el interior de la mitocondria, es la responsable exclusiva de replicar el genoma de este orgánulo. La pérdida de función de la polimerasa γ es la base molecular de varios síndromes mitocondriales hereditarios.

La fidelidad con la que estas enzimas copian la información genética es asombrosa. Una ADN polimerasa replicativa típica incorpora alrededor de 700 nucleótidos por segundo y se equivoca, en promedio, una vez cada mil millones de bases incorporadas. 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 inmediatamente 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 el proceso de transcripción. En las bacterias existe una única enzima de este tipo. Las eucariotas tienen tres, conocidas como ARN polimerasa I, II y III, especializadas en transcribir distintos productos: los ARN ribosómicos mayoritarios, los ARN mensajeros y los ARN pequeños como los de transferencia, respectivamente. La actividad transcripcional de estas enzimas 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 polimerasas 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. Su descubrimiento por Howard Temin y David Baltimore en 1970 obligó a reformular el llamado dogma central de la biología molecular, que hasta entonces presuponía que la información solo podía fluir del ADN al ARN y nunca en sentido inverso.

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 estas enzimas 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, logró aislar de cultivos de Escherichia coli la enzima responsable de la síntesis de ADN a partir de nucleótidos. La llamó ADN polimerasa, fue capaz de reproducir en el tubo de ensayo la copia del material genético y publicó los resultados en 1958. En 1959 compartió el Premio Nobel de Fisiología o Medicina con el bioquímico español Severo Ochoa, quien había trabajado en paralelo sobre la síntesis enzimática de ARN. Ambos compartieron el galardón por «el descubrimiento del mecanismo de la síntesis biológica del ácido ribonucleico y del ácido desoxirribonucleico».

Hay una continuación familiar singular 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 a su vez el Premio Nobel de Química en 2006 por la elucidación del mecanismo molecular de la ARN polimerasa II. Pocas dinastías científicas pueden presumir de tres Nobel concedidos por trabajos sobre la maquinaria de la información genética.

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. Este sufijo se utiliza en bioquímica para nombrar las enzimas según el tipo de reacción que catalizan o el sustrato sobre el que actúan. Polimerasa significa, por tanto, enzima que produce polímeros, en este caso polímeros de nucleótidos.

¿Cuál es la diferencia entre una ADN polimerasa y una ARN polimerasa?

Aunque ambas comparten la dirección de síntesis 5'→3' y la dependencia de un molde, hay diferencias clave. 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 cebador. Las ADN polimerasas incorporan timina frente a la adenina del molde, mientras que las ARN polimerasas incorporan uracilo. Y, salvo excepciones especializadas, las primeras son altamente fieles —con corrección de pruebas integrada— mientras que las segundas trabajan con tasas de error mayores, lo que para una molécula de vida corta como el ARN no tiene consecuencias evolutivas comparables.

¿Es lo mismo polimerasa que la PCR?

No, pero están directamente relacionadas. 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 que se emplea no es una polimerasa cualquiera: es la Taq polimerasa, aislada de Thermus aquaticus, una bacteria que vive en aguas termales. Su resistencia al calor permite que la enzima sobreviva a los ciclos de temperatura alta necesarios para separar las hebras de ADN durante la amplificación.

¿Quién descubrió la primera polimerasa?

Arthur Kornberg, en 1956. Aisló la ADN polimerasa I de Escherichia coli y demostró que podía catalizar la síntesis de ADN en un tubo de ensayo. Por este trabajo recibió el Nobel en 1959, compartido con Severo Ochoa. La enzima que aisló resultó después ser principalmente reparadora, no la verdadera enzima replicativa, pero su descubrimiento abrió el camino para identificar el resto de la familia.

¿Pueden las polimerasas equivocarse?

Sí, y de hecho lo hacen continuamente, aunque con tasas extraordinariamente 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 al filtro de la propia enzima entran en los sistemas posteriores de reparación del ADN; los que también escapan a estos se convierten en mutaciones permanentes. Algunas polimerasas «de bypass» son deliberadamente menos fieles porque su función es permitir la replicación a través de zonas dañadas del molde, aunque ello implique introducir cambios en la secuencia.

Referencias

1. National Human Genome Research Institute (NIH). Replicación de ADN. Glosario parlante de términos genómicos y genéticos.
2. The Nobel Foundation. Arthur Kornberg — Facts. The Nobel Prize in Physiology or Medicine 1959.
3. Encyclopædia Britannica. DNA polymerase.
4. National Library of Medicine (NIH). Arthur Kornberg — Biographical Overview. Profiles in Science.