ADN polimerasa I

La Pol I funciona principalmente en la reparación del ADN dañado. Estructuralmente, la Pol I es un miembro de la superfamilia de proteínas alfa/beta, que abarca proteínas en las que las hélices α y las hebras β se presentan en secuencias irregulares. La ADN Pol I de E. coli consta de múltiples dominios con tres actividades enzimáticas distintas. Tres dominios, a menudo denominados dominio pulgar, dedo y palma, trabajan juntos para mantener la actividad de la ADN polimerasa. ^{[ 5 ]} Un cuarto dominio, junto al dominio palma, contiene un sitio activo de exonucleasa que elimina los nucleótidos incorporados incorrectamente en dirección 3' a 5' en un proceso conocido como corrección de pruebas. Un quinto dominio contiene otro sitio activo de exonucleasa que elimina ADN o ARN en dirección 5' a 3' y es esencial para la eliminación del cebador de ARN durante la replicación del ADN o del ADN durante los procesos de reparación del ADN.

La bacteria E. coli produce 5 polimerasas de ADN diferentes: ADN Pol I, ADN Pol II, ADN Pol III, ADN Pol IV y ADN Pol V. ^{[ 6 ]}

En la replicación del ADN, la cadena principal de ADN se extiende continuamente en la dirección del movimiento de la horquilla de replicación, mientras que la cadena rezagada de ADN corre discontinuamente en la dirección opuesta como fragmentos de Okazaki . ^{[ 7 ]} Las ADN polimerasas tampoco pueden iniciar cadenas de ADN, por lo que deben ser iniciadas por segmentos cortos de ARN o ADN conocidos como cebadores. ^{[ 5 ]} Para que tenga lugar la polimerización del ADN, deben cumplirse dos requisitos. En primer lugar, todas las ADN polimerasas deben tener tanto una cadena molde como una cadena cebadora. A diferencia del ARN, las ADN polimerasas no pueden sintetizar ADN a partir de una cadena molde. La síntesis debe ser iniciada por un segmento corto de ARN, conocido como cebador de ARN , sintetizado por la primasa en la dirección 5' a 3'. La síntesis de ADN entonces ocurre por la adición de un dNTP al grupo hidroxilo 3' en el extremo de la cadena de ADN preexistente o del cebador de ARN. En segundo lugar, las ADN polimerasas solo pueden agregar nuevos nucleótidos a la cadena preexistente a través de enlaces de hidrógeno. ^{[ 6 ]} Dado que todas las ADN polimerasas tienen una estructura similar, todas comparten un mecanismo de polimerización catalizado por dos iones metálicos. Uno de los iones metálicos activa el grupo hidroxilo 3' del cebador, que luego ataca el fosfato 5' primario del dNTP. El segundo ion metálico estabiliza la carga negativa del oxígeno saliente y, posteriormente, quelata los dos grupos fosfato salientes. ^{[ 8 ]}

Las estructuras cristalinas por rayos X de los dominios de polimerasa de las ADN polimerasas se describen por analogía con la mano derecha humana. Todas las ADN polimerasas contienen tres dominios. El primer dominio, conocido como el "dominio de los dedos", interactúa con el dNTP y la base molde apareada. El "dominio de los dedos" también interactúa con la plantilla para posicionarla correctamente en el sitio activo. ^{[ 9 ]} El segundo dominio, conocido como el "dominio de la palma", cataliza la reacción de transferencia del grupo fosforilo. Por último, el tercer dominio, conocido como el "dominio del pulgar", interactúa con el ADN de doble cadena. ^{[ 10 ]} El dominio exonucleasa contiene su propio sitio catalítico y elimina las bases mal apareadas. Entre las siete familias diferentes de ADN polimerasas, el "dominio de la palma" se conserva en cinco de ellas. Los dominios de los dedos y del pulgar no son consistentes en cada familia debido a la variación de los elementos de estructura secundaria de las diferentes secuencias. ^{[ 9 ]}

La Pol I posee cuatro actividades enzimáticas:

1. Actividad de ADN polimerasa dependiente de ADN 5'→3' (hacia adelante), que requiere un sitio de cebado 3' y una cadena molde.
2. Una actividad exonucleasa 3'→5' (inversa) que media la corrección de pruebas.
3. Una actividad exonucleasa 5'→3' (hacia adelante) que media la traducción de muescas durante la reparación del ADN .
4. Actividad de ADN polimerasa dependiente de ARN 5'→3' (hacia adelante). La Pol I opera sobre plantillas de ARN con una eficiencia considerablemente menor (0,1 – 0,4%) que sobre plantillas de ADN, y esta actividad probablemente tenga una importancia biológica limitada. ^{[ 11 ]}

Para determinar si la Pol I se utilizaba principalmente para la replicación del ADN o para la reparación del daño en el ADN, se realizó un experimento con una cepa mutante de E. coli deficiente en Pol I. La cepa mutante, que carecía de Pol I, se aisló y se trató con un mutágeno. La cepa mutante desarrolló colonias bacterianas que continuaron creciendo normalmente y que también carecían de Pol I. Esto confirmó que la Pol I no era necesaria para la replicación del ADN. Sin embargo, la cepa mutante también mostró características que implicaban una sensibilidad extrema a ciertos factores que dañan el ADN, como la luz ultravioleta . Por lo tanto, esto reafirmó que era más probable que la Pol I estuviera involucrada en la reparación del daño en el ADN que en la replicación del ADN. ^{[ 6 ]}