Las ADN polimerasas son enzimas (celulares o virales) que intervienen en el proceso de replicación del ADN. Llevan a cabo la síntesis de la nueva cadena de ADN emparejando los desoxirribonucleótidos trifosfato (dNTP) con los desoxirribonucleótidos complementarios correspondientes del ADN molde. Los dNTP que se usan en la replicación del ADN contienen tres fosfatos unidos al grupo hidroxilo 5' de la desoxirribosa y dependiendo de la base nitrogenada serán dATP, dTTP, dCTP o dGTP. La reacción fundamental es una transferencia de un grupo fosfato en la que el grupo 3'-OH actúa como nucleófilo en el extremo 3' de la cadena que está en crecimiento. El ataque nucleofílico se produce sobre el fosfato α (el más próximo a la desoxirribosa) del desoxirribonucleósido 5' trifosfato que entra, liberándose pirofosfato inorgánico y alargándose el ADN (al formarse un nuevo enlace fosfodiéster). A diferencia de la mayoría de procesos biológicos que ocurren en la célula en los que solo se separa un grupo fosfato (Pi), durante la replicación se separan los dos últimos grupos fosfato, en forma de grupo pirofosfato (PPi)

Este proceso se puede resumir en una ecuación química:

(DNA)n + dNTP ↔ (DNA)n+1 + PPi

A pesar de que la ADN polimerasa solo tiene un sitio activo para emparejar los cuatro dNTPs diferentes, la unión correcta de los pares de bases A:T, C:G es posible basándose en la geometría de estos: si la unión es incorrecta se produce un desplazamiento del fosfato α haciendo más difícil su unión al extremo 3'-OH y ralentizando así el ritmo de catalísis, lo que da lugar a que la ADN polimerasa añada preferentemente las bases correctas.

Las ADN polimerasas pueden añadir hasta 1000 nucleótidos por segundo. Esto es debido a su naturaleza, es decir, el número de nucleótidos que son capaces de añadir cada vez que se asocian al molde de ADN que van a copiar. Dado que la adición de los nucleótidos es un proceso que dura unos milisegundos, la velocidad de catálisis va a depender del tiempo que la ADN polimerasa permanece unida al ADN, esto es, de su procesividad.

thumb|300px|Función correctora exonucleasa 3' → 5' de las ADN polimerasas.

El crecimiento de la nueva cadena se produce en dirección 5' → 3', ya que se requiere de un grupo 3'-OH libre de la cadena molde para el inicio de la síntesis, puesto que este es el que realiza el ataque nucleofílico sobre el fosfato α del dNTP, de forma que las ADN polimerasas requieren de un iniciador 3'-OH llamado cebador (que puede ser de ADN o ARN, excepto las telomerasas que no lo necesitan) que es sintetizado por la ARN primasa. El extremo 3' del cebador se denomina extremo cebador.

Las ADN polimerasas también realizan otras funciones durante el proceso de replicación. Además de participar en la elongación, desempeñan una función correctora y reparadora gracias a su actividad exonucleasa 3', que les confiere la capacidad de degradar el ADN partiendo de un extremo de este. Es importante que existan estos mecanismos de corrección ya que de lo contrario los errores producidos durante la copia del ADN darían lugar a mutaciones.

Funciones

Las ADN polimerasas pueden agregar nucleótidos libres solo al extremo 3' de la cadena de ADN en formación. Esto provoca que el alargamiento de la cadena en formación se realice en la dirección 5'-3 '. Ninguna ADN polimerasa conocida puede iniciar una hebra de ADN nuevamente, es decir, no puede colocar el primer nucleótido en la hebra, luego de unir el segundo, luego el tercero, y así sucesivamente. Todo lo que pueden hacer es alargar una cadena existente por su extremo 3'-OH, por lo que siempre debe haber un fragmento inicial ya formado. Esta es la razón por la que la ADN polimerasa necesita un cebador preformado al que agregar nucleótidos. Los cebadores pueden estar formados por ARN o ADN. En la replicación del ADN, las dos primeras bases son siempre ARN y son sintetizadas por otra enzima llamada primasa. También se requiere una enzima llamada helicasa para desenredar el ADN y deshacer en esa región su estructura de doble hebra y formar la estructura de dos hebras simples bifurcadas (esta región es la horquilla de replicación), lo que facilita la replicación de cada una de las hebras siguiendo el modelo semiconservador de replicación del ADN.

Otra propiedad que tienen algunas ADN polimerasas, pero no todas, es la corrección de errores. Este proceso corrige los errores producidos durante la formación del ADN neosintetizado. Cuando se reconoce un par de bases incorrectamente colocado, la ADN polimerasa invierte la dirección de su movimiento al retrasar un par de bases. Esta actividad exonucleasa 3'-5' de la enzima permite eliminar el par de bases incorrecto para luego ser reemplazado por el correcto, la propia polimerasa que continuará la replicación. Esta actividad se llama corrección de pruebas. Las ADN polimerasas se utilizan ampliamente en experimentos de biología molecular.

Las ADN polimerasas tienen una estructura muy conservada, lo que significa que sus subunidades catalíticas varían muy poco de una especie a otra. Las estructuras conservadas generalmente realizan funciones importantes e insustituibles en la célula, cuyo mantenimiento produce una serie de ventajas.

Estructura

Las ADN polimerasas conocidas tienen una estructura muy conservada, lo que significa que sus subunidades catalíticas generales varían muy poco de una especie a otra, independientemente de sus estructuras de dominio. Las estructuras conservadas suelen indicar funciones importantes e insustituibles de la célula, cuyo mantenimiento proporciona ventajas evolutivas. La forma se puede describir como una mano derecha con dominios de pulgar, dedo y palma. El dominio de la palma parece funcionar catalizando la transferencia de grupos fosforilo en la reacción de transferencia de fosforilo. El ADN se une a la palma cuando la enzima está activa. Se cree que esta reacción está catalizada por un mecanismo de iones de dos metales. El dominio de los dedos funciona para unir los nucleósidos trifosfatos con la base de la plantilla. El dominio del pulgar juega un papel potencial en la procesividad, la translocación y el posicionamiento del ADN.

Procesividad

La rápida catálisis de la ADN polimerasa se debe a su naturaleza procesiva. La procesividad es una característica de las enzimas que funcionan sobre sustratos poliméricos. En el caso de la ADN polimerasa, el grado de procesividad se refiere al número medio de nucleótidos añadidos cada vez que la enzima se une a una plantilla. La ADN polimerasa promedio requiere aproximadamente un segundo para localizar y unir una unión cebador / molde. Una vez que se une, una ADN polimerasa no procesadora agrega nucleótidos a una velocidad de un nucleótido por segundo. Sin embargo, las ADN polimerasas procesivas agregan múltiples nucleótidos por segundo, lo que aumenta drásticamente la velocidad de síntesis de ADN. El grado de procesividad es directamente proporcional a la tasa de síntesis de ADN. La tasa de síntesis de ADN en una célula viva se determinó primero como la tasa de elongación del ADN del fago T4 en bacterias infectadas con bacteriófagos. Durante el período de aumento exponencial del ADN a 37 °C, la tasa fue de 749 nucleótidos por segundo.

La capacidad de la ADN polimerasa para deslizarse a lo largo de la plantilla de ADN permite una mayor procesividad. Hay un aumento dramático en la procesividad en la bifurcación de replicación. Este aumento se ve facilitado por la asociación de la ADN polimerasa con proteínas conocidas como abrazadera deslizante de ADN. Las pinzas son múltiples subunidades de proteínas asociadas en forma de anillo. Utilizando la hidrólisis de ATP, una clase de proteínas conocidas como proteínas de carga de abrazadera deslizante abren la estructura de anillo de las abrazaderas deslizantes de ADN permitiendo la unión y liberación de la hebra de ADN. Interacción proteína-proteína con la pinza evita que la ADN polimerasa se difunda desde la plantilla de ADN, lo que garantiza que la enzima se una a la misma unión cebador/plantilla y continúe la replicación. La ADN polimerasa cambia de conformación, aumentando la afinidad por la pinza cuando se asocia con ella y disminuyendo la afinidad cuando completa la replicación de un tramo de ADN para permitir la liberación de la pinza.

Reacción en cadena de la polimerasa

La propiedad de las ADN polimerasas para replicar hebras de ADN se utiliza para la reacción en cadena de la polimerasa, conocida como PCR por sus siglas en inglés, para obtener un gran número de copias de un fragmento de ADN particular, amplificándolo para propósitos de investigación. En los procesos de PCR se requiere la utilización de polimerasas termoestables, como la polimerasa Taq, debido a que es necesario aplicar altas temperaturas para desnaturalizar la molécula de ADN.

Familias de ADN polimerasas

Según la homología de su estructura y la secuencia de aminoácidos las ADN polimerasas se pueden clasificar en 6 familias. Las ADN polimerasas de los virus de ADN son difíciles de clasificar en los siguientes grupos debido a la alta divergencia de las secuencias virales.

Familia A: Incluye las ADN polimerasas eucariotas γ, θ, ν, la procariota I y la viral T7. Familia B: Incluye las ADN polimerasas eucariotas ζ, α, δ, ε y la procariotas II. También se ha propuesto la inclusión de algunas ADN polimerasas virales. Familia D: Incluye la ADN polimerasa procariota D y también se ha propuesto la inclusión de algunas ADN polimerasas virales. Familia X: Incluye las ADN polimerasas eucariotas β, σ, λ, μ, TDT y la procariota III. Familia Y: Incluye las ADN polimerasas eucariotas ι, κ, η y las procariotas IV y V. Familia RT: Incluye la telomerasa exclusiva de los eucariotas y las transcriptasas inversas virales, eucariotas y procariotas.

ADN polimerasas procariotas thumb|300px|Holoenzima ADN Pol III de E. coli. thumb|300px|Actividad correctora exonucleasa 3' → 5' de la subunidad ε de la holoenzima ADN Pol III. Las ADN polimerasas de los procariotas (arqueas y bacterias) son: las Pol I, II, III, IV, V, B, D y la RT cada una de ellas está especializada en una o más de éstas funciones según cuál sea su papel en la replicación. Las polimerasas procarióticas existen en dos formas: polimerasa central y holoenzima. La polimerasa central sintetiza ADN a partir de la plantilla de ADN, pero no puede iniciar la síntesis sola o con precisión. La holoenzima inicia la síntesis con precisión.

Pol I

Las polimerasas procariotas de la familia A incluyen la enzima ADN polimerasa I (Pol I), que está codificada por el gen polA y es ubicua entre los procariotas. Esta polimerasa reparadora participa en la reparación por escisión con actividad exonucleasa 3'-5 'y 5'-3' y en el procesamiento de fragmentos de Okazaki generados durante la síntesis de la hebra retrasada. Pol I es la polimerasa más abundante y representa> 95% de la actividad polimerasa en E. coli; sin embargo, se han encontrado células que carecen de Pol I, lo que sugiere que la actividad de Pol I puede ser reemplazada por las otras cuatro polimerasas. Pol I agrega ~ 15-20 nucleótidos por segundo, mostrando así una pobre procesividad. En cambio, Pol I comienza a agregar nucleótidos en el cebador de ARN: unión de plantilla conocida como el origen de replicación (ori). Aproximadamente 400 pb aguas abajo del origen, la holoenzima Pol III se ensambla y se hace cargo de la replicación a una velocidad y naturaleza altamente procesivas.

La polimerasa Taq es una enzima termoestable de esta familia que carece de capacidad de corrección de pruebas.

Pol II