Polimerasi

Le polimerasi sono enzimi che catalizzano la sintesi di lunghe catene di acidi nucleici come la sintesi di polimeri di DNA o RNA la cui sequenza è complementare al modello originale definito dall’appaiamento di basi complementari di Watson–Crick.

Infatti le polimerasi catalizzano l’aggiunta successiva di nucleotidi a un filamento di acido nucleico nascente in crescita utilizzando il filamento stampo complementare e la reazione richiede nucleosidi trifosfati e un modello di acido nucleico come substrato per la reazione di allungamento enzimatico.

Le polimerasi vanno da semplici macchine proteiche singole ad assemblaggi complessi in cui più proteine ​​funzionano in modo coordinato per realizzare la sintesi di acidi nucleici in modo tempestivo ed efficiente e  sono essenziali per tutta l’elaborazione degli acidi nucleici, tra cui replicazione, riparazione, ricombinazione e trascrizione

DNA polimerasi

Sono gli enzimi responsabili della sintesi del DNA in tutte le forme di vita. Il loro ruolo è quello di replicare in modo accurato ed efficiente il genoma per garantire il mantenimento delle informazioni genetiche e la loro fedele trasmissione attraverso le generazioni.

Gli enzimi di questa classe catalizzano la polimerizzazione dei 2′-desossiribonucleotidi lungo un filamento di DNA, che l’enzima “legge” e utilizza come stampo. La reazione procede con la partecipazione dei 2′-desossinucleoside-5′-trifosfati che vengono incorporati nel filamento di DNA come 2′-desossinucleoside-5′-monofosfati, con un rilascio di pirofosfato.

Il tipo di nucleotide da incorporare è determinato dal principio di complementarietà con il nucleotide situato nel modello che viene letto. Pertanto, la molecola appena sintetizzata è completamente complementare al filamento modello e identica a uno dei filamenti della doppia elica del DNA. Questo processo è chiamato replicazione.

Poiché nelle cellule operano numerosi percorsi di riparazione del DNA per proteggere l’integrità del genoma, le cellule di tutti gli organismi contengano più DNA polimerasi altamente specializzate che vengono abitualmente classificate in sette famiglie: A, B, C, D, X, Y e RT.

Esse hanno una struttura che ricorda una mano destra. Contengono tre sottodomini principali: il “palmo”, le “dita” e il “pollice”. Il legame al DNA avviene nella cavità formata da questi sottodomini. Il centro catalitico si basa sui residui di amminoacidi conservati del sottodominio del palmo.

Le “dita” posizionano un modello nel sito attivo e legano i 2′-desossinucleoside-5′-trifosfati, mentre il pollice lega il DNA. In tutte le famiglie di polimerasi, il palmo è piuttosto conservato, mentre il pollice e le dita possono variare nella struttura.

Famiglie di DNA polimerasi

Le DNA polimerasi della famiglia A hanno attività di replicazione e riparazione. Una funzione correttiva è svolta dall’attività esonucleasica, detta di correzione di bozze, che consente di rimuovere nucleotidi erroneamente appaiati durante la sintesi dei filamenti nuovi nel corso della duplicazione del DNA.

I principali enzimi replicativi negli eucarioti appartengono alla famiglia B. Come la maggior parte degli enzimi della famiglia A, la maggior parte degli enzimi della famiglia B contiene un’attività esonucleasica ma, a differenza dei membri di altre famiglie, le polimerasi della famiglia B sono enzimi multisubunità.

La famiglia C delle  è composta da enzimi che sono le principali proteine ​​responsabili della replicazione dei  cromosomi. Non hanno molta somiglianza con le polimerasi delle famiglie A e B e sono oloenzimi la cui attività dipende dall’interazione con almeno altre 10 proteine, formando un grande complesso multisubunità.

Gli enzimi della famiglia D sono eterodimeri in cui una subunità DP1 è responsabile dell’attività esonucleasica mentre l’altra ha attività polimerasica. Le polimerasi della famiglia X sono piccole proteine ​​monomeriche che fanno parte del sistema di riparazione nella cellula. Sono indispensabili per sistemi di riparazione come la riparazione dell’escissione di basi e l’unione delle estremità non omologhe.

Gli enzimi della famiglia X sono piccole polimerasi monomeriche che sembrano partecipare al riempimento di brevi lacune durante la riparazione del DNA. Una caratteristica della maggior parte dei membri della famiglia è la presenza di un dominio di legame al DNA N-terminale da 8 kDa, che facilita il legame ai substrati con lacune

Gli enzimi della famiglia Y non contengono un’attività esonucleasica e hanno un dominio che sembra modulare la loro specificità di substrato. A differenza delle polimerasi di altre famiglie, i membri della famiglia Y hanno una tasca di legame del DNA e pertanto questi enzimi possono ospitare strutture di DNA distorte nel loro sito attivo, con conseguente capacità di polimerizzare sul DNA danneggiato.

La famiglia delle trascrittasi inverse (RT) comprende le trascrittasi inverse retrovirali e le telomerasi eucariotiche. Nel corso della trascrizione inversa, le trascrittasi inverse retrovirali interagiscono con vari acidi nucleici convertendo così un genoma di RNA virale a singolo filamento in DNA provirale a doppio filamento.

RNA polimerasi

Questo enzima catalizza la formazione di legami fosfodiesterici, polimerizzando una nuova molecola di mRNA esattamente complementare al filamento di DNA utilizzato come stampo. In tutte le specie, la trascrizione inizia con il legame del complesso RNA polimerasi a una sequenza di DNA speciale all’inizio del gene noto come promotore.

L’attivazione del complesso RNA polimerasi consente l’inizio della trascrizione, seguita dall’allungamento della trascrizione. A sua volta, l’allungamento della trascrizione porta alla rimozione del promotore e il processo di trascrizione può ricominciare. La trascrizione può quindi essere regolata a due livelli: il livello del promotore (regolazione cis) e il livello della polimerasi (regolazione trans). Questi elementi differiscono tra batteri ed eucarioti.

Mentre i procarioti come i batteri hanno una RNA polimerasi che trascrive tutti i tipi di RNA, gli eucarioti come le piante e i mammiferi possono avere numerose forme di RNA polimerasi note come RNA Polimerasi, I, II e III.

Ognuno di esse ha ruoli specializzati: l’RNA Polimerasi I (Pol I) sintetizza i tre più grandi RNA ribosomiali (rRNA), che sintetizzano le proteine ​​dall’RNA messaggero. Il ruolo dell’RNA Polimerasi II è quello di trascrivere i geni che codificano le proteine ​​e gli RNA non codificanti. Mentre l’enzima III sintetizza l’RNA di trasferimento e l’RNA ribosomiale 5S, molecola di RNA ribosomiale lunga circa 120 nucleotidi,

La RNA polimerasi I si trova nel nucleolo, una sottostruttura nucleare specializzata in cui l’RNA ribosomiale (rRNA) viene trascritto, elaborato e assemblato nei ribosomi. La RNA polimerasi II è localizzata nel nucleo e sintetizza tutti i pre-mRNA nucleari che codificano le proteine. I pre-mRNA eucariotici subiscono un’elaborazione estesa dopo la trascrizione ma prima della traduzione.

Anche la RNA polimerasi III si trova nel nucleo  e trascrive una varietà di RNA strutturali che includono il pre-rRNA 5S, i pre-RNA di trasferimento (pre-tRNA) e i  piccoli pre- RNA nucleari .

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