Nucleasas: características, estructura, tipos y funciones
Las nucleasas son enzimas que se encargan de degradar ácidos nucleicos. Esto lo logran por la hidrólisis de los enlaces fosfodiéster que mantienen unidos a los nucleótidos. Por esta razón, también se conocen en la literatura como fosfodiesterasas. Estas enzimas las encontramos en casi todos los entes biológicos y juegan papeles fundamentales en la replicación, reparación y otros procesos del ADN.
De manera general, las podemos clasificar dependiendo del tipo de ácidos nucleico que estas escinden: las nucleasas cuyo sustrato es el ARN se denominan ribonucleasas, y las del ADN se conocen como desoxirribonucleasas. Existen algunas no específicas capaces de degradar tanto al ADN como al ARN.
Otra clasificación muy usada depende de la acción de la enzima. Si esta realiza su trabajo de manera progresiva, empezando por los extremos de la cadena de ácido nucleico, se denominan exonucleasas. En contraste, si la ruptura ocurre en un punto interior de la cadena se llaman endonucleasas.
Actualmente, ciertas endonucleasas son ampliamente usadas en la tecnología de ADN recombinante en los laboratorios de biología molecular. Estas son herramientas invaluables para la manipulación experimental de los ácidos nucleicos.
Índice del artículo
Las nucleasas son moléculas biológicas de naturaleza proteica y con actividad enzimática. Son capaces de hidrolizar los enlaces que unen a los nucleótidos en los ácidos nucleicos.
Actúan mediante una catálisis general ácido-base. Esta reacción puede dividirse en tres pasos fundamentales: el ataque nucleofílico, la formación de un intermediario cargado negativamente y como paso final la ruptura del enlace.
Existe un tipo un enzima denominadas polimerasas, encargadas de catalizar la síntesis tanto del ADN (en la replicación) como del ARN (en la transcripción). Algunos tipos de polimerasas exhiben actividad nucleasa. Como las polimerasas, otras enzimas relacionadas también presentan esta actividad.
Las nucleasas son un conjunto de enzimas extremadamente heterogéneo, donde existe poca relación entre su estructura y mecanismo de acción. Es decir, existe una variación drástica entre la estructura de estas enzimas, por lo que no podemos mencionar alguna estructura común a todas ellas.
Existen múltiples tipos de nucleasas y también distintos sistemas para clasificarlas. En este artículo, discutiremos dos sistemas de clasificación principales: según el tipo de ácido nucleico que degradan y según la forma de ataque de la enzima.
Si el lector está interesado, puede buscar un tercera clasificación más extensa basada en la función de cada nucleasa (ver Yang, 2011).
Es necesario mencionar que también existen en estos sistemas enzimáticos nucleasas que no son específicas de su sustrato y pueden degradar ambos tipos de ácidos nucleicos.
Existen dos tipos de ácidos nucleicos que son virtualmente ubicuos a los seres orgánicos: el ácido desoxirribonucleico, o ADN, y el ácido ribonucleico, el ARN. Las enzimas específicas en degradar el ADN se llaman desoxirribonucleasas, y al ARN, ribonucleasas.
Si la cadena de ácido nucleico es atacada de manera endolítica, es decir, en regiones internas de la cadena, la enzima se denomina endonucleasa. El ataque alternativo ocurre gradualmente por uno de los extremos de la cadena y las enzimas que lo realizan son las exonucleasas. La acción de cada enzima se traduce en distintas consecuencias.
Como las exonucleasas separan paso por paso los nucleótidos, los efectos en el sustrato son poco drásticos. Por el contrario, la acción de las endonucleasas es más pronunciada, ya que pueden escindir la cadena en distintos puntos. Esta última puede cambiar hasta la viscosidad de la solución de ADN.
Las exonucleasas fueron elementos cruciales para dilucidar la naturaleza del enlace que mantenía unidos a los nucleótidos.
La especificidad del sitio de corte de las endonucleasas varía. Existen algunos tipos (como la enzima desoxirribonucleasa I) que pueden cortar en sitios inespecíficos, generando cortes relativamente aleatorios con respecto a la secuencia.
Contrariamente, tenemos endonucleasas muy específicas que solo cortan en ciertas secuencias. Más adelante explicaremos de qué manera los biólogos moleculares sacan provecho a esta propiedad.
Hay algunas nucleasas que pueden actuar tanto de endo como de exonucleasas. Ejemplo de esto es la llamada nucleasa microcónica.
Las nucleasas catalizan una serie de reacciones indispensables para la vida. La actividad nucleasa es un elemento imprescindible de la replicación del ADN, ya que ayudan a la eliminación del cebador o primer y participan en la corrección de errores.
De esta manera, dos procesos tan relevantes como la recombinación y la reparación del ADN están mediados por nucleasas.
También contribuye a generar cambios estructurales en el ADN, como la topoisomerización y la recombinación sitio específica. Para que todos estos procesos puedan tener lugar, es necesaria una ruptura temporal del enlace fosfodiéster, realizado por nucleasas.
En el ARN, las nucleasas también participan en procesos fundamentales. Por ejemplo, en la maduración del mensajero y en el procesamiento de los ARN de interferencia. Del mismo modo, están implicadas en los procesos de muerte celular programada o apoptosis.
En los organismos unicelulares, las nucleasas representan un sistema de defensa que les permite digerir ADN externo que ingresa a la célula.
Los biólogos moleculares sacan provecho de la especificidad de ciertas nucleasas denominadas nucleasas de restricción específicas. Los biólogos habían notado que las bacterias eran capaces de digerir el ADN foráneo que era introducido por medio de técnicas en el laboratorio.
Al indagar más en este fenómeno, los científicos descubrieron las nucleasas de restricción: enzimas que cortan el ADN en ciertas secuencias de nucleótidos. Son una especie de “tijeras moleculares” y las encontramos producidas para la venta.
El ADN de la bacteria es “inmune” a este mecanismo, ya que está protegido por medio de modificaciones químicas en las secuencias que promueven la degradación. Cada especie y cepa de bacterias tiene sus nucleasas específicas.
Estas moléculas son muy útiles, ya que aseguran que el corte será realizado siempre en el mismo sitio (de 4 a 8 nucleótidos de longitud). Se aplican en la tecnología de ADN recombinante.
Alternativamente, en algunos procedimientos de rutina (como la PCR) la presencia de nucleasas afecta negativamente al proceso, ya que digieren el material que requiere ser analizado. Por esta razón, en algunos casos es necesario aplicar inhibidores de estas enzimas.
- Brown, T. (2011). Introduction to genetics: A molecular approach. Garland Science.
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