La Replicación del ADN: Proceso Fundamental de la Vida

Durante la replicación del ADN, cada hebra se separa y actúa como molde para la síntesis de una nueva cadena que posee una secuencia de bases complementarias. La complementariedad entre las bases es G con C, y A con T.

La replicación del ADN consiste en sintetizar, a partir de una molécula inicial (molécula madre), dos idénticas entre sí (moléculas hijas).

La replicación del ADN tiene lugar antes de la división celular, en la fase S de la interfase del ciclo celular. La replicación es bidireccional: a partir de un origen de replicación, esta se extiende en ambos sentidos. En el origen de la replicación se abre la doble hélice y se genera una burbuja de replicación, que se extiende a lo largo del cromosoma en sentidos contrarios, dando lugar a dos horquillas de replicación (por su forma de Y).

La replicación es semidiscontinua. En la cadena conductora se sintetizan fragmentos bastante grandes de forma continua, mientras que en la cadena retardada es discontinua, sintetizándose pequeños fragmentos de forma separada que después se unen. Estos son los fragmentos de Okazaki. Esto se debe a que las dos cadenas del ADN son antiparalelas y a que la síntesis es siempre en sentido 5’ → 3’.

La replicación del ADN se ajusta a un modelo semiconservativo, pues en la doble hélice de cada célula hija se conserva una cadena original de la célula madre y la otra cadena recién sintetizada.

Hipótesis sobre la Replicación del ADN

Se propusieron tres hipótesis principales sobre cómo se replicaba el ADN:

• SEMICONSERVATIVA: Fue propuesta por Watson y Crick. Considera que cada nueva molécula de ADN tiene una cadena vieja y otra recién sintetizada.
• CONSERVATIVA: La doble hélice original permanece intacta y se origina una doble hélice completamente nueva.
• DISPERSIVA: Las cadenas de las moléculas hijas de ADN tienen fragmentos de la molécula madre y fragmentos nuevos.

Se comprobó mediante el experimento de Meselson y Stahl que la hipótesis correcta es la SEMICONSERVATIVA.

Replicación del Cromosoma Bacteriano

La replicación del cromosoma bacteriano (doble hélice de ADN circular) comienza cuando se forma una burbuja de replicación, que se extiende y da lugar a dos horquillas de replicación. En estas, cada hebra del ADN sirve de molde para que se sintetice una cadena complementaria. Las horquillas se desplazan en sentidos opuestos hasta que se encuentran en el punto de terminación. Finalmente, los dos nuevos cromosomas, genéticamente idénticos, se separan.

Etapas de la Replicación del ADN

La replicación comienza en un punto específico y se desarrolla en tres etapas principales:

1. Apertura y desenrollamiento de la doble hélice.
2. Síntesis de dos nuevas cadenas de ADN.
3. Corrección de los errores.

1. Apertura y Desenrollamiento de la Doble Hélice

La separación de las cadenas comienza en un punto concreto del cromosoma, el origen de replicación.

A partir del origen de replicación se forman unas estructuras, conocidas como burbujas de replicación, que se extienden a lo largo del cromosoma en sentidos contrarios, dando lugar a dos horquillas de replicación. En estas horquillas, las dos hebras del ADN parental están separadas y actúan como moldes o patrones para la síntesis de dos nuevas cadenas de ADN.

Cada burbuja de replicación constituye una unidad de replicación o replicón. Para que la doble hélice se desenrolle, intervienen las siguientes enzimas y proteínas:

• Helicasas: Rompen los enlaces de hidrógeno entre las dos cadenas complementarias y las separan para que sirvan de molde.
• Girasas y Topoisomerasas: Eliminan las tensiones generadas por la torsión de las dos hebras al desenrollarse. Actúan cortando las cadenas para, una vez eliminadas las tensiones, volver a empalmarlas mediante enlaces fosfodiéster.
• Proteínas SSBP: Se unen a las hebras molde del ADN recién separadas e impiden que se vuelvan a enrollar.

2. Síntesis de Dos Nuevas Cadenas de ADN

Existen tres enzimas ADN polimerasa: I y III, que se encargan de la replicación y de la corrección de errores; y II, que solo lleva a cabo la reparación del ADN dañado.

La ADN polimerasa III es la que lleva a cabo la mayor parte del proceso. Recorre las hebras molde y selecciona en cada momento el desoxirribonucleótido trifosfato cuya base debe ser complementaria a la base del molde.

Si el nucleótido trifosfato seleccionado es, en efecto, el complementario, cataliza su hidrólisis, separando un resto pirofosfato (PP) del nucleótido monofosfato, que se incorpora a la cadena de ADN en formación mediante un enlace fosfodiéster, para el que utiliza la energía desprendida en la hidrólisis.

La enzima ADN polimerasa III debe resolver dos problemas relacionados con su actividad catalítica:

1. La ADN polimerasa III es incapaz de iniciar por sí sola la síntesis de una nueva cadena de ADN; solo puede elongarla, pues para adicionar desoxirribonucleótidos necesita una cadena previamente formada que suministre un grupo hidroxilo (-OH) 3´ libre.
2. La ADN polimerasa III solo “sabe leer” las secuencias de las hebras molde en sentido 3’ → 5’, mientras que las nuevas cadenas se sintetizan y crecen en el sentido 5’ → 3’.

Para el primer problema, la ADN polimerasa III necesita la colaboración de una enzima ARN polimerasa que sintetiza ARN y actúa como iniciador de la síntesis de ADN. La síntesis de una nueva cadena de ADN comienza con un corto fragmento de ARN, llamado cebador, que proporciona extremos hidroxilo 3´ libres sobre los que adicionar nuevos nucleótidos. Este cebador se sintetiza mediante una enzima ARN polimerasa, llamada primasa.

Para el segundo problema, de las dos hebras molde del ADN, la que está orientada en el sentido 3’ → 5’ es copiada de manera continua por esta enzima, y la nueva réplica, que crece en el sentido 5’ → 3’, recibe el nombre de hebra conductora o líder.

Sin embargo, la otra hebra molde, al ser antiparalela y estar orientada en el sentido 5’ → 3’, no puede “leerse” en este sentido por la ADN polimerasa III. Este problema se soluciona abriendo porciones de la hebra molde suficientemente grandes que permitan a la enzima ir retrocediendo para poder leer en el sentido adecuado y así sintetizar pequeños fragmentos de ADN, llamados fragmentos de Okazaki. Estos fragmentos crecen en el sentido 5’ → 3’.

Más tarde, actúa la ADN polimerasa I, cuya actividad exonucleasa elimina el ARN cebador de cada fragmento. El hueco que queda se rellena por la ADN polimerasa I, que sustituye el ARN cebador por ADN, con una secuencia complementaria a la del molde. Por último, interviene una enzima ADN ligasa para unir los diferentes fragmentos hasta formar la hebra retardada.

3. Corrección de los Errores

Las ADN polimerasas I y III, además de polimerizar, son autocorrectoras, ya que realizan una doble lectura: después de cada proceso de polimerización, la ADN polimerasa “mira” hacia atrás antes de incorporar el nucleótido siguiente y, si detecta un error en el apareamiento, elimina el último nucleótido (posee actividad exonucleasa) y vuelve a introducir el nucleótido adecuado. El uso de cebadores de ARN, por la incapacidad de las ADN polimerasas de iniciar una nueva cadena, parece contribuir a incrementar la fidelidad de la copia, pues suelen ser los primeros nucleótidos los que presentan errores de apareamiento con mayor frecuencia.

La Replicación del ADN en Células Eucariotas

Existen varias diferencias clave en la replicación del ADN entre células eucariotas y procariotas:

• Núcleo: En eucariotas, el ADN se encuentra en el núcleo.
• ADN asociado a histonas: El ADN eucariota está asociado a histonas que deben repartirse. La hebra conductora y su molde conservan las histonas antiguas, mientras que la hebra retardada y su molde se unen a las nuevas histonas sintetizadas en el citoplasma.
• Múltiples orígenes de replicación (Replicones): Debido a la gran longitud del ADN eucariota, se forman múltiples replicones (varios orígenes de replicación) para acelerar el proceso.
• Cinco tipos de ADN polimerasas: En eucariotas, hay 5 tipos de ADN polimerasas, a diferencia de las 3 en procariotas.
• ADN no circular y acortamiento de telómeros: El ADN eucariota no es circular, y sus extremos (telómeros) se van acortando con cada replicación, lo que está relacionado con el envejecimiento y la muerte celular.
• Fragmentos de Okazaki más cortos: Los fragmentos de Okazaki son más cortos en eucariotas.

Retrotranscripción o Transcripción Inversa

La retrotranscripción es el proceso mediante el cual una cadena de ADN bicatenario se sintetiza a partir de un ARN monocatenario.

Esta actividad está mediada por la enzima transcriptasa inversa o retrotranscriptasa, presente en un grupo de virus de ARN monocatenarios denominados retrovirus.

El descubrimiento de la retrotranscripción supuso una excepción al dogma central de la biología molecular postulado por Francis Crick en 1958. Según este dogma, la información fluye de forma unidireccional desde el ADN al ARN y de este a las proteínas. Sin embargo, la existencia de la retrotranscripción demostró que la información genética contenida en el ARN también puede fluir hacia el ADN.