Una propiedad esencial del material genético es su capacidad para hacer copias exactas de sí mismo.

¿Satisfacía el modelo de Watson y Crick este requisito?

En su trabajo publicado en la revista Nature, en 1953, Watson y Crick escribieron: “No escapa a nuestra atención que el apareamiento específico que hemos postulado sugiere inmediatamente un posible mecanismo de copiado para el material genético”. Esto significa que, implícito en la estructura doble y complementaria de la hélice de ADN, está el mecanismo por el cual puede replicarse.

Watson y Crick propusieron un mecanismo de duplicación del ADN según el cual, en el momento de la replicación cromosómica, los puentes de hidrógeno que unen a las bases se rompen, las bases apareadas se separan y la molécula de ADN se abre por el medio. A medida que se separan, cada una de las cadenas actúa como un molde sobre el cual se ubican nuevos nucleótidos -ya presentes en el citoplasma- que se aparean a través de sus bases de manera complementaria a las bases de la cadena original. De este modo se sintetiza una nueva cadena que forma la molécula nueva de ADN.

En el ADN, la complementariedad de las bases sólo permite dos tipos de apareamiento: timina con adenina y guanina con citosina. De esta manera, sobre cada cadena se forma una copia complementaria de sí misma. Cuando se ha copiado la totalidad de cada cadena, se obtienen dos moléculas hijas que son réplicas exactas de la molécula original. Cada una de estas moléculas conserva una cadena vieja de la generación progenitora y una cadena nueva recientemente formada.

Por eso, a este mecanismo de replicación se lo denomina replicación semiconservativa. Este modelo brindó una respuesta a la pregunta acerca de cómo la información hereditaria se duplica y se transmite de generación en generación.

El mecanismo general de la replicación del ADN

La replicación del ADN es un proceso que ocurre sólo una vez en cada generación celular. En las células eucariontes que se dividen, este proceso ocurre durante la fase S del ciclo celular y conduce a la mitosis, salvo en las células como los espermatocitos y los oocitos primarios en los seres humanos, que dan origen a los gametos, en los que la fase S conduce a la meiosis.

Origen de la replicación

La replicación del ADN, tanto en procariontes como en eucariontes, comienza en un lugar determinado del cromosoma, caracterizado por una secuencia específica de nucleótidos llamada origen de la replicación. Esta secuencia de nucleótidos se reconoce por una proteína iniciadora que, actuando en conjunto con otras, separa las dos cadenas complementarias de manera que cada una sirve de molde para la adición de nuevos nucleótidos.

Las otras proteínas que actúan en la separación de las cadenas son las enzimas helicasas, que rompen los puentes de hidrógeno entre las bases nitrogenadas, y las proteínas de unión de cadena simple que impiden que éstas vuelvan a unirse.

Una vez abierta la cadena actúa la ADN polimerasa III (también llamada Pol III), que es la enzima que adiciona uno a uno los nucleótidos siguiendo la complementariedad de bases con el molde. La Pol III actúa siempre añadiendo un nucleótido al extremo 3’ de una cadena preexistente.

Cebador o “primer”

Entonces, la iniciación de la replicación requiere la síntesis previa de una cadena corta de nucleótidos con un extremo 3’ libre sobre la cual pueda actuar la polimerasa. Esta secuencia de inicio, conocida como cebador o “primer”, está formada por nucleótidos de ARN. La síntesis del cebador de ARN sobre la cadena simple del ADN abierto es catalizada por la enzima ARNprimasa.

Orígenes de replicación

Posteriormente, la ADN polimerasa I (Pol I) reemplazará los nucleótidos de ARN del primer por nucleótidos de ADN. En los organismos procariontes, que poseen un solo cromosoma circular, existe un único punto de origen para la replicación localizado dentro de una secuencia específica de nucleótidos de aproximadamente 300 pares de bases. En los eucariontes, en cambio, hay muchas moléculas de ADN lineales, cada una con varios orígenes de replicación.

Burbuja de replicación

Si se observa el ADN en replicación con el microscopio electrónico, la zona de síntesis aparece como un “ojo”, llamado burbuja de replicación. En cualquier extremo de la burbuja, donde la helicasa comienza a separar las cadenas viejas, la molécula parece formar una estructura en Y conocida como horquilla de replicación. Es dentro de esta horquilla, donde la ADN polimerasa III sintetiza las nuevas cadenas complementarias de ADN añadiendo nucleótidos, uno a uno, a las cadenas en crecimiento y controla, además, que cada nucleótido haya sido colocado en el lugar correcto.

La replicación avanza en forma bidireccional, es decir que, a partir de un único origen, la síntesis se produce en ambas direcciones mientras que las horquillas se expanden en sentidos opuestos. En los organismos procariontes, la replicación avanza de este modo hasta que se forman dos moléculas de ADN circulares. En los eucariontes pueden observarse varias burbujas de replicación en concordancia con los distintos puntos de origen del cromosoma.

La replicación avanza a medida que cada burbuja se expande bidireccionalmente hasta que alcanza a una burbuja adyacente. Cuando todas las burbujas se han fusionado, todo el cromosoma ha quedado replicado. Tanto en procariontes como en eucariontes, la replicación tiene tres propiedades importantes:

  • Es semiconservativa.
  • Comienza en uno o varios sitios específicos.
  • Es bidireccional.