Replicación del ADN

Replicación del ADN

Este proceso consiste en la elaboración de ADN copiado fielmente a partir de una molécula de ADN molde. Para poder entender mejor este proceso primero veremos la estructura del ADN:

  • El ADN presenta una estructura consistente en dos hebras de nucleótidos unidos entre sí por enlaces fosfodiéster, y enfrentadas por sus bases. Entre las bases de ambas hebras se establecen puentes de hidrógeno.
  • Ambas hebras son antiparalelas en cuanto a la orientación de sus nucleótidos, lo que se evidencia en la posición de sus extremos 5´ y 3´.
  • Los nucleótidos que lo forman son desoxirribonucleótidos.

El ADN es una doble cadena y a partir de él, debe fabricarse otra molécula igual. Para lograrlo, hace falta separar ambas cadenas y usarlas como molde para elaborar nuevas cadenas. Cada nueva cadena no es idéntica al molde, sino complementaria a él, ya que, por la forma en que son sintetizadas, las cadenas nuevas poseen bases complementarias a las bases de la cadena molde.

Lo primero que debe ocurrir, entonces, es la separación de las cadenas. A lo largo de la molécula de ADN existen puntos donde las cadenas comienzan a ser separadas, son los llamados orígenes de replicación (ORI). Esta apertura la lleva a cabo una enzima capaz de romper los puentes de hidrógeno entre las bases: la helicasa. Inmediatamente, ciertas proteínas se unen a las cadenas recién separadas a fin de evitar que se restablezcan los puentes de hidrógeno; son las llamadas proteínas de unión a cadena simple o SSBP.

Para contrarrestar la tensión que se va generando intervienen otras enzimas, ellas son la DNA girasa y las Topoisomerasas.

La DNA girasa enrrolla el ADN en sentido contrario al que está enrrollado, relajándolo. Por su parte, las topoisomerasas realizan cortes en una o ambas cadenas para aliviar la tensión. Una vez relajado el ADN, restablecen la unión fosfodiéster.

De esta manera, con la ayuda de la girasa, las topoisomerasas y las SSBP, las helicasas van abriendo continuamente la doble cadena hacia ambos lados del origen de replicación, con lo que se va formando un “ojal” denominado, burbuja de replicación. Cada extremo de la burbuja, por donde las helicasas van separando las cadenas, recibe el nombre de horquilla de replicación.

La replicación en sí la lleva a cabo una enzima llamada ADN polimerasa III (DNA pol III) que es capaz de tomar desoxirribonucleótidos, colocarlos respetando la complementariedad de las bases con la cadena molde y, como su nombre lo indica, polimerizarlos (formar la unión fosfodiéster entre cada uno de ellos). Si, por ejemplo, la cadena molde tiene la siguiente secuencia de bases:

3´ AATGCCGTAATG 5´

la DNA pol III sintetizaría la siguiente cadena complementaria y antiparalela:

5´ TTACGGCATTAC 3´

Esta enzima tiene ciertas características:

  • Requiere de una cadena de ADN molde donde está establecida la secuencia de bases a colocar, por lo que se la llama ADN-Polimerasa ADN-dependiente.
  • Lee y construye en un único sentido. Lee la cadena molde en dirección 3´→ 5´, y construye la cadena nueva en sentido 5´→ 3´, debido al antiparalelismo de las mismas.
  • Realiza una actividad conocida como proof reading, o lectura de prueba, que consiste en que la DNA Pol vuelve, en sentido 3´→ 5´, sobre la cadena recién construida, detecta sus propios errores, o sea, nucleótidos que colocó mal apareados (no complementarios a la cadena molde), los elimina y los reemplaza por los nucleótidos correctos mediante su actividad polimerasa 5´→ 3´.
  • Requiere de un extremo 3´OH libre al cual unir el fosfato del nucleótido que incorpora, mediante el enlace fosfodiéster. Colocar un nucleótido después de otro no presenta ningún inconveniente, pero para colocar el primero, la DNA pol requiere un extremo 3´OH el cual es aportado por una pequeña cadena de ARN. Esta cadena corta de ARN se conoce como primer (cebador) y es sintetizado por otra enzima, la Primasa (es una ARN-Polimerasa, ADN-dependiente).

Cuando la burbuja presenta un espacio suficientemente grande, la Primasa entra y sintetiza un primer en cada una de las cadenas. De esta manera, la DNA pol puede comenzar a colocar desoxirribonucleótidos a partir de los extremos 3´OH de cada primer y según la complementariedad de las bases siguiendo la secuencia de bases del molde.

La DNA pol sólo avanza en sentido 5´→3´ pero para ello requiere un extremo 3´OH para poder comenzar. Entonces, cuando las helicasas hayan abierto las cadenas lo suficiente, las primasas fabricarán un primer en cada una de las horquillas de replicación de manera que éstos ofrezcan un extremo 3´OH para la DNApol. Ésta, comienza a polimerizar hasta “chocar” con los primers que fueron sintetizados anteriormente.

Mientras las helicasas continúan separando las cadenas (agrandando la burbuja), las cadenas nuevas que comenzaron a partir de los dos primeros primers siguen polimerizándose continuamente, ya que no hay ningún obstáculo que detenga a la DNA pol. De esta manera, a medida que las helicasas van separando las cadenas, la DNApol marcha “por detrás”, incorporando nucleótidos, según el molde.

Al abrirse las cadenas se generaron dos nuevos huecos y sobre ellos se sintetiza ADN nuevo de la misma manera que antes: deben hacerse nuevos primers en ambas horquillas y, a partir de sus extremos 3´, se sintetizan las dos nuevas cadenas. Estas cadenas crecen hasta alcanzar el primer que ya estaba, el que fue sintetizado en el paso anterior.

Las dos cadenas que se iniciaron a partir de los dos primeros primers, crecen de forma ininterrumpida, sin detenerse; mientras que las cadenas que quedan hacia los extremos 5´ de los dos primeros primers, se fabrican en “porciones”, se van generando fragmentos relativamente cortos, precedidos por un primer a partir del que se iniciaron. Estos segmentos cortos de ADN nuevo, son llamados fragmentos de Okasaki.

EN CADA MITAD DE LA BURBUJA DE REPLICACIÓN (A PARTIR DEL ORI), HAY UNA CADENA NUEVA DE ADN QUE CRECE DE MANERA CONTINUA Y OTRA CADENA NUEVA QUE CRECE DE FORMA DISCONTINUA.

Las cadenas nuevas, además de estar fragmentadas, incluyen segmentos de ARN, correspondientes a los primers. Estos deben ser eliminados y reemplazados por ADN; tarea que lleva a cabo la DNA pol I.

Las nuevas cadenas de ADN están fragmentadas y, para dar lugar a una cadena continua, se requiere la actividad de otra enzima, la ligasa, que, como su nombre lo indica, liga los fragmentos de ADN con enlaces fosfodiéster.

Pueden existir más de un ORI (como en el ADN de las células eucariontes) y, en ese caso, “crecen” varias burbujas a la vez que, se van fusionando, a medida que avanzan las helicasas. De esta manera, se va replicando un segmento de ADN a partir de cada ORI, cada uno de los cuales recibe el nombre de replicón. El ADN de las células procariontes, tiene sólo un ORI, por lo tanto, su único cromosoma constituye un replicón.

El ADN de las células eucariontes se encuentra asociado con proteínas básicas, las histonas, de modo tal que se “enrosca” sobre octámeros de estas proteínas. Cuando una burbuja de replicación crece hasta alcanzar el ADN que rodea a un octámero, éste se divide en dos tetrámeros, cada uno asociado a cada una de las moléculas de ADN hijas. Posteriormente, se agregan cuatro histonas más a cada tetrámero, formándose nuevos octámeros.

El resultado de este proceso es un par de moléculas de ADN doble cadena helicoidal, idénticas entre sí e idénticas a la molécula madre, salvo que la DNA pol III no haya “visto” algún nucleótido mal apareado, lo que es muy poco probable. Si esto ocurre, estamos ante una mutación, cuyo efecto puede resultar letal, perjudicial, neutro o beneficioso.

Características de la replicación del ADN:

  • Anabólica: es un proceso de síntesis, endergónico.
  • Bidireccional: la burbuja de replicación crece hacia ambos extremos.
  • Semiconservativa: cada molécula hija posee una cadena nueva y una proveniente de la molécula madre; o sea, cada molécula hija conserva una cadena original.

Replicación del ADN en procariontes y eucariontes

El ADN procarionte, a diferencia del eucarionte, no se encuentra “enroscado” sobre octámeros de histonas; por otro lado, el cromosoma bacteriano es único y circular. Esto provoca que el proceso replicativo tenga algunas diferencias con respecto al de los eucariontes.

El origen de replicación es único y el cromosoma bacteriano constituye un único replicón. A partir de este único ORI comienzan a separarse las cadenas, se forma la única burbuja de replicación que crecerá sin detenerse hasta terminar de replicar el cromosoma en un punto diametralmente opuesto al ORI. A medida que la burbuja avanza se forma una estructura que tiene el aspecto de la letra griega theta, lo que se conoce como forma theta.

El ADN eucarionte presenta varios orígenes de replicación, y las burbujas que se van formando a partir de cada uno de ellos lo hacen asincrónicamente.