REPLICACIÓN DEL ADN

Como dijimos en otras entradas, la molécula de ADN debe de duplicarse para repartirse por igual en cada célula hija en todo proceso de división.

Así, en la fase S de la interfase, tiene lugar este proceso, obteniendo dos copias de material genético idénticas.

Este proceso de replicación es a través de un modelo semiconservativo, es decir, de esas dos moléculas hijas generadas, una hebra o cadena procederá de la molécula madre y la otra será de nueva síntesis o creación.

De esta forma, este paradigma teórico, formulada por Meselson y Stahl en 1957, propone que el ADN madre, integrado por dos cadenas complementarias enrolladas en una doble hélice, se separa en sus dos hebras constituyentes, sirviendo cada una de ellas de molde o de referencia para sintetizar su complementaria, la cual se crea desde cero y es de nueva generación.

El proceso de replicación del ADN es complejo y se divide en tres etapas bien diferenciadas:

• Iniciación: la apertura de la doble hélice, permitiendo el acceso de la maquinaria enzimática de la replicación a cada cadena simple.
• Elongación: síntesis de cadenas complementarias a las hebras originales, que actúan como molde, y corrección de errores (aunque tambie´n existe un mecanismo de corrección posterior, una vez acabada la replicación).
• Terminación: eliminación de cebadores de ARN y la síntesis de sus fragmentos correspondientes en ADN, además del empalme de los fragmentos de la hebra nueva mediante las ligasas.

INICIACIÓN

La replicación del ADN va a comenzar en lo que denominamos “el Origen de Replicación”, lugar en el que se forma un pequeño bucle donde empiezan a separarse ambas hebras de ADN, constituyendo la “Horquilla de Replicación”, una especie de burbuja que crece bidireccionalmente desde el origen, es decir, en ambos sentidos.

Ahora bien, esto suena muy fácil, pero es un poco más complicado, ¿Cómo hace esto?

1. Para formar ese pequeño bucle inicial es necesario la presencia de una maquinaria enzimática que lo forme. Así, con gasto de ATP, entran en juego unas proteínas conocidas como Helicasas que rompen de manera transversal los puentes de hidrógeno que mantienen unidas las bases nitrogenadas. De esta forma, ambas hebras comienzan a separarse.
2. Aunque las cadenas comiencen a disociarse, pueden volver a naturalizarse, intentando tender, otra vez, esos enlaces de hidrógeno una vez haya pasado la Helicasa. Por este motivo se reclutan a las SSB (Single Strand Binding), proteínas de asociación a la cadena simple, que impiden que el ADN se vuelva a naturalizar. Dicho en otras palabras, mantienen separadas ambas cadenas.
3. Por último, si se crea una horquilla en una doble hélice (sea nuestro ADN, una trenza de pelo o una cuerda), en los extremos laterales se incrementa la tensión, dando, como resultado, la compresión, ceñimiento y apretado de esa doble cadena.

Como se puede entender, no es muy interesante que la molécula que almacena nuestra información genética sufra tal estrés, por ello participan las Topoisomerasas, que evitan ese superenrrollamiento generando una serie de cortes para disipar dicha energía. Posteriormente, una vez evitadas las tensiones por medio del corte, vuelven a fusionar los fragmentos.

ELONGACIÓN

Una vez generada la horquilla de replicación y separadas ambas hebras, comienza la síntesis de la nueva cadena de ADN.

Para ello contamos con la ADN polimerasa, una enzima que va a añadir los nucleótidos de la nueva cadena en orden, siendo complementarios a los de la hebra madre.

No obstante, hemos contratado una enzima muy “tiquismiquis” porque siempre necesita de dos condiciones fundamentales:

1. Partir de una secuencia de nucleótidos con extremo 3´ para comenzar su síntesis. Es decir, imaginaros un avión que va a volar, para ello necesita una pista de despegue que le permitiría coger velocidad para el vuelo. En este caso, la ADN polimerasa necesita algo parecido: unos 12-20 nucleótidos, cuyo extremo 3´ libre le permite “coger carrerilla” para desempeñar su función.
2. Solo actúa en sentido 5´→3´. Dicho en otras palabras, solo va a añadir nucleótidos desde el extremo 5´ hacia el 3´, no pudiendo hacerlo en el sentido contrario. 

Ahora bien, si necesitamos partir de una secuencia de nucleótidos que le permita tener un extremo 3´ para la síntesis de la cadena de ADN, ¿de dónde lo sacamos?

Para ello contamos con una ARN primasa, enzima que crea 12-20 nucleótidos de ARN que permite tener ese extremo 3´ para que la ADN polimerasa pueda actuar.

Como es de ARN y queremos hacer una molécula de ADN, es fácilmente comprensible que deberemos de eliminar, en un futuro, dicha secuencia y cambiarla por una de ADN, esto tendrá lugar en la última etapa, la finalización, pero, tranquilos, vamos paso a paso.

Ahora bien, en la etapa de elongación vamos a tener una ligera complicación, debido a los siguientes motivos:

1. Como vimos en la naturaleza del ADN, ambas hebras son antiparalelas, dicho de otra forma, el extremo 5´de una cadena se opone al 3´de su complementaria.
2. La ADN polimerasa es muy “tiquismiquis” solo avanza en sentido 5´→3´.
3. La horquilla va creciendo paulatinamente, es decir, el bucle se hace más grande para replicar todo el material genético.

Con esto, veremos que la síntesis de una cadena, aquella cuyo cebador de ARN tiene el extremo 3´orientado hacia el sentido de avance de la horquilla de replicación, será continua, llamándose hebra líder, conductora o adelantada.

Por el contrario, la otra hebra, de nueva generación, tendrá el extremo 3´del cebador encaminado en el sentido contrario del avance de la horquilla. Este simple hecho hace que, a medida que esta horquilla, bucle o burbuja va creciendo, necesita sintetizar nuevos cebadores. Así, en esta cadena, la síntesis es discontinua, motivo por el que la hebra se llama retardada, fragmentada o retrasada y a cada uno de los fragmentos creados se denomina Fragmentos de Okazaki.

FINALIZACIÓN

Como mencionamos anteriormente, los cebadores son moléculas de ARN y nosotros estamos replicando ADN. Por ello, es necesario eliminar esos cebadores y sintetizar los nucleótidos correspondientes en formato propio del material genético (desoxirribonucleótidos).

Así, una ADN Polimerasa con capacidad exonucleasa (elimina nucleótidos) quita los ribonucleótidos de los cebadores, en sentido 3´→5´.

Posteriormente, esa misma Polimerasa cataliza la formación de la secuencia correspondiente de ADN, en sentido 5´→3´.

Finalmente, actúa una Ligasa que une todos los fragmentos de ADN creados.

CORRECCIÓN DEL ADN

Tanto en el proceso de elongación, como tras el proceso de replicación, es necesario asegurarse que no se ha cometido ningún tipo de error, por ello, las propias ADN Polimerasas pueden detectar tales fallos.

Una vez detectados, entra en juego:

1. Endonucleasas, que cortan el fragmento incorrecto.
2. Exonucleasas, que eliminan la secuencia de bases mal apareada.
3. Polimerasa, que sintetiza correctamente los nucleótidos correspondientes.
4. Ligasas, que unen los fragmentos creados.

Como podemos entender, a pesar de que la ADN Polimerasa comete errores en una proporción muy baja (1 error cada mil millones de bases añadidas) y contamos con un mecanismo de corrección de esas posibles equivocaciones, puede ocurrir que no se reparen.

Esto alteraría nuestro material genético y constituiría una mutación que, si no es deletérea o letal, supone una fuente de variabilidad que es importante para la evolución y ante la supervivencia en un cambio drástico del medio.

DIFERENCIAS ENTRE PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS

Aunque el proceso es semejante en ambas células, existen ligeras diferencias entre Procariotas y Eucariotas:

DIFERENCIAS	EUCARIOTA	PROCARIOTA
ADN POLIMERASAS	5 DIFERENTES	3 DIFERENTES
TIEMPO DE REPLICACIÓN	LENTO, HASTA 50 VECES MÁS QUE EN PROCARIOTAS	RÁPIDA
ORIGEN DE REPLICACIÓN	VARIOS	ÚNICO
FRAGMENTO DE OKAZAKI	10 VECES MÁS PEQUEÑOS	MÁS GRANDES
SÍNTESIS DE HISTONAS	SIMULTÁNEA	NO TIENE HISTONAS