Proceso de replicación del ADN

» Artículo con una detallada descripción del proceso de replicación tanto en organismos procariotas como eucariotas. En este podrás descubrir todas las proteínas implicadas en proceso y el resultado del mismo.

Replicación y transcripción

Cuando se descubrió la estructura del ADN, allá por los años 50, aún quedaba por delante un proceso lento y minucioso para conseguir entender cómo se transmite toda la información contenida en el ADN de las células madre a las células hijas. Con las sugerencias que los mismos descubridores dieron, se llegó a la conclusión de que la replicación del ADN es semiconservativa. ¿Quiere saber más a cerca de este proceso? Sigue leyendo…

Replicación del ADN

La replicación del ADN es el proceso mediante el cual se obtienen dos copias idénticas de una molécula de ADN. Cuando se produce la división celular, para que las dos células hijas tengan toda la información genética de la célula madre, es necesario que se duplique el genoma de esta.

En el año 1953, Watson y Crick describieron la estructura del ADN y sugirieron una forma de duplicación del material genético. Es importante recordar que las bases nitrogenadas están enfrentadas en el ADN por la complementariedad de los puentes de hidrogeno, A-T, G-C. Por lógica, se piensa que al separarse las dos cadenas del ADN se unen específicamente los nucleótidos complementarios, delante de A se situaría una T, delante de C una G, etc. Y finalmente, se forman los enlaces fosfodiéster entra cada una de las cadenas de ADN. A esta conclusión llegaron Watson y Crick, denominándola replicación semiconservativa.

Replicación semiconservativa: concepto y demostración.

La replicación semiconservativa del ADN es aquella en la que una molécula hija está formada por una cadena de la molécula madre –que actúa de molde – y una cadena de nueva síntesis.

Para poder confirmar esta hipótesis Meselson y Stahl,en 1958, llevaron a cabo un experimento con Escherichia coli. En él, cultivaban esta bacteria en un medio con 15N, un isótopo con mayor masa que el nitrógeno que se encuentra en la naturaleza, 14N. Las bacterias obtenidas de este experimento tenían una densidad superior a la normal. Posteriormente, estas bacterias las cultivaron en un medio normal y cuando se formó una nueva generación celular, mediante centrifugación, consiguieron separar las moléculas de ADN según su densidad. Los resultados obtenidos de este experimento, fue que el ADN de las células hijas tenía una densidad intermedia entre el ADN normal y el ADN con 15N.

Siguieron cultivando, y en la segunda generación con presencia del nitrógeno normal, por centrifugación, obtuvieron una banda de densidad intermedia y otra correspondiente a las moléculas con 14N. Con esto, se demostró que la replicación es un proceso semiconservativo.

Replicación en procariotas

Acción de las ADN polimerasas

Las ADN polimerasas son las enzimas encargadas de llevar a cabo la síntesis de la nueva cadena de ADN, catalizando la formación de los enlaces éster entre nucleótidos consecutivos. Para realizar su acción necesitan la presencia de un cebador, que consiste en un fragmento de cadena preexistente sobre el cual añaden en el extremo 3’ los nucleótidos complementarios a la cadena que actúa como molde.

Hay descritas tres ADN polimerasas distintas en E. coli, Pol I, Pol II y Pol III. La Pol III es la enzima que se encarga de la replicación in vivo, pero esta no actúa sola, sino que está asociada a otras enzimas y proteínas.

Durante la replicación en primer lugar, actúa la girasa encargada de desenrollar el ADN. A continuación, la helicasa rompe los puentes de hidrogeno que une las dos cadenas del ADN y las separa. A estas hebras de simple cadena se unen las proteínas SSB para estabilizarlas. Además, otra enzima denominada primasa actúa para sintetizar el RNA cebador, sobre el cual se unirá la Pol III y empezarán la síntesis de la cadena complementaria. Finalmente, la ligasa suelda los fragmentos adyacentes formando un enlace éster.

Replicación en procariotas

En los organismos procariotas la replicación es bidireccional. La replicación empieza en un punto del ADN denominado origen de replicación, a partir del cual las dos cadenas del ADN se separan y la replicación avanza en los dos sentidos, copiando al mismo tiempo las dos cadenas.

Para que se pueda llevar a cabo la replicación bidireccional es necesario que haya dos complejos enzimáticos que avancen en las dos direcciones y que copien al mismo tiempo las dos cadenas de ADN. Estos complejos enzimáticos incluyen todas las enzimas y proteínas enumeradas anteriormente para desenrollar y separar las cadenas, estabilizarlas y sintetizar el cebador.

En este proceso, hay un problema con el funcionamiento de las polimerasas ya que estas enzimas funcionan siempre añadiendo nucleótidos en el sentido 5’-3’. Esto quiere decir, que leen la cadena molde en el sentido 3’-5’, pero las cadenas del ADN son complementarias por lo que tienen polaridad opuesta (una tiene el sentido 5’-3’ y la otra 3’-5’). ¿Cómo es posible que sea bidireccional si las polimerasas solo funcionan en un sentido? Okazaki descubrió en 1968 que en las células durante la replicación hay fragmentos formados por cadenas de RNA que en su extremo 3’ llevan unida una cadena más larga de ADN. Estas cadenas hibridas de RNA-ADN se denominaron fragmentos de Okazaki.

Por tanto, para llevar a cabo la replicación bidireccional se forman las denominadas horquillas de replicación. Durante la replicación, una cadena se replica continuamente en la cual la primasa solo funciona una vez. Mientras que en la otra cadena la replicación es discontinua con la formación de los fragmentos de Okazaki, la primasa debe sintetizar el cebador y la Pol III añade nucleótidos en el extremo 3’ hasta completar el fragmento de Okazaki, y así continuamente con cada fragmento a lo largo de la cadena. Finalmente, la ligasa une cada uno de los fragmentos obtenidos de la cadena que se replica de forma discontinua.

Replicación en eucariotas

La replicación en eucariotas se realiza de forma similar a la explicada anteriormente en procariotas, pero con algunas pequeñas diferencias. En primer lugar, dado que el ADN en eucariotas forma parte de la cromátida, el proceso es más lento porque hay que desmontar los octámeros de histonas. Además, cuando se replica el ADN, también es necesario duplicar las moléculas de histonas para reestablecer la estructura de la cromátida. Otro problema, es que la molécula de ADN es más larga y se replica más lenta, por lo que a lo largo de la molécula hay diversos puntos iniciales de replicación. Y, por último, hay dos diferencias importantes, las ADN polimerasas son más complejas que en procariotas y el tamaño de los fragmentos de Okazaki es menor.

Formación del replisoma

Reparación del ADN

Pese a que la replicación es un proceso muy minucioso en el que las polimerasas tienen muy pocos errores, estos igualmente pueden ocurrir. Para solucionar estos errores, proceso crucial para la supervivencia de los organismos, existe un mecanismo de reparación del ADN.

Una endonucleasa reconoce los errores en la cadena nueva, en los puntos en los que se ha introducido un nucleótido que no corresponde, y rompe el enlace fosfodiéster. La ADN Polimerasa I, elimina el nucleótido incorrecto y añade el correcto. Finalmente, la ADN ligasa cierra el corte.

Bibliografía:

  • García, M.; García, M.A. &Furió, J. (2010). Biologia. 2n de Batxillerat. Paterna: Editorial Ecir.
  • NIH. (22 de marzo de 2021). Replicación del ADN.