La replicación del ADN

¿Porqué se replica el ADN?

El ácido desoxirribonucleico, es decir el ADN (DNA es su acrónimo en inglés), constituye la identidad de cada célula, pues es su material genético. Cuando una célula se divide para formar dos células, ya sea mediante mitosis o por meiosis, las biomoléculas y los organelos deben duplicarse para constituir cada nueva célula. En las células eucariontes, el ADN se encuentra dentro del núcleo de la célula, y debe replicarse en forma exacta para garantizar que las dos nuevas células sean idénticas a la que las originó, y también que tengan el número correcto de cromosomas. El proceso de duplicación del ADN se denomina replicación; es un proceso esencial en el crecimiento y reproducción de las células, así como en los procesos de reparación celular. El proceso de replicación del ADN tiene varios pasos e involucra a diversas proteínas llamadas enzimas de replicación, y también al ARN, el ácido ribonucleico. En las células eucariotas, las células que componen los animales y los vegetales, la replicación del ADN se produce en la fase S del ciclo celular.

Estos son los aspectos claves de la replicación del ADN:

• El ácido desoxirribonucleico, comúnmente conocido como ADN, es un ácido nucleico que tiene tres componentes principales: un azúcar, la desoxirribosa; un grupo fosfato; y una base nitrogenada.
• Dado que el ADN contiene el material genético de un organismo, es importante que se copie en forma exacta cuando una célula se divide. El complejo proceso bioquímico que da lugar a la copia del ADN se llama replicación.
• La replicación implica la producción de cadenas idénticas de ADN a partir de una molécula de ADN de doble hélice.
• Las enzimas son vitales para la replicación del ADN, ya que catalizan pasos muy importantes del proceso.
• El proceso general de replicación del ADN es extremadamente importante tanto para el crecimiento celular como para la reproducción de los organismos. También es vital en el proceso de reparación celular.

La estructura del ADN

El ADN o ácido desoxirribonucleico es un tipo de molécula conocida como ácido nucleico. Está compuesto por la desoxirribosa, un azúcar que tiene cinco átomos de carbono (C₅H₁₀O₄), un fosfato y una base nitrogenada. El ADN está compuesto de dos cadenas de ácido nucleico en forma de espiral que se enlazan formando una hélice doble. La forma de hélice entrelazada permite que el ADN sea una molécsustancia que se llama cromatina y que es el componente de los cromosomas. Antes de la replicación del ADN, la cromatina se despliega permitiendo que actúen los procesos de replicación celular de las cadenas de ADN.

Preparándose para la replicación

Paso 1: formación de la horquilla de replicación

Antes de que se inicie el proceso de replicación del ADN, las dos cadenas entrelazadas que lo componen deben separarse. El ADN está compuesto por cuatro bases llamadas adenina (A), timina (T), citosina (C) y guanina (G), organizadas en pares que unen entre sí las dos cadenas, formando puentes. La adenina se une solo con la timina, y la citosina solo se une con la guanina. Para separar las dos cadenas de ADN estos puentes formados por las bases deben romperse. Este proceso lo realiza una enzima conocida como ADN helicasa. La ADN helicasa interrumpe secuencialmente el enlace de hidrógeno que une las base que forman cada puente entre las dos cadenas, separándolas y, durante el proceso, transformando la doble hélice en un conjunto con una bifurcación en forma de Y conocido como horquilla de replicación, como se muestra en la figura. Cada cadena así separada será el molde que siga la replicación del ADN.

Como consecuencia de la separación de las cadenas y teniendo en cuenta que las bases que forman los puentes son diferentes en cada cadena, cada una tendrá un composición diferente después de la división. El extremo del puente que queda en cada cadena tras la separación se expresa como 5′ o 3′. El extremo 5′ tiene un grupo fosfato (P) mientras que el extremo 3′ tiene un grupo hidroxilo (OH). Esta direccionalidad es importante en el proceso de replicación, ya que se produce solo en la dirección de 5′ a 3′. Sin embargo, como se dijo, la bifurcación de la división genera extremos diferentes en cada cadena. Una cadena estará orientada en la dirección de 3′ a 5′, la cadena principal, mientras que la otra estará orientada de 5′ a 3′, la cadena retrasada. Por lo tanto, las dos cadenas se replicaran con dos procesos diferentes para adaptarse así a la diferencia generada en la división.

Comienza la replicación

Paso 2: unión de iniciación

La cadena principal es la más sencilla de replicar. Una vez que las cadenas de ADN se han separado, un fragmento corto de ARN, una molécula de iniciación, se une al extremo 3′ de la cadena, siendo el punto de partida de la replicación. Estas moléculas de iniciación son generadas por la enzima ADN primasa.

Replicación del ADN: elongación

Paso 3: elongación

Las enzimas conocidas como ADN polimerasas son las encargadas de crear la nueva cadena mediante un proceso llamado elongación. Hay cinco tipos diferentes de ADN polimerasas tanto en bacterias como en células humanas. En bacterias como la E. coli, la polimerasa III es la principal enzima de replicación, mientras que las polimerasa I, II, IV y V son responsables de la verificación y reparación de los errores que se produzcan en la cadena. La ADN polimerasa III se une a la cadena en el sitio de iniciación y comienza a agregar nuevos pares de bases complementarios a la cadena que replica. En las células eucariotas, las polimerasas alfa, delta y épsilon son las principales polimerasas implicadas en la replicación del ADN. Debido a que la replicación avanza en la dirección 5′ a 3′ en la cadena principal, la nueva cadena se forma de manera continua.

La cadena retrasada comienza la replicación a partir de múltiples iniciadores. Cada iniciador está separado por varias bases. La ADN polimerasa va agregando trozos de ADN, llamados fragmentos de Okazaki, a los tramos de cadena ubicados entre los iniciadores. Así pues, el proceso de replicación es discontinuo, ya que se alterna en los tramos de cadena entre los iniciadores.

Paso 4: terminación

Una vez que se forman las cadenas continuas y discontinuas, una enzima llamada exonucleasa elimina todos los iniciadores de ARN de las cadenas originales. A continuación estos iniciadores se reemplazan con las bases correspondientes. Otra exonucleasa corrige el ADN recién formado para verificarlo, eliminando y reemplazando cualquier error que se haya producido en el proceso. Otra enzima llamada ADN ligasa une los fragmentos de Okazaki formando una sola cadena. Los extremos del ADN lineal presentan un problema, ya que la ADN polimerasa solo puede agregar nucleótidos en la dirección 5′ a 3′. Los extremos de las cadenas parentales consisten en secuencias de ADN repetidas llamadas telómeros. Los telómeros actúan como tapas protectoras al final de los cromosomas para evitar que se fusionen los cromosomas cercanos . Un tipo especial de enzima ADN polimerasa llamada telomerasa cataliza la síntesis de secuencias de telómeros en los extremos del ADN. Una vez completa, la cadena madre y su cadena de ADN complementaria se enlazan en la conocida forma de doble hélice. Al final del proceso de replicación se producen dos moléculas de ADN, cada una con una cadena de la molécula original y una nueva cadena producida en el proceso de replicación.

Enzimas de replicación

La replicación del ADN no se produciría sin la participación de las enzimas que catalizan varios pasos del proceso. Las principales enzimas que participan en el proceso de replicación del ADN eucariota son:

• ADN helicasa: despliega y separa la doble cadena de ADN a medida que se mueve a lo largo de la molécula. Forma así la horquilla de replicación al romper los enlaces de hidrógeno que forman los puentes entre pares de nucleótidos del ADN.
• ADN primasa: un tipo de ARN polimerasa que genera iniciadores del proceso. Los iniciadores son moléculas cortas de ARN que actúan como moldes en el punto de partida de la replicación del ADN.
• ADN polimerasas: sintetizan nuevas moléculas de ADN agregando nucleótidos a las cadenas de ADN principal y retardada.
• Topoisomerasa o ADN girasa: despliega y entrelaza las cadenas de ADN para evitar que el ADN se enrede.
• Exonucleasas: grupo de enzimas que eliminan las bases de nucleótidos del extremo de una cadena de ADN.
• ADN ligasa: une los fragmentos de ADN formando enlaces fosfodiéster entre nucleótidos.

Resumen

La replicación del ADN es un proceso que genera cadenas de ADN idénticas a partir de una sola molécula de ADN de doble hélice. Cada nueva molécula de ADN consta de una cadena de la molécula original y una cadena formada en el proceso de replicación. Antes de la replicación, el ADN se despliega y las cadenas de la doble hélice se separan. Se forma una bifurcación de replicación en forma de Y que sirve como modelo para la replicación. Las moléculas iniciadores se unen a las cadenas de ADN separadas, y las ADN polimerasas agregan nuevas secuencias de nucleótidos en la dirección 5′ a 3′.

Esta incorporación de nucleótidos es continua en la cadena principal y fragmentada en la cadena retardada. Una vez que se completa la elongación de las cadenas de ADN, se comprueba que las nuevas cadenas no tengan errores, se realizan las reparaciones que sean necesarias y se agregan secuencias de telómeros a los extremos del ADN.

Fuente

• Reece, Jane B., and Neil A. Campbell. Campbell Biology. Benjamin Cummings, 2011.
• Lehninger. Principios de Bioquímica – Omega, 6ª Edición 2014