La replicación del ADN

Una de las funciones que el ADN garantiza en los seres vivos es la transmisión de la información genética desde una célula a sus descendientes. Para conseguirlo, la célula tiene que sintetizar una molécula de ADN exactamente igual a la que poseía inicialmente. Ese proceso recibe el nombre de replicación o duplicación del ADN.

El proceso de replicación requiere que las dos hebras de la molécula de ADN se separen entre sí, con lo que pueden servir de molde para la elaboración de sendas copias. La fidelidad del proceso de copiado está garantizada por el principio de complementariedad de bases, que en realidad es la expresión de una relación química entre los componentes del ADN: la adenina es capaz de establecer dos enlaces de hidrógeno con la timina, por lo que si ambas bases se encuentran suficientemente cerca se atraerán hasta situarse una frente a la otra. Del mismo modo, la citosina y la guanina pueden formar tres enlaces por puente de hidrógeno, de modo que se atraen entre sí hasta situarse una frente a la otra. Como estas relaciones de complementariedad son únicas (la adenina no establece puentes de hidrógeno con ninguna otra base del ADN, y lo mismo pasa con las demás), la incorporación de nucleótidos a una cadena de ADN es una cuestión de afinidad química.

La replicación da lugar a la formación de dos moléculas de ADN, cada una de las cuales lleva una hebra "antigua" y otra recién formada, razón por la cual se dice que es un proceso "semiconservativo" (porque cada molécula conserva la mitad del material genético de la generación anterior). La hipótesis semiconservativa fue comprobada por Meselson y Stalh, quienes utilizaron para ello ADN marcado con nitrógeno pesado (N¹⁵). En teoría, la replicación podría producirse de tres modos distintos: de forma conservativa (una de las moléculas hijas conserva las dos hebras antiguas, mientras la otra incluye las dos hebras recién formadas), de forma dispersiva (las dos hebras antiguas acaban eliminándose, y las moléculas formadas incluyen solo ADN recién formado) o de forma semiconservativa. El planteamiento de Meselson y Stalh consistió en conseguir bacterias cuyo ADN incluyera exclusivamente nitrógeno pesado, e incubarlas en un medio con nitrógeno normal, que sería el que se incorporara al nuevo ADN. De este modo, el ADN antiguo sería pesado, y el recién formado ligero, y esta diferencia podía detectarse al centrifugar el material genético de las bacterias. Los posibles resultados de ese experimento serían los siguientes:

• Si la replicación fuera conservativa, algunas moléculas de ADN serían pesadas (las antiguas) y otras ligeras (las nuevas), por lo que se apreciarían dos bandas de ADN en la centrifugación.
• Si la replicación fuera dispersiva, todas las moléculas serían ligeras por lo que solo se apreciaría en la centrifugación una banda de ADN poco pesado.
• Si la replicación fuera semiconservativa, todas las moléculas tendrían una densidad intermedia (porque contendrían nitrógeno 14 y nitrógeno 15) y en la centrifugación se apreciaría una sola banda de ADN, en una posición intermedia entre el ADN ligero y el pesado.

La siguiente animación reproduce el experimento y muestra sus resultados.


El proceso molecular de la replicación

El primer paso para que ocurra la replicación del ADN es la separación de sus hebras, lo que da lugar a una "burbuja" en la que las dos hebras están alejadas entre sí. En procariotas esto ocurre a partir de un único punto, el origen de replicación, pero en eucariotas cada cromosoma tiene múltiples orígenes de replicación, por lo que durante la replicación del material genético aparecen varias burbujas de replicación en cada cromosmoma.

 

La formación de las burbujas de replicación requiere la participación de varias proteínas:

• La helicasa se encarga de abrir la doble hélice y separar las hebras entre sí.
• Las topoisomerasas reducen la tensión que sufre la molécula como consecuencia de la torsión necesaria para abrir la doble hélice.
• Las proteínas SSB (Single Strand Binding) se unen a las dos hebras, para mantener estable la separación.

 Cada burbuja de replicación supone la participación de dos moléculas de helicasa, de modo que la burbuja va creciendo en ambas direcciones a medida que avanza el proceso de replicación.

Una vez separadas las dos hebras puede iniciarse la replicación propiamente dicha, lo que supone la unión al ADN de otro conjunto de proteínas que van a formar el llamado "complejo de replicación". Las más importantes de estas proteínas son las siguientes:

• La primasa se encarga de introducir los primeros nucleótidos de cada cadena de ácido nucleico que se va a producir. Curiosamente, se trata de una polimerasa de ARN, por lo que los primeros nucleótidos que se copian van a formar una pequeña cadena de ARN llamada "primer" o cebador que posteriormente deberá ser eliminada.
• La ADN polimerasa III es capaz de leer una hebra de ADN que actúa como molde, añadiendo desoxirribonucleótidos a la cadena en formación. Esta enzima es la responsable del crecimiento de la cadena pero, como se ha dicho previamente, necesita que exista una cadena de nucleótidos a la que añadir más monómeros. Esta es la razón de que sea necesaria la primasa.
• La ARNasa H elimina los cebadores de ARN.
• La ADN polimerasa I rellena los huecos dejados en las cadenas por la eliminación de los cebadores.
• La ADN ligasa une los fragmentos de ADN que han sido sintetizados.

Cada burbuja de replicación consta de dos horquillas de replicación, en cada una de las cuales se une una helicasa. Además, en cada una de las horquillas de replicación se copian simultáneamente las dos cadenas de ADN, por lo que en cada burbuja se llevan a cabo simultáneamente cuatro procesos de replicación.

La ADN polimerasa III solo lee la cadena molde en dirección 3' →5', lo que hace que avance en direcciones opuestas en las dos hebras que está copiando. En una de las hebras, el complejo de replicación avanza siguiendo a la helicasa, en su misma dirección, por lo que va encontrando espacio sin dificultad. Esta hebra se denomina "conductora", y en ella la replicación ocurre de modo continuo. Sin embargo en la otra hebra las enzimas que llevan a cabo el proceso de replicación deben hacerlo alejándose de la helicasa, en dirección contraria a la de su avance. Para ello, la ADN polimerasa III se sitúa cerca de la helicasa y avanza alejándose de ella, pero simultáneamente la helicasa va abriendo la hélice por detrás de la polimerasa, con lo que queda un fragmento de ADN de una sola hebra sin replicar. Para copiar este fragmento, la polimerasa vuelve a unirse al ADN cerca de la nueva posición de la helicasa. De este modo, la replicación en esta hebra va avanzando "a saltos", en un proceso denominado replicación discontinua.

Los fragmentos sintetizados en cada paso de replicación en la hebra retardada constan de un cebador de ARN y una cadena de ADN, y reciben el nombre de fragmentos de Okazaki en honor a su descubridor. Dichos fragmentos son adyacentes, pero no están unidos entre sí.

Cuando finaliza la replicación propiamente dicha, la molécula recién sintetizada es un "híbrido" formado por un fragmento de ARN (el cebador) y una cadena de ADN. En el caso de la hebra retardada, además, no es una única molécula, sino varios fragmentos. El producto final del proceso, sin embargo, es una molécula de ADN. El proceso para obtener dicha molécula es el siguiente:

• La ARNasa H elimina los ribonucleótidos que constituyen los cebadores, dejando huecos en el extremo de los fragmentos de ADN.
• La ADN polimerasa I, distinta a la que ha intervenido anteriormente, rellena los huecos dejados por la ARNasa H
• En la hebra retardada, la ADN ligasa une entre sí los fragmentos de Okazaki.