Rubén Megía González
En publicaciones anteriores hablábamos del ciclo celular y la importancia de la mitosis y la meiosis en los organismos vivos. Hoy quiero hablaros de un mecanismo bioquímico imprescindible para todos estos procesos biológicos que os comentábamos anteriormente. Se trata de la replicación del ADN, un mecanismo a través del cual las células son capaces de duplicar su material genético. ¿Quieres saber más? ¡Allá vamos, pero antes, recordemos algunas nociones básicas sobre el ADN!
Estructura del ADN
El ADN, la “molécula de la vida” es un ácido nucleico formado unas pequeñas “piezas” bioquímicas, que llamamos “nucleótidos”. Estos nucleótidos, a su vez, están compuestos de tres componentes químicos básicos: un ácido fosfórico, una desoxirribosa y una de las cuatro bases nitrogenadas que puede tener el ADN (adenina, timina, citosina y guanina).
En el ADN, los nucleótidos se encuentran unidos covalentemente entre ellos, formando dos largas cadenas que se “enrollan” sobre sí mismas, formando una gran hélice. Cada una de estas cadenas es complementaria a la otra, es decir, sus nucleótidos son complementarios en cada posición de la molécula (adeninas con timinas y guaninas con citosinas). Ambas cadenas, además, son antiparalelas, es decir, tienen sentidos contrarios. La nomenclatura 5’ (parte de la molécula de ribosa que se une al fosfato) y 3’ (parte de la molécula de ribosa que se une a otro nucleótido) nos ayudan a conocer en qué dirección se encuentra cada cadena.
¡Recordad bien estos datos, porque son súper importantes para comprender la replicación del ADN!
La replicación del ADN: Características principales
La replicación es el proceso mediante el cual una molécula de ADN es duplicada y se obtienen dos moléculas de ADN. Los mecanismos de replicación son importantísimos para el ciclo celular, pues sin ellos sería imposible obtener células idénticas en la mitosis, entre otras cosas.
Las características principales de la replicación del ADN son las siguientes:
La replicación es semiconservativa
Como sabéis, el ADN está formado por 2 cadenas de nucleótidos. Pues bien, en el proceso de replicación del ADN, cada una de las moléculas “hijas” que se sintetizan a partir de una sola molécula “madre” conserva únicamente una de las cadenas originales de la molécula madre. La otra cadena se sintetiza utilizando como “molde” la cadena original conservada.
La replicación comienza en uno o más puntos fijos
Podríamos pensar que la replicación comienza de forma aleatoria, pero no podríamos estar más equivocados. La replicación del ADN comienza siempre en puntos concretos de la molécula llamados orígenes de replicación.
Los orígenes de replicación son unas secuencias concretas del ADN en las que se puede comenzar la replicación. La composición de estas secuencias de nucleótidos y la activación de la replicación son diferentes para bacterias, arqueas y eucariotas. Por ejemplo, en el caso de las bacterias, únicamente encontraremos un origen de replicación, mientras que en arqueas suelen haber diferentes lugares de replicación. En eucariotas, como es el caso de los humanos, encontraremos más de un origen de replicación.
La replicación avanza en forma de horquilla
Como os contaba anteriormente, el ADN es una doble hélice, en el que ambas cadenas emparejan sus bases nitrogenadas complementarias. Estas bases nitrogenadas se encuentran en el centro de la molécula, por lo que no son fácilmente accesibles para los enzimas que se encargan de la replicación del ADN.
Para solucionar este problema, el primer paso en la replicación es separar puntualmente las dos cadenas que conforman la molécula del ADN. Conforme el proceso de replicación avanza, las cadenas se abren, en forma de horquilla, facilitando la acción de las enzimas.
La replicación es bidireccional
Cuando se forma una horquilla de replicación en un origen de replicación, por lo general, no avanza únicamente en una dirección de la cadena, sino que lo hace en ambas direcciones.
En algunas ocasiones la replicación del ADN se produce en una sola dirección. Estos casos tan particulares ocurren en el ADN mitocondrial, algunos plásmidos de bacterias u en algunos fagos monocatenarios.
La replicación es semidiscontinua
Podríamos pensar que la replicación del ADN es algo que se produce de manera continua desde el origen de replicación hasta la finalización de la misma. No obstante, esto no es así. Al menos para una de las cadenas.
Las ADN polimerasas, enzimas que se encargan de la síntesis de las nuevas cadenas de ADN únicamente pueden sintetizar en dirección 5’ → 3’. Esto, para una de las cadenas, es fantástico, porque puede sintetizarse de forma continua. Sin embargo, para la otra es un problemón.
Las células han ingeniado una curiosa forma de sintetizar la nueva cadena de ADN 3’ → 5’: a trocitos. Gracias a este mecanismo, las ADN polimerasas van sintetizando pequeños fragmentos de ADN en la dirección normal (5’ → 3’), que luego otras enzimas, las ADN ligasas, se encargan de unir, formando la nueva cadena. A esta cadena se la conoce como “cadena rezagada”
La replicación en detalle
Una vez conocemos las principales características de la replicación, es hora de conocer más en detalle cómo funciona este mecanismo. El proceso de replicación del ADN se puede dividir en 3 subprocesos: iniciación, elongación y terminación.
Iniciación
Como ya sabéis, la replicación comienza en los orígenes de replicación. En estos puntos del genoma la helicasa, un enzima capaz de romper las uniones entre las bases nitrogenadas de ambas cadenas de ADN, “abre” la doble hélice para permitir la actuación del resto de enzimas. Acto seguido, unas proteínas de unión a cadena simple se unen a cada una de las cadenas, evitando así que las dos cadenas se vuelvan a unir entre ellas.
Aquí nos encontramos un gran problema: los superenrollamientos. Como os comentaba antes, el ADN es una doble hélice y, como tal, si la abrimos por ambos lados, la parte que todavía está cerrada puede enrollarse de forma excesiva, causando graves daños en la molécula de ADN. Las células utilizan un tipo de enzimas, las topoisomerasas, para aliviar este enrollamiento excesivo durante la replicación.
Elongación
Tras la iniciación del proceso replicativo, las ADN polimerasas utilizan las cadenas simples de la molécula madre de ADN para sintetizar, siempre en dirección 5’ → 3’, las nuevas cadenas de ADN. Para ello, es necesario que una enzima, la ADN primasa, le proporcione una secuencia corta de ARN sobre la que sintetizar la nueva cadena. A esta secuencia corta de nucleótidos se le denomina “cebador” o “primer”.
Una vez colocado el cebador, en la cadena adelantada la ADN polimerasa procede de forma normal, hasta conseguir sintetizar toda la nueva cadena de ADN. No obstante, en la cadena rezagada, la cosa se complica un poco más.
En la cadena rezagada, la ADN polimerasa va sintetizando “trocitos” de cadena en dirección 5’ → 3’. A estos fragmentos se los conoce como “fragmentos de Okazaki”. Cuando la ADN polimerasa que está sintetizando uno de estos fragmentos se encuentra con el extremo del siguiente, elimina el cebador y la ADN ligasa une los dos fragmentos de Okazaki en uno solo. Así hasta que se logra sintetizar toda la cadena rezagada.
Terminación
Cuando el genoma ha sido completamente duplicado, las ADN polimerasas eliminan los últimos cebadores y las ADN ligasas terminan de unir los fragmentos de Okazaki restantes. ¡Y ya está! Ahora tenemos dos dobles hélices de ADN, perfectas para el comienzo de una nueva división celular. ¡Eso sí, no sin antes compactarse en forma de cromatina y luego en forma de cromosomas!
A continuación, os dejamos un esquema de todo el proceso, para que os quede más claro:
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