Replicación del ADN

Conoce el proceso molecular mediante el cual la célula es capaz de generar una copia idéntica de su información genética y traspasarla a células hijas.

Las células a lo largo de su existencia realizan una diversidad de procesos para las cuáles se han especializado producto de su diferenciación a nivel embrionario. Estos procesos tienen lugar en el ciclo celular, el cual posee 4 fases: G₁, S, G₂ y M.

Es en la fase S donde se produce la síntesis de ADN, es decir, donde el ADN de una célula “madre” se replica en 2 copias idénticas a su molde originario, para posteriormente ser distribuido en partes iguales a las 2 células “hijas”, en la fase M. Los procesos moleculares mediante los cuáles ocurre esta replicación han sido recientemente dilucidados y los primeros pasos fueron dados por los científicos estadounidenses Matthew Meselson y Franklin W. Stahl, quienes a través de un experimento innovador en 1957 descubrieron que la copia del ADN seguía un patrón semiconservativo, es decir, se mantenía una hebra de ADN procedente de la madre y se formaba una nueva hebra completamente nueva a partir de precursores moleculares. Hasta ese momento, antes del experimento, se barajaban las siguientes posibilidades:

• Modelo de replicación conservativo: propone que el ADN replica a partir de un molde una molécula nueva, de modo que en una célula hija permanece un ADN antiguo y en la otra uno nuevo.
• Modelo de replicación dispersivo: propone que el ADN replica trozos a partir de un molde, generando una molécula híbrida con sectores antiguos y nuevos en ambas hebras y células hijas.
• Modelo de replicación semiconservativo: propone que el ADN replica sólo una de sus hebras, la que usa como molde de síntesis para una hebra completamente nueva, conservando ambas células una hebra antigua de la célula madre y una completamente nueva.

El experimento de Meselson y Stahl consistió a grandes rasgos en hacer crecer en un medio de cultivo enriquecido con isótopos de nitrógeno radioactivo  (¹⁴N y ¹⁵N) cepas de Escherichia coli, el que permite hacer seguimientos moleculares. Estas bacterias al duplicarse ingresarían el nitrógeno radiactivo a la estructura de su ADN (molécula que posee nitrógeno). El seguimiento de este indicador molecular determinó que la replicación seguía el modelo semiconservativo ya que las moléculas de ADN resultantes poseían una hebra con solo ¹⁴N y otra solo con ¹⁵N.

Proceso enzimático de replicación

Cuando el ADN se replica, la doble hebra que forma 1 molécula de ADN se abre en un punto denominado origen de replicación, formando una horquilla o loop (en procariontes hay uno solo por cromosoma, mientras que en eucariontes hay varios por cromosoma) y una serie de enzimas se encargan de iniciar la replicación en ambas hebras. Se dice que la replicación es bidireccional, ya que ocurre en sentido 5’ -> 3’ en ambas hebras (recuerda que las hebras son antiparalelas, es decir, crecen molecularmente en sentidos contrarios).

El proceso de replicación del ADN paso a paso es el siguiente:

• La enzima girasa impide que el ADN se enrede, producto del superenrollamiento producido al abrir la horquilla de replicación.
• La enzima helicasa rompe los puentes de hidrógeno existentes entre las bases nitrogenadas de una hebra y otra, permitiendo el avance de las enzimas replicadoras.
• Las proteínas SSB se unen a las hebras cuyas uniones entre bases nitrogenadas han sido rotas, manteniéndolas separadas e impidiendo que se vuelva a unir prematuramente.
• La enzima ADN polimerasa α sintetiza la nueva hebra de ADN en sentido 5’ -> 3’ a partir de la hebra “molde o templado” 3’ -> 5’ (de manera continua, hebra adelantada). Retira los cebadores de ARN de la hebra discontinua.
• La enzima ADN primasa sintetiza los cebadores de ARN necesarios para iniciar la replicación en la hebra retrasada.
• La enzima ADN polimerasa δ sintetiza la nueva hebra de ADN en sentido 5’ -> 3’ a partir de la hebra “molde o templado” 5’ -> 3’ (de manera discontinua, hebra retrasada), corrige errores al término de la replicación en ambas hebras recién sintetizadas.
• Finalmente, la enzima ligasa forma enlaces fosfodiéster para unir los fragmentos de Okazaki de la hebra retrasada, dándole continuidad a la hebra.

A pesar de la velocidad del proceso de replicación, este es muy eficiente, es decir, posee una tasa de error muy baja, y cuando ocurren, estos son corregidos. La corrección es realizada por la ADN-pol δ , la que identifica la base mal apareada y la reemplaza por la que corresponde. Luego la ligasa llena el espacio dejado en el esqueleto azúcar-fosfato.