CONCEPTO
Las principales funciones que debe cumplir un cromosoma son la de
replicarse (producir copias de si mismo), la de transmitirse de una célula a
otra y de una generación a la siguiente y la de expresar la información que
contiene. El significado genético de la replicación es el de conservar la
información información genética, de manera que cuando una bacteria se divide,
de lugar a una bacteria hija que contenga la misma información genética. En
organismos eucariontes el significado de la división celular es el mismo, una
célula cuando se divide origina dos células hijas idénticas con la misma
información genética.
TIPOS
Modelo Semiconservativo: Cuando Watson y Crick (1953) propusieron el
modelo de la Doble Hélice indicaron que dicho modelo sugería una forma sencilla
de replicación. El modelo de replicación propuesto por Watson y Crick suponía
que el ADN doble hélice separa sus dos hebras y cada una sirve de molde para
sintetizar una nueva hebra siguiendo las reglas de complementariadad de las
bases nitrogenadas. Dicho modelo recibión el nombre de Semiconservativo, ya que
las dos dobles hélices recién sintetizadas poseen una hebra vieja (una mitad
vieja) y otra hebra nueva (mitad nueva).
Frente al modelo Semiconservativo propuesto por Watson y Crick (1953) se
postularon otros posibles modelos de replicación del ADN, uno de ellos se
denominó Modelo Conservativo y otro Modelo Dispersivo.
Modelo Conservativo: cuando el ADN doble hélice se replica se producen
dos dobles hélices, una de ellas tienen las dos hebras viejas (esta intacta, se
conserva) y la otra doble hélice posee ambas hebras de nueva síntesis.
Modelo Dispersivo: Cuando el ADN doble hélice se replica se originan dos
dobles hélices, cada una de ellas con hebras que poseen tramos viejos y tramos
de nueva síntesis en diferentes proporciones.
PROCESO
La enzima que lleva a cabo la replicación del ADN es la ADN polimerasa,
esta enzima tiene unos requerimientos específicos para trabajar, que le imponen
restricciones:
1. Sólo añade nucleótidos en la dirección 5’à 3’.
2. Necesita para poder empezar a copiar y unir nucleótidos un molde de
ADN.
3. Necesita un pequeño trocito de ARN al cual unir los nucleótidos, ya
que ella no puede empezar a unir los nucleótidos sin tener una pequeña cadena
ya formada.
4. Utiliza nucleótidos trifosfato.
Dadas las necesidades de esta enzima y sabiendo que la molécula de ADN
está formada por dos hebras antiparalelas, se plantea un problema en la cadena
de ADN que va en la dirección 5’à 3’, porque aquí la enzima estaría trabajando en la dirección contraria,
y sin embargo, se observa que las dos hebras se van replicando.
La solución al dilema la dio el desabrimiento, en 1968, por Okazaki de
unos fragmentos constituidos por unos 50 nucleótidos de ARN y entre 1.000 y
2.000 nucleótidos de ADN, denominados fragmentos de Okazaki. Así se podía
explicar como se copia esta cadena, siendo de forma discontinua en la dirección
5’à 3’ y la otra cadena
de forma continua. También quedaba solucionado el problema de que la enzima
necesitara una cadena de ARN a la cual unir los nucleótidos.
Veamos ahora como se lleva acabo el proceso:
Existe una secuencia de nucleótidos en el ADN llamada origen de
replicación que actúa como señal de iniciación.
- Las cadenas de ADN están
unidas por puentes de hidrógeno, que debemos romper para facilitar la
separación de las cadenas para ser copiadas, esta separación la lleva a
cabo las enzimas helicasas.
- Como el desenrollamiento de
la doble hélice da lugar a superenrollamientos en el resto de la molécula,
capaces de detener el proceso, se hace preciso la presencia de las enzimas
topoisomerasas que eliminen las tensiones en la fibra.
- A continuación, para evitar
que las dos hebras vuelvan a reunirse y formar los puentes de hidrógeno se
colocan unas proteínas llamadas SSB (Single-Strand DNA Binding proteins),
que estabilizan las cadenas sencillas.
- El proceso es bidireccional,
es decir, hay una helicasa trabajando en un sentido y otra trabajando en
sentido opuesto. Se forman pues las llamadas burbujas u ojos de
replicación.
- Como ninguna ADN-polimerasa
puede actuar sin cebador, interviene primero una ARN polimerasa (primasa)
que si lo puede hacer, sintetiza un corto fragmento de ARN de unos 10
nucleótidos denominado primer que actúa como cebador.
- Después interviene la ADN
polimerasa III, que a partir de este cebador comienza a sintetizar en
dirección 5’a 3’ una hebra de ADN partir de nucleótidos trifosfato. La
energía necesaria para el proceso es aportada por los propios nucleótidos
que pierden dos de sus fósforos. Esta nueva hebra se sintetiza en el
sentido que se abre la horquilla de replicación, es de crecimiento
continuo y se denomina hebra conductora.
- Sobre la otra hebra (hebra
discontinua o retardada) la ARN polimerasa sintetiza unos 40 nucleótidos
de ARN en un punto que dista unos 1.000 nucleótidos de la señal de
iniciación. A partir de ellos la ADN polimerasa III sintetiza unos 1.000
nucleótidos de ADN, formándose un fragmento de Okazaki. Este proceso se va
repitiendo a medida que se van separando las dos hebras patrón.
- A continuación interviene la
ADN polimerasa I, que, primero, gracias a su función exonucleasa, retira
los segmentos de ARN, y que luego, gracias a su función polimerasa,
rellena los huecos con nucelótidos de ADN.
- Finalmente la ADN ligasa
unirá los dos extremos, tanto en la cadena continua como los sucesivos
fragmentos de Okazaki que se van formando en la cadena discontinua.
Cuando se observa como se produce la replicación se ve que la cadena
continua va más rápida que la discontinua, esto es debido a que cada vez que se
forma un fragmento de Okazaki hay que realizar todo este proceso como si se
comenzara la síntesis de nuevo, formando el primer y el resto de pasos, sin
embargo, en la continua solo se realizará una vez.
REPLICACION DEL ADN EN EUCARIOTAS
La replicación se lleva a cabo gracias a la ADN polimerasa III, esta
enzima cataliza la unión de los desoxinucleótidos trifosfato que son abundantes
en el fluido del núcleo celular.
Estos desoxinucleótidos trifosfato se desplazan hacia la parte
desenrollada de la molécula de ADN y se colocan por complementariedad enfrente
de la base que les corresponde (A=T; C=G) de la cadena que actúa como molde, y
una vez que están en el sitio adecuado se unen entre si por acción de la
polimerasa III. La adición de dos unidades nucleótidicas consecutivas tiene
lugar mediante la unión del grupo hidroxilo del carbono 3`de un nucleótido con
el grupo fosfato del extremo 5`del siguiente.
El mecanismo por el que se produce esta unión es un ataque nucleofílico
del grupo 3`-OH de un nucleótido al 5`-trifosfato del nulceótido adyacente,
eliminándose el pirofosfato y formándose un enlace fosfodiéster. La polimerasa
lee la hebra que hace de molde en el sentido 3`→ 5` y sintetiza la nueva hebra
en el sentido 5`→ 3`. Esta enzima necesita para iniciar la síntesis un pequeño
fragmento de nucleótidos que denominamos cebador.
En la síntesis del cebador interviene un tipo de ARN polimerasa
denominado primasa. Durante el proceso de replicación, una de las cadenas madre
se lee “bien” (en sentido 3`→ 5`) y, por lo tanto, la nueva cadena se sintetiza
de corrido (hebra conductora), pero la otra está dispuesta en sentido contrario
al que la polimerasa puede leer (hebra retardada). La solución a este problema
es sintetizar la cadena en pequeños fragmentos en el sentido 5`→ 3`.
Los cebadores son luego eliminados por la acción exonucleasa de la ADN
polimerasa tipo I y los nuevos fragmentos resultantes son unidos por la acción
de la ligasa, que elimina las mellas que quedan entre fragmentos.
- Apertura de la doble hélice del ADN por acción de las helicasas.
- Sintesis de los cebadores para que la ADN polimerasa pueda actuar. Las
enzimas implicadas denominan primasas.
- Se inicia la polimerización por acción de la ADN polimerasa III -
Cuando se alcanza el cebador del fragmento sintetizado anteriormente la
Polimerasa I sustituye a la Pol III y, haciendo uso simultáneo de sus
actividades exonucleasa (degradadadora de nucleótidos) y polimerasa, va
sustituyendo los cebadores por el ADN correspondiente.
- Las ligasas cierran las mellas que hay entre cada dos fragmentos.
