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¿Qué es la replicación del ADN?

El ADN, abreviatura de ácido desoxirribonucleico, es el material autorreplicante que está presente en casi todos los organismos vivos como componente principal de los cromosomas. Es el portador fundamental de la información genética, presente en prácticamente todas las células de su cuerpo.

El ADN de doble hélice está formado por dos hebras asimétricas. Cada hebra está formada por nucleótidos alineados uno tras otro, y estos nucleótidos están unidos a los correspondientes en la otra hebra para crear una estructura en forma de escalera. El ADN se compone de cuatro nucleótidos, los componentes básicos de los ácidos nucleicos que se componen de una base nitrogenada, un azúcar de cinco carbonos (ribosa o desoxirribosa) y al menos un grupo fosfato.

La adenina (A), la timina (T), la guanina (G) y la citosina (C) se denominan nucleótidos. A y G se llaman purinas mientras que T y C se llaman pirimidinas. De acuerdo con las reglas del emparejamiento de bases, A siempre se empareja con T y C siempre se empareja con G.

Antes de que una célula se duplique o se divida, ya sea por mitosis o meiosis, el ADN debe replicarse para garantizar que cada nueva célula reciba el número correcto de cromosomas. Este proceso ocurre en todos los organismos vivos y es la base de la herencia biológica.

La replicación del ADN ocurre en varios pasos que involucran múltiples proteínas llamadas enzimas de replicación, así como el ARN. La replicación del ADN es vital para el crecimiento, la reparación y la reproducción celular en los organismos.

pasos de replicación del ADN

Hay tres pasos principales para la replicación del ADN: iniciación, elongación y terminación.

Para encajar dentro del núcleo de una célula, el ADN se empaqueta en estructuras estrechamente enrolladas llamadas cromatina, que se afloja antes de la replicación, lo que permite que la maquinaria de replicación celular acceda a las hebras de ADN.

Antes de que pueda comenzar la replicación del ADN, la estructura de doble hélice de las moléculas de ADN debe descomprimirse. La helicasa, una enzima, es parte integral de este proceso, rompiendo los enlaces de hidrógeno que mantienen unidas las bases complementarias del ADN (A con T y C con G). La separación crea una forma de Y llamada horquilla de replicación y las dos hebras individuales de ADN ahora actúan como plantillas para hacer nuevas hebras de ADN.

A continuación, la proteína de unión al ADN monocatenario (proteína SSB) se une al ADN ahora monocatenario, evitando que las cadenas que se separan se vuelvan a unir.

Las dos hebras del ADN de doble hélice están unidas por barras cruzadas, retorcidas. Para que esto funcione, cada hebra de ADN corre en la dirección opuesta.

Replicación de hebras principales y rezagadas de ADN. Crédito: Genoma Research Limited.

Una de las cadenas está orientada en la dirección 3 a 5 (hacia la horquilla de replicación), esta es la cadena principal. La otra hebra está orientada en la dirección 5 a 3 (lejos de la horquilla de replicación), esta es la hebra rezagada.

Debido a que la enzima que lleva a cabo la replicación, la ADN polimerasa, solo funciona en la dirección 5 a 3, esto significa que las hebras hijas se sintetizan a través de diferentes métodos, uno agregando nucleótidos uno por uno en la dirección de la horquilla de replicación, el otro capaz de añadir nucleótidos sólo en trozos. La primera cadena, que replica los nucleótidos uno por uno, es la cadena principal; la otra hebra, que se replica en fragmentos, es la hebra rezagada.

Las notaciones 5 y 3 significan cinco primos y tres primos, que indican los números de carbono en la columna vertebral de azúcar del ADN. Estos números indican la orientación química de extremo a extremo, y los números 5 y 3 representan el quinto y tercer átomo de carbono del anillo de azúcar, respectivamente. El 5º carbono tiene un grupo fosfato unido a él y el 3º carbono un grupo hidroxilo (-OH). Es esta asimetría la que le da una dirección a una hebra de ADN, lo que permite una fácil unión entre los nucleótidos de las hebras opuestas.

Es importante tener en cuenta que los dos lados se replican a través de dos procesos diferentes para adaptarse a la diferencia direccional.

Filamento principal Hebra rezagada
Un trozo corto de ARN llamado cebador, que es producido por una enzima llamada primasa, se une al extremo de la cadena principal en la dirección 5 a 3. El cebador actúa como punto de partida para la síntesis de ADN.

Las enzimas llamadas polimerasas de ADN generan nuevas bases de nucleótidos complementarias (A, C, G y T) y son responsables de crear la nueva hebra mediante un proceso llamado elongación. En las células eucariotas, las polimerasas alfa, delta y épsilon son las principales polimerasas implicadas en la replicación del ADN.

Este tipo de replicación se llama continua.

La hebra retrasada comienza el proceso de replicación uniéndose a múltiples cebadores de ARN, generados por la enzima primasa, en varios puntos a lo largo de la hebra retrasada.

Se agregan trozos de ADN, llamados fragmentos de Okazaki, a la hebra rezagada entre los cebadores, también en la dirección 5 a 3.

Este tipo de replicación se denomina discontinua, ya que los fragmentos de Okazaki deberán unirse más adelante.

Después de la formación de las cadenas continua y discontinua, una enzima llamada exonucleasa elimina todos los cebadores de ARN de las cadenas originales. Los huecos donde había estado el (los) cebador(es) se llenan luego con nucleótidos aún más complementarios.

Otra enzima corrige las hebras recién formadas para asegurarse de que no haya errores.

La enzima ADN ligasa luego une los fragmentos de Okazaki, formando una sola hebra unificada.

Un tipo especial de enzima ADN polimerasa llamada telomerasa cataliza la síntesis de secuencias de telómeros en los extremos del ADN. Los telómeros son regiones de secuencias de nucleótidos repetitivas en cada extremo de una cromátida, que protege el extremo del cromosoma del deterioro o de la fusión con los cromosomas vecinos. Piensa en las gorras con cordones. Los telómeros también son un biomarcador del envejecimiento, acortándose los telómeros con cada división celular o, dicho de otro modo, a medida que se avanza en edad. A medida que los telómeros de una célula se acortan, pierde su capacidad de funcionar normalmente. Básicamente, los telómeros más cortos lo hacen más susceptible a una serie de enfermedades, como el cáncer o las enfermedades cardiovasculares.

Finalmente, la hebra principal y su hebra de ADN complementaria se enrollan en la forma familiar de doble hélice. El resultado son dos moléculas de ADN que consisten en una cadena de nucleótidos nueva y otra vieja. Cada una de estas dos hélices hijas es una copia casi exacta de la hélice parental (no es 100% igual debido a las mutaciones).

El genoma humano, es decir, el conjunto completo de genes presentes en el núcleo de una célula, está compuesto por 3 mil millones de pares de bases. Sorprendentemente, se necesita muy poco tiempo para que nuestra maquinaria biológica copie algo tan largo. ¡Cada célula completa todo el proceso en solo una hora!

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