El proceso de replicación de ADN es el mecanismo que permite al ADN duplicarse (es decir, sintetizar una copia idéntica). De esta manera, de una molécula de ADN única, se obtienen dos «clones». Esta duplicación del material genético se produce de acuerdo con un mecanismo semiconservador: las dos cadenas complementarias del ADN original, al separarse, sirven de molde cada una para la síntesis de una nueva cadena complementaria. Cada nueva doble hélice contiene una de las cadenas del ADN original. Gracias a la complementariedad entre las bases que forman la secuencia de cada cadena, el ADN tiene la importante propiedad de reproducirse idénticamente, lo que permite que la información genética se transmita de una célula madre a las células hijas y es la base de la herencia del material genético.
Mecanismo de Replicación
La molécula de ADN se abre como una cremallera por ruptura de los puentes de hidrógeno entre las bases complementarias, liberando dos hebras. La ADN polimerasa sintetiza la mitad complementaria añadiendo nucleótidos que se encuentran dispersos en el núcleo. De esta forma, cada nueva molécula es idéntica a la molécula de ADN inicial.
La replicación empieza en puntos determinados: los orígenes de replicación. Las proteínas iniciadoras reconocen secuencias de nucleótidos específicas en esos puntos y facilitan la fijación de otras proteínas que permitirán la separación de las dos hebras de ADN, formándose una horquilla de replicación. Un gran número de enzimas y proteínas intervienen en el mecanismo molecular de la replicación, formando el complejo de replicación o replisoma. Estas proteínas y enzimas son homólogas en eucariotas y arqueas, pero difieren en bacterias.
ADN Polimerasa
La ADN polimerasa es la enzima que cataliza la síntesis de la nueva cadena de ADN a partir de desoxirribonucleótidos y de la molécula de ADN plantilla o molde. La enzima copia la cadena de nucleótidos de forma complementaria (A por T, C por G) para dar a cada célula hija una copia del ADN durante la replicación.
Modo de operación
En cada horquilla de replicación, la ADN polimerasa y otras enzimas sintetizan dos nuevas cadenas de ADN complementarias a las dos cadenas originales. La ADN polimerasa reconoce una base nucleotídica no apareada de la cadena original y la combina con un nucleótido libre que tiene la base complementaria correcta. Luego, cataliza la formación de nuevos enlaces covalentes que ligan el fosfato del nucleótido libre entrante con el azúcar del nucleótido previamente agregado en la cadena hija en crecimiento. De esta forma, sintetiza el esqueleto de azúcar-fosfato de la cadena hija.
Las ADN polimerasas también realizan otras funciones. Además de participar en la elongación, desempeñan una función correctora y reparadora gracias a su actividad exonucleasa 3′, que les permite degradar el ADN partiendo de un extremo. Es importante que existan estos mecanismos de corrección, ya que de lo contrario los errores producidos durante la copia del ADN darían lugar a mutaciones.
Proceso general
- La helicasa rompe los puentes de hidrógeno de la doble hélice, permitiendo el avance de la horquilla de replicación.
- La topoisomerasa impide que el ADN se enrede debido al superenrollamiento producido por la separación de la doble hélice.
- Las proteínas SSB se unen a la hebra discontinua de ADN, impidiendo que se una consigo misma.
- La ADN polimerasa sintetiza la cadena complementaria de forma continua en la hebra adelantada y de forma discontinua en la hebra rezagada.
- La ARN primasa sintetiza el cebador de ARN necesario para la síntesis de la cadena complementaria a la cadena rezagada.
- La ADN ligasa une los fragmentos de Okazaki.
El proceso se divide en tres fases: iniciación, elongación y terminación. El cebador: pequeñas unidades de ARN que se unen a los fragmentos para que la ADN polimerasa reconozca dónde debe unirse. La ADN polimerasa I quita los cebadores y coloca bases a la cadena en crecimiento con ayuda de la ligasa.
Fases de la Replicación
La iniciación comienza en el origen de replicación. Requiere proteínas iniciadoras y helicasas, que rompen los puentes de hidrógeno, abriendo la hélice y formando las horquillas de replicación. Proteínas adicionales (proteínas de unión a cadena simple o topoisomerasas) se unen a las cadenas individuales, manteniéndolas separadas. Las ADN polimerasas catalizan la síntesis de las nuevas cadenas, añadiendo nucleótidos sobre el molde. La replicación es bidireccional desde cada horquilla, y cuando éstas se encuentran y se fusionan, el cromosoma ha quedado replicado longitudinalmente.
Replicación en Eucariontes
La helicasa rompe los enlaces de hidrógeno para separar las dos hebras de ADN por segmentos. La polimerasa III agrega la hebra de ADN hija, de manera continua en el lado derecho y discontinua en el izquierdo. El trozo de ARN se utiliza como partidor. Las polimerasas I y II, junto con la endonucleasa, verifican que los nucleótidos de la hebra hija estén bien puestos y corrigen los pedazos de ARN, transformándolos en ADN. La revisión se realiza nucleótido por nucleótido. La correcta duplicación del ADN es crucial para evitar mutaciones genéticas, ya que un error en la ubicación de un nucleótido puede causar enfermedades o mutaciones.