1. Replicación
El proceso de replicación de ADN es el mecanismo que permite al ADN duplicarse. La duplicación del material
genético se produce de acuerdo con un mecanismo semi conservador, debido a que las dos cadenas
complementarias del ADN parental al separarse sirven de molde a su vez para la síntesis de la nueva cadena
complementaria de la cadena molde, de forma que cada nueva hélice contiene una de las cadenas de ADN
original.
Gracias a la complementación entre las bases que forman la secuencia de cada una de las cadenas, el ADN
tiene la importante propiedad de reproducirse idénticamente, lo que permite que la información genética
se trasmita de una célula madre a las células hijas y es lavase de la herencia del material genético.
La molécula de ADN se abre como una cremallera por ruptura de los
puentes de hidrógeno entre las bases complementarias, liberándose
dos hebras y la ADN polimerasa sintetiza la mitad complementaria
añadiendo nucleótidos que se encuentran dispersos en el núcleo. De
esta forma, cada molécula es idéntica a la molécula de ADN inicial.
La replicación, es decir la ruptura de los puentes hidrógeno, comienza
en puntos determinados: 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. La replicación se lleva a cabo bidireccionalmente, es
decir, a partir de un punto se sintetizan las dos cadenas en ambas
direcciones.
Origen de la replicación y secuencialidad
Los orígenes de la replicación son los puntos fijos a partir de los cuales se lleva a cabo la replicación, que
avanza de forma secuencial formando estructuras con forma de horquilla. Por otro lado, la replicación se
lleva a cabo bidireccionalmente, es decir, a partir de cada origen se sintetizan las dos cadenas en ambos
sentidos.
La cantidad de ADN que se puede sintetizar a partir de un único punto de origen se llama replicón. El
genoma bacteriano es un replicón único celular. En los organismos eucariotas la replicación del ADN se
inicia en múltiples orígenes a la vez, es decir, hay varios preplicones.
Debido a que en la célula ambas cadenas de la doble hélice de ADN se duplican al mismo tiempo, éstas
deben separarse para que cada una de ellas sirva de molde para la síntesis de una nueva cadena. Por eso, la
replicación avanza con una estructura en forma de horquilla formándose una burbuja que avanza en
dirección a la región del ADN no duplicado dejando atrás los dos moldes de ADN de la cadena simple donde
se está produciendo la replicación.
2. La replicación siempre se produce en sentido 5´a 3´, siendo el extremo 3´OH libre el punto a partir del cual
se produce la elongación del ADN. Esto plantea un problema, y es que las cadenas tienen que crecer
simultáneamente a pesar de que son antiparalelas, es decir, que cada cadena tiene el extremo 5´enfrentado
con el extremo 3´ de la otra cadena. Por ellos, una de las cadenas debería ser sintetizada en dirección 3´a 5´.
Esto se explica teniendo en cuanta que una de las nuevas cadenas de ADN se sintetiza en forma de trozos
cortos que se denominan fragmentos Okazaki, y su longitud puede variar entre 1000 y 2000 nucleótidos en
bacterias y 100 y 400 nucleótidos en eucariontes.
La cadena que se sintetiza en el mismo sentido que avanza la horquilla de replicación se denomina hebra
adelantada (leading strand) y se sintetiza de forma continua por la ADN polimerasa, mientras que la que se
sintetiza en sentido contrario al avance se denomina hebra retrasada (lagging strand), cuya síntesis se realiza
de forma discontinua, teniendo que esperar a que la horquilla de replicación avance para disponer de una
cierta longitud de ADN molde.
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 molde que es la que será replicada. La enzima copia la cadena
de nucleótidos de forma complementaria (A por T y C por G) para dar a cada célula hija una copia del ADN
durante la replicación.
Llevan a cabo la síntesis de la nueva cadena emparejando los desoxirribonucleótidos trifosfatos (dNTP) con
los desoxirribonucleótidos complementarios del ADN molde. Los dNTP contienen tres fosfatos unidos al
grupo hidroxilo de la 5´desoxiribosa y dependiendo de la base nitrogenada serán dATP (adenina), dTTP
(timina), dCTP (citocina) o dGTP (guanina).
3. La reacción fundamental es una trasferencia de un grupo fosfato, en la que el grupo 3´-OH actúa como
nucleófilo en el extremo 3´de la cadena que está en crecimiento. El ataque se produce sobre el fosfato α (el
más próximo a la desoxirribosa) del desoxirribonucleótido 5´trifisfato que entra, liberándose pirofosfato
inorgánico y formándose un nuevo enlace fosfodiéster (alargándose la cadena).
Las ADN polimerasas no pueden actuar “de novo”, requieren un iniciador, que puede ser ADN o ARN, llamado
cebador que es sintetizado por la primasa.
• ADN polimerasas en E. coli (células procariotas)
Las principales ADN polimerasas en E. coli son las ADN polimerasas I, II y III. Cada
una de ellas está especializada en una o más funciones según cuál sea su papel
en la replicación. La procesividad se relaciona con cuanto tiempo permanece
unida la ADNpol al ADN cuando está agregando nucleótidos.
--ADN polimerasa I: es poco procesiva (añade entre 20 y 100 nucleótidos por
acontecimiento de unión). Tiene tres actividades enzimáticas en una sola
cadena polipeptídica: es la encargada de la eliminación de los cebadores
(actividad exonucleasa 5´-3´) y la posterior reparación del ADN (actividad
polimerasa 5´-3´) además de la corrección de nucleótidos mal apareados
(actividad exonucleasa 3´-5´).
Actividad Polimerasa
Ilustración 1Exonucleasa 3´-5´
4. --ADN polimerasa II: está encargada de la reparación de los quiebres producidos en el ADN (actividades
polimerasa 5´-3´ y exonucleasa 3´-5´)
--ADN polimerasa III: es muy procesiva. Es la principal encargada de la elongación del ADN (actividad
polimerasa 5´-3´)
Todas las polimerasas tienen acción correctora (exonucleasa 3´-5´), ya que poseen dos sitios activos: uno de
polimerización (polimerasa 5´-3´) y otro de corrección, pero sólo la ADN pol I tiene actividad de reparación
(exonucleasa 5´-3´). Es importante que existan los mecanismos de corrección ya que de lo contrario los
errores producidos durante la copia del ADN darían lugar a mutaciones.
Reparación del ADN
Es un conjunto de procesos por los cuales la célula identifica y corrige daños hechos a las moléculas de ADN
que codifican el genoma. En las células humanas, tanto las actividades metabólicas y los factores ambientales
(rayos UV y radiactividad) pueden causar daños al ADN que pueden alterar o eliminar la capacidad de la célula
para trascribir el gen que codifica el ADN afectado o causar mutaciones. Por consiguiente, el proceso de
reparación del ADN está constantemente activo. La capacidad de reparación del ADN es vital para la
integridad de su genoma y, por lo tanto, de su funcionamiento normal.
Daño
El daño puede subdividirse en dos tipos principales: daños endógenos y daños exógenos
Los daños endógenos: la mayor parte de estos cambios se producen por la generación de radicales libres
subproductos de la respiración aerobia normal. Estos radicales son capaces de acelerar la ruptura de las
cadenas de ADN. Hay tres tipos principales:
1. Oxidación de bases y producción de interrupciones de ADN por formas oxidantes del oxígeno
2. Aniquilación de bases (normalmente metilación)
3. Hidrólisis de bases como la desaminación, depurinación y depirimidinación.
Los daños exógenos son causados por agentes externos, tales como la radiación UV (incluidos rayos gamma
y rayos X), hidrólisis o rupturas térmicas, algunas toxinas vegetales, productos químicos mutagénicos,
quimioterapia o radioterapia.
