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La réplica del ADN

El ADN o ácido desoxirribonucleico es la molécula biológica que contiene en material hereditario, en él están codificadas como una secuencia específica de nucleótidos las instrucciones genéticas que permiten a las células dividirse (mitosis) y generar otras células hijas idénticas a las células paternales. Para que el proceso de división celular tenga continuidad, la célula hija debe recibir de la célula progenitora una copia exacta del ADN, la que luego servirá para hacer lo mismo con la nueva descendencia celular nacida de esta última. De esta situación se desprende que previo al proceso de división celular, el ADN en la célula original debe replicarse de forma precisa a fin de mantener una copia y proporcionar la otra copia a la célula que nace.

En este artículo brindaremos una visión panorámica general del proceso de réplica del ADN, pero para poder comprender lo que aquí se dice resulta necesario estudiar primero el artículo Estructura del ADN donde se explica el origen de algunos de los términos y la nomenclatura que se utilizará ahora.

La duplicación es semiconservativa

La naturaleza del ADN, puesta de manifiesto en el modelo de Watson y Crick sugiere que el elemento básico para la copia de la información genética es su complementariedad inherente. Una de las cadenas de nucleótidos de las dos que conforman el ADN puede tener cualquier secuencia de bases concebible pero esta secuencia determina la secuencia de las bases en la otra cadena copartícipe. Así por ejemplo, si una sección de un cordón de nucleótidos tiene una secuencia 5' ATTGCAT 3', la otra necesariamente tendrá en la sección complementaria asociada la secuencia 3' TAACGTA 5'.

La complementariedad inherente del ADN proporciona una vía fácil para la duplicación precisa de la molécula, ya que si "dividimos" la molécula en ambos cordones, solo resultará necesario, al propósito de la réplica, acoplar los nucleótidos complementarios apropiados a los cordones individuales expuestos para tener dos nuevos duplos con la misma secuencia. A esta forma de réplica del ADN se le denomina semiconservativa debido a que aunque la secuencia de nucleótidos después de la ronda de réplica se conserva, el duplo en sí mismo no lo hace, y cada cordón del duplo original termina formando parte de otro duplo en las copias.

El proceso de réplica


El proceso de réplica del ADN se ha estudiado con gran extensión en el organismo procariota Escherichia coli (abreviado E. coli) que forma parte comúnmente de la flora intestinal de los animales, y aunque los investigadores han logrado descifrar con mucho detalle este proceso en el último medio siglo, aquí solo nos limitaremos a una descripción general básica.

Antes de comenzar la descripción queremos anotar que el E. coli, como organismo procariota unicelular no presenta núcleo y por lo tanto su ADN es una molécula continua de forma circular, es decir, tiene un solo cromosoma.

Durante la réplica del ADN entran en juego un número importante de enzimas y de proteínas no enzimáticas que puede parecer a simple inspección demasiado grande para realizar lo que aparenta ser un proceso simple de separación de los cordones y la adición de los nucleótidos complementarios a cada cordón para formar los nuevos duplos, pero en realidad la réplica requiere de la realización de diferentes tareas independientes, y cada una de las cuales se lleva a cabo por alguno de estos agentes químicos por lo que todos son necesarios. Si intentamos listar las sustancias involucradas la lista podía ser como sigue:

1.- Una proteína ligada a nucleótidos repetidos en un sitio específico en el ADN, que sirve de "marca" para que se inicie ahí la réplica.

2.- Un conjunto de enzimas denominadas ADN polimerasas que agregan los nucleótidos sucesivos a los cordones de acuerdo a la complementariedad.

3.- La ADN helicasa que abre la hélice en el lugar donde están las polimerasas a fin de que estas hagan su trabajo.

4.- La ADN primasa que sirve de "cebador" para que se inicie el proceso de agregado de nucleótidos por las polimerasas.

5.- La ADN girasa que permite que los cordones se puedan ir desenredando (separando) sin que se produzcan tensiones de torsión en el resto de la molécula.

6.- Las proteínas ssb (del inglés "single-stranded DNA binding proteins" o proteínas ligantes de ADN monocatenario) que recubren los cordones una vez separados para mantener su estabilidad.

7.- La ADN ligasa cuya función es la de crear enlaces fosfodiéster para unir los fragmentos de ADN ya elaborados durante la réplica de uno de los dos cordones que no se replica de manera continua como veremos más adelante.

figura 1
Figura 1. Esquema del proceso de réplica del ADN

Origen de réplica

La réplica del ADN en E.coli comienza en un sitio específico, el origen de réplica, denominado oriC para este organismo, y termina en otro sitio específico denominado término. La secuencia del oriC consiste en nucleótidos repetidos ligados a cierta proteína vinculada con la iniciación de la réplica, además de una secuencia abundante en dúos A−T que se pueden abrir más fácilmente ya que están acoplados por solo dos puentes de hidrógeno, comparados con los dúos G−C que tienen tres de esos puentes. Una vez iniciada la réplica esta se desarrolla en las dos direcciones a lo largo de la molécula de ADN partiendo del origen único hasta el término único (figura 1) y a todo el conjunto se le conoce como replicón.

Las enzimas y su trabajo

Como ya hemos indicado, son varias las enzimas que participan en la réplica del ADN; comencemos por las polimerasas.

Polimerasas

Las polimerazas son enzimas que sintetizan ácidos nucleicos (ADN y ARN) y la primera que fue descubierta en el E. coli se le llamó ADN polimerasa I abreviada como pol I y al principio se pensó que era ella la responsable de la síntesis de todo el ADN durante la réplica. Más adelante se encontraron dos nuevas polimerasas que se les llamó polimerasa de ADN II (pol II) y polimerasa de ADN III (pol III) respectivamente. Más recientemente se han identificado otras polimerasas, aunque no todas tienen actividad en la réplica del ADN. Las tres polimerasas estándar (I, II, y III) tienen la facultad de sintetizar cordones polinucleótidos, sin embargo, su actividad catalítica en sí misma presenta dos particularidades singulares:

1.- Todas las polimerasas conocidas requieren un "cebado"  o "imprimación" y no pueden comenzar a fabricar un cordón de nucleótidos partiendo de cero . Todas requieren de al menos un pequeño tramo de cordón de nucleótidos de ADN o ARN con sus puentes de hidrógeno enlazados al cordón complementario sobre el cual es que pueden construir.

2.- Esas enzimas solo pueden sintetizar en una dirección y van extendiendo los cordones en la dirección 5' a 3' copiando otro cordón modelo o plantilla de dirección 3' a 5'. La acción de las ADN polimerasas es la de agregar nucleótidos nuevos al 3' OH del cebador.

Además de su capacidad de agregar nucleótidos, esas enzimas también tienen la habilidad de eliminarlos, de modo que cuando hay bases que están mal pareadas, la pareja se rompe y repara agregando exactitud al trabajo de réplica del ADN.

La particularidad de que las polimerasas solo pueden sintetizar cadenas de nucleótidos en una dirección implica que dada la estructura antiparalela del ADN, la réplica no puede llevarse a cabo de la misma forma en cada uno de los cordones individuales. A medida que el duplo original de ADN se abre, los cordones resultan antiparalelos, de modo que ambos no podrán replicarse en la dirección 5' a 3' como un único cordón continuo. De esta situación resulta que la "edificación" de cada uno los nuevos cordones es diferente.


Un cordón, aquel orientado en la dirección de 3' a 5', puede tener un cebador complementario agregado a su extremo 3' y entonces puede extenderse por acción de las polimerasas de 5' a 3' como un cordón continuo, al que se le llama cordón adelantado. La otra hebra del ADN ha de construirse en pequeños tramos en la dirección 5' a 3' completando la hélice abierta hacia el extremo. A medida que la hélice se va abriendo más, se va replicando cada vez más, pero nunca podrá replicarse el cordón completo de una sola vez y tendrá que hacerse por este método discontinuo. Al cordón que se replica de modo discontinuo se le llama cordón rezagado y a los tramos cortos de nuevo ADN sintetizado se les conoce como fragmentos de Okazaki.

No resultan necesarias las tres ADN polimerasas principales para la réplica de ADN durante la división celular. La ADN polimerasa II no parece jugar papel alguno durante la réplica y se piensa que su trabajo está dirigido a la reparación del ADN. Por su parte, la pol I, que está hecha de una sola proteína no es la polimerasa principal en la zona de réplica donde el duplo se abre (conocido como horquilla de réplica), en su lugar, su rol es el de eliminar los repetidos cebadores que son necesarios para la réplica. La polimeraza que está presente en la horquilla de réplica es pol III, un conjunto grande de sub-unidades enzimáticas.

Otras enzimas y su actividad

Adicionalmente a las polimerasas se necesitan otras actividades enzimáticas. Empecemos por señalar que se necesita una enzima para sintetizar el cebador a fin de que comience la réplica en el cordón adelantado y además para la producción de los múltiples cebadores que se necesitan en el cordón rezagado (uno para cada fragmento de Okasaki). La enzima encargada de esta tarea es la ADN primasa, la que genera un cadena ARN corta cebadora complementaria a la plantilla de ADN. El uso del ARN para esta función queda indicado, ya que no es necesaria la imprimación para iniciar su síntesis por la enzima. Note que la ADN primasa es en realidad una ARN polimerasa. Otra actividad enzimática no menos importante la lleva a cabo la ADN helicasa, la que empleando energía del ATP abre y desenvuelve el duplo original. De la misma forma también hace falta una enzima que elimine las tensiones de torsión que se introducen al abrir la hélice doble de ADN. Para ilustrar la situación piense que la abertura de la doble hélice es equivalente a destorcer un cable. A medida que se tiran de los cordones que lo forman para separarlos el resto del cable se va enrollando más apretado o forma un nudo. Tales tensiones torcionales deben eliminarse si se quiere abrir la hélice de ADN, y de ello se ocupa la ADN girasa, un conjunto de enzimas que pueden cambiar la forma del ADN sin dividirlo ni modificar su estructura, es decir, alteran el estado topológico del ADN.

Por último se requieren tres tareas más:

1.- Proteger cada cordón individual una vez separados, los que resultan menos estables que la hélice doble en el ambiente acuoso citoplasmático que los rodea debido a que las bases, que son altamente hidrofóbicas, quedan expuestas al agua. Para resolver este problema entran en juego las llamadas proteínas ssb que sirven de abrigo y aislamiento del agua al recubrir cada cordón individual.

2.- Es necesario eliminar los cebadores que están presentes al comienzo del cordón adelantado y en cada fragmento de Okasaki en el cordón rezagado. Esta tarea la ejecuta pol I la que elimina los cebadores y los reemplaza por ADN.

3.- Finalmente hay que unir los fragmentos de Okasaki sintetizados a lo largo del cordón rezagado y esto lo hace la ADN ligasa que crea enlaces fosfodiéster entre los segmentos adyacentes.

En la figura 2 a continuación se muestra un esquema general que resume todo el proceso.

figura 2


Figura 2. La horquilla de réplica del ADN.
Tenga en cuenta que aunque solo se ha representado una horquilla de réplica en realidad son dos, ya que la réplica del ADN procede en ambas direciones a partir del origen.

Note en la figura 2 que verdaderamente la réplica del ADN en el E. coli se lleva a cabo por un conjunto macromolecular ensamblado que bien puede considerarse un orgánulo replicador en similitud con el ribosoma, el orgánulo sintetizador de proteínas de la célula. A este orgánulo replicador se le conoce como replisoma e incluye todas las macroproteínas que conforman el mecanismo de réplica del ADN durante la división celular.

El replisoma se puede dividir en dos componentes principales:

1.- El primosoma: que está compuesto por primasa y helicasa además de un grupo de proteínas accesorias.

2.- Un par de sub-unidades enzimáticas de ADN polimerasa III: una pol III por cada cordón y son complejos proteicos cada uno formado de una sub-unidad de síntesis más una cantidad de otras proteínas que mantienen la integridad del complejo. Las proteínas individuales que acompañan a las ADN polimerasas III en las sub-unidades de síntesis son más de 14.

La réplica del ADN eucariota

El proceso de réplica del ADN en los organismos eucariotas es en esencia el mismo que en E.coli aunque existen ciertas diferencias que describiremos de forma general.

La principal diferencia entre la réplica de ADN eucariota comparado con el de E. coli se vincula con la gran diferencia de tamaño y la forma de empaquetado de los ADN en ambos tipos de organismos. Los eucariotas comúnmente tienen múltiples cromosomas cada uno de los cuales es más grande que el cromosoma único del E. coli, de ello se desprende que aunque los mecanismos de réplica sean similares si en los eucariotas el proceso se inicia en un solo origen en cada cromosoma el tiempo necesario para completar la réplica sería demasiado grande. Para evitar tal situación en los eucariotas, el proceso se inicia en múltiples orígenes por cromosoma, lo que resulta en múltiples replicones que copian el ADN por secciones partiendo de cada origen. Otra diferencia radica en que no existe un oriC vinculado a una secuencia específica y se piensa que la aparición de los orígenes de réplica tiene que ver con la estructura del cromosoma además de la secuencia.

En cuanto a las enzimas, existen algunas diferencias en los nombres, como por ejemplo, la polimerasa principal de réplica en los eucariotas se denomina ADN polimerasa α, pero la horquilla de réplica parece ser sustancialmente similar a la del E. coli. Existen otras diferencias menores que no entraremos a describir.



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