Replicación del ADN

La replicación del ADN es un proceso clave durante el ciclo celular y es necesaria antes de la división celular. Es decir: antes de que la célula se divida en la mitosis y la meiosis, el ADN debe replicarse para que las células hijas contengan la misma cantidad de material genético.

Pero, ¿por qué es necesaria la división celular, en primer lugar? Porque la mitosis es esencial para el crecimiento, la reparación de tejidos dañados y la reproducción asexual; y la meiosis es necesaria para la síntesis de gametos en la reproducción sexual.

Replicación del ADN

La replicación del ADN se produce durante la fase S del ciclo celular, ilustrada a continuación. Esto ocurre dentro del núcleo en las células eucariotas o en el citoplasma de las células procariotas.

La replicación semiconservativa del ADN establece que cada hebra de la molécula de ADN original sirve como plantilla para la síntesis de una nueva hebra de ADN. Los pasos de la replicación que se describen a continuación deben ejecutarse con precisión y alta fidelidad, para evitar que las células hijas contengan ADN mutado (que se produce cuando se replica incorrectamente).

1. La doble hélice del ADN se abre gracias a la enzima ADN helicasa (figura 2). Esta enzima rompe los enlaces de hidrógeno entre los pares de bases complementarias. Se crea una horquilla de replicación, que es la estructura en forma de Y del ADN que se forma a partir de las dos hebras separadas. Cada rama de la horquilla es una sola hebra de ADN expuesta, denominada hebra parental.
2. Los nucleótidos de ADN de las hebras expuestas se emparejan con sus bases complementarias de ADN. A continuación, se forman los enlaces de hidrógeno entre los nuevos pares de bases complementarias.
3. La enzima ADN polimerasa forma enlaces fosfodiéster, entre nucleótidos adyacentes en reacciones de condensación. La ADN polimerasa se une al extremo 3' del ADN, lo que significa que la nueva cadena de ADN se extiende en la dirección 5' a 3'.

La ADN polimerasa, enzima que cataliza la formación de enlaces fosfodiéster, solo puede formar nuevas cadenas de ADN en la dirección 5' a 3'.

Una de las hebras parentales tiene dirección 3' a 5' y, por tanto, la nueva cadena complementaria tiene una dirección 5' a 3'. Esta nueva hebra se denomina hebra conductora o líder y sufre una replicación continua. Puesto que está orientada en la dirección 5' a 3', la ADN polimerasa puede hacer su trabajo desde un único cebador, añadiendo nuevos nucleótidos a la cadena en su extremo 3' —es decir, desplazándose hacia la horquilla de replicación—.

La otra hebra parental tiene dirección 5' a 3'. Esto significa que la hebra nueva de ADN, denominada cadena retardada, debe ser sintetizada en la dirección 3 'a 5'. Pero, ¿Cómo funciona esto si la ADN polimerasa solo puede desplazarse en dirección contraria? La cadena retardada se sintetiza desde varios cebadores en pequeños fragmentos, llamados fragmentos de Okazaki, en la dirección correcta de 5' a 3 —es decir, hacia fuera de la horquilla—. En este caso, se produce una replicación discontinua, puesto que se da en tramos (fragmentos de Okazaki) de unos 1000 a 2000 nucleótidos desde distintos cebadores. Cuando la ADN polimerasa ha sintetizado los fragmentos de Okazaki, los cebadores se eliminan y los fragmentos se terminan de unir mediante enlaces fosfodiéster, gracias a la acción de la enzima ADN ligasa.

La ADN helicasa participa en los primeros pasos de la replicación del ADN. Rompe los enlaces de hidrógeno entre los pares de bases complementarias para exponer las bases de la cadena original de ADN. Esto permite que los nucleótidos de ADN libres se unan a su nuevo par complementario.

Este enzima es la que se encarga de sintetizar la nueva cadena de ARN, conocida como cebador o primer. El primer (o cebador) es esencial para empezar la síntesis de la nueva cadena de ADN; pero, una vez terminado el proceso, se elimina y se sustituye por ADN.

La ADN polimerasa cataliza la formación de nuevos enlaces fosfodiéster entre los nucleótidos en reacciones de condensación. Esto crea la nueva cadena de polinucleótidos de ADN.

La ADN ligasa se encarga de unir los fragmentos de Okazaki durante la replicación discontinua, catalizando la formación de enlaces fosfodiéster. Aunque tanto la ADN polimerasa como la ADN ligasa forman enlaces fosfodiéster, ambas enzimas son necesarias, ya que cada una tiene sitios activos diferentes para sus sustratos específicos. La ADN ligasa es también una enzima clave en la tecnología del ADN recombinante.

Estas enzimas son capaces de enrollar más la doble hélice de ADN o desenrollarla, para hacerla más accesible a las otras enzimas en el momento de la replicación.

Pero, ¿qué modelo es el correcto? En la década de 1950, dos científicos llamados Matthew Meselson y Franklin Stahl realizaron un experimento que llevó a que el modelo de replicación semiconservativa fuera ampliamente aceptado en la comunidad científica.

¿Cómo lo hicieron? Los nucleótidos del ADN contienen nitrógeno dentro de las bases orgánicas:

Meselson y Stahl sabían que había 2 isótopos de nitrógeno: ¹⁵N y ¹⁴N, siendo el ¹⁵N el isótopo más pesado.

1. Los científicos empezaron a cultivar E. coli en un medio que solo contenía ¹⁵N, lo que hizo que las bacterias usaran este nitrógeno para incorporarlo a sus nucleótidos de ADN. De este modo, las bacterias quedaron marcadas con ¹⁵N.

1. A continuación, se cultivaron las mismas bacterias en un medio diferente que solo contenía ¹⁴N y se dejaron dividir durante varias generaciones.
2. Meselson y Stahl querían medir la densidad del ADN y, por tanto, la cantidad de ¹⁵N y ¹⁴N en las bacterias en cada generación, por lo que aislaron las muestras de ADN después de cada generación y determinaron la cantidad de ¹⁵N y ¹⁴N mediante métodos de centrifugación.
3. Tras la centrifugación, el ADN ligero se separa del ADN pesado, generando distintas bandas que indican el peso de cada ADN. Las bandas más ligeras quedan por encima de las bandas más pesadas, tras la centrifugación. Estos fueron sus resultados después de cada generación:

• Generación 0: 1 sola banda. Esto indica que la bacteria sólo contenía ¹⁵N.

• Generación 1: 1 sola banda en una posición intermedia con respecto al control ¹⁵N y al control ¹⁴N. Esto indica que la molécula de ADN está formada tanto por ¹⁵N como por ¹⁴N y, por tanto, tiene una densidad intermedia.

• El modelo de replicación semiconservativa del ADN predijo este resultado. Por el contrario, el modelo conservativo, predice que el ADN debería generar dos bandas iguales en la misma posición de los controles ¹⁵N y ¹⁴N.

• Generación 2: 2 bandas; con una banda en la posición intermedia que contiene tanto ¹⁵N como ¹⁴N (como la generación 1) y la otra banda posicionada más arriba, que contiene solo ¹⁴N. La distribución se aproxima a 25% de ADN ¹⁵N y 75% de ADN ¹⁴N, tal y como predice el modelo semiconservativo.

Las pruebas del experimento de Meselson y Stahl demuestran que cada hebra de ADN actúa como plantilla para una nueva hebra y que, después de cada ronda de replicación, la molécula de ADN resultante contiene tanto una hebra original como una nueva. Como resultado, los científicos concluyeron que el ADN se replica de forma semiconservativa.