Replicación del ADN

La 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. La replicación del ADN que se produce en todas las células vivas se denomina semiconservativa, lo que significa que la nueva molécula de ADN tendrá una cadena original (también llamada cadena parental) y una nueva cadena de ADN. Este modelo de replicación del ADN es el más aceptado, pero también se ha propuesto otro modelo denominado replicación conservadora. Al final de este artículo, discutiremos las pruebas de por qué la replicación semiconservativa es el modelo aceptado.

Fig. 1 - Las fases del ciclo celular

Fases semiconservativas de la replicación del ADN

La replicación semiconservativa establece que cada cadena de la molécula de ADN original sirve de molde para la síntesis de una nueva cadena de ADN. Los pasos para la replicación que se describen a continuación deben ejecutarse con precisión y alta fidelidad para evitar que las células hijas contengan ADN mutado, que es el ADN que se ha replicado incorrectamente.

1. La doble hélice del ADN se descomprime gracias a la enzima ADN helicasa. 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 descomprime. Cada "rama" de la horquilla es una única cadena de ADN expuesta.

2. Los nucleótidos de ADN libres en el núcleo se emparejarán con su base complementaria en las cadenas molde de ADN expuestas. Se formarán enlaces de hidrógeno entre los pares de bases complementarias.

3. La enzima ADN polimerasa forma enlaces fosfodiéster entre los nucleótidos adyacentes en las 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'.

Fig. 2 - Los pasos semiconservativos de la replicación del ADN

Replicación continua y discontinua

La ADN polimerasa, la enzima que cataliza la formación de enlaces fosfodiéster, sólo puede formar nuevas cadenas de ADN en la dirección 5 'a 3'. Esta hebra se denomina hebra principal y sufre una replicación continua, ya que la ADN polimerasa la sintetiza continuamente y se desplaza hacia la horquilla de replicación.

Esto significa que la otra nueva cadena de ADN debe sintetizarse en la dirección de 3 'a 5'. Pero, ¿cómo funciona esto si la ADN polimerasa se desplaza en sentido contrario? Esta nueva cadena, denominada cadena rezagada, se sintetiza en fragmentos, llamados fragmentos de Okazaki. En este caso se produce una replicación discontinua cuando la ADN polimerasa se aleja de la horquilla de replicación. Los fragmentos de Okazaki deben unirse mediante enlaces fosfodiéster y esto lo cataliza otra enzima llamada ADN ligasa.

¿Qué son las enzimas de replicación del ADN?

La replicación semiconservativa del ADN se basa en la acción de enzimas. Las 3 principales enzimas implicadas son:

• ADN helicasa
• ADN polimerasa
• ADN ligasa

ADN helicasa

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 par complementario.

ADN polimerasa

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

ADN ligasa

La ADN ligasa trabaja para unir 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 también es una enzima clave implicada en la tecnología del ADN recombinante con vectores plasmídicos.

Pruebas de la replicación semiconservativa del ADN

Históricamente se han propuesto dos modelos de replicación del ADN: la replicación conservadora y la semiconservadora.

El modelo conservador de replicación del ADN sugiere que, tras una ronda, te quedas con la molécula de ADN original y una molécula de ADN totalmente nueva hecha de nucleótidos nuevos. El modelo semiconservativo de replicación del ADN, sin embargo, sugiere que después de una ronda, las dos moléculas de ADN contienen una cadena original de ADN y una cadena nueva de ADN. Este es el modelo que hemos explorado anteriormente en este artículo.

Experimento de Meselson y Stahl

En la década de 1950, dos científicos llamados Matthew Meselson y Franklin Stahl realizaron un experimento que condujo a que el modelo semiconservativo fuera ampliamente aceptado en la comunidad científica.

¿Cómo lo hicieron? Los nucleótidos del ADN contienen nitrógeno dentro de las bases orgánicas y Meselson y Stahl sabían que había 2 isótopos de nitrógeno: N15 y N14, siendo el N15 el isótopo más pesado.

Los científicos empezaron cultivando E. coli en un medio que sólo contenía N15, lo que hizo que las bacterias absorbieran el nitrógeno y lo incorporaran a sus nucleótidos de ADN. De este modo, las bacterias se marcaron con N15.

A continuación, se cultivaron las mismas bacterias en un medio diferente que sólo contenía N14 y se dejó que se dividieran durante varias generaciones. Meselson y Stahl querían medir la densidad del ADN y, por tanto, la cantidad de N15 y N14 en las bacterias, así que centrifugaron las muestras después de cada generación. En las muestras, el ADN que pesa menos aparecerá más alto en el tubo de muestras que el ADN que pesa más. Estos fueron sus resultados después de cada generación:

• Generación 0: 1 sola banda. Esto indica que las bacterias sólo contenían N15.
• Generación 1: 1 sola banda en una posición intermedia respecto a la Generación 0 y el control N14. Esto indica que la molécula de ADN está compuesta tanto de N15 como de N14 y, por tanto, tiene una densidad intermedia. El modelo de replicación semiconservativa del ADN predijo este resultado.
• Generación 2: 2 bandas con 1 banda en posición intermedia que contiene tanto N15 como N14 (como la Generación 1) y la otra banda posicionada más arriba, que sólo contiene N14. Esta banda posicionada más arriba que N14 tiene una densidad menor que N15.

Fig. 3 - Ilustración de las conclusiones del experimento de Meselson y Stahl

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