3.1.3. Conservación de la información: replicación del ADN.

El ADN portador de la información genética debe transmitirse fielmente a cada una de las células hijas obtenidas tras la división celular. Por tanto, antes de producirse ésta, es imprescindible que el ADN pueda formar réplicas exactas de sí mismo para disponer de dos copias iguales. Este proceso, conocido como replicación o autoduplicación, resulta fundamental para asegurar que todas las células de un organismo pluricelular mantienen la misma identidad.

Cuando Watson y Crick elaboraron su modelo de doble hélice en 1953, indicaron también cuál podría ser el mecanismo para llevar a cabo la replicación del ADN: separación de las dos cadenas y síntesis de la cadena complementaria de cada una de ellas. Sin embargo, otros investigadores plantearon distintas hipótesis que dieron lugar a tres posibles formas de replicación:

- Conservativa. La doble cadena original se mantiene y se sintetiza otra completamente nueva.

- Semiconservativa. Es la propuesta por Watson y Crick. Una de las hebras de cada doble hélice procede de la original, mientras que la otra se sintetiza nuevamente.

- Dispersiva. En cada doble hélice existen fragmentos de la original y fragmentos nuevos.

Poco después, Matthew Meselson y Franklin Stahl demostraron experimentalmente que la hipótesis correcta era la semiconservativa.

Herbert Taylor confirmó, así mismo, esta hipótesis en células eucariotas y en 1963 J. Cairns visualizó el proceso en Escherichia coli con técnicas autorradiográficas.

Hipótesis sobre la duplicación de ADN.

MECANISMO DE LA REPLICACIÓN 

El mecanismo de la replicación es un proceso que ocurre una sola vez en cada generación celular, durante la fase S del ciclo celular.

El principio de la replicación según el cual cada cadena de la doble hélice de ADN sirve como molde para la formación de una nueva cadena, es relativamente simple; sin embargo, el proceso real es considerablemente complejo. Para su estudio se pueden diferenciar las siguientes etapas:

Inicio de la replicación 

- La iniciación siempre comienza con una secuencia específica de nucleótidos conocida como origen de la replicación; requiere enzimas llamadas helicasas, las cuales rompen los enlaces de hidrógeno que mantienen unidas las bases complementarias, abriendo así la doble hélice.

- La separación de las cadenas, provoca superenrollamientos en las zonas vecinas, por lo que existen otras enzimas, las topoisomerasas o girasas que rebajan la tensión.

- Una vez separadas las dos cadenas, unas proteínas de unión a cadena simple (proteínas ssb) se unen a las hebras individuales, manteniéndolas separadas y evitando que se retuerzan.

Formación de las nuevas hebras 

- Ahora bien, para que se forme una nueva cadena no es suficiente que esté presente la cadena vieja que sirve de molde, sino que debe estar presente el inicio de la nueva cadena; este inicio lo proporciona un fragmento de ARN llamado cebador (sintetizado por una ARN primasa, acoplado mediante una ARN-polimerasa y retirado por una ADN polimerasa), los cuales son reconocidos por las ADN polimerasas que se ponen a sintetizar la nueva cadena de ADN.

La síntesis real de las nuevas cadenas es catalizada por un grupo de enzimas conocidas como ADN polimerasas,  que van añadiendo los nucleótidos uno a uno. La zona donde ocurre la replicación se observa al microscopio electrónico como un ojo o burbuja de replicación; estos segmentos de ADN en replicación se denominan replicones. En los extremos de la burbuja las cadenas forman una estructura en «Y» conocida como horquilla de replicación.

Mecanismos de duplicación del ADN.

- El proceso de replicación es bidireccional y siempre en el sentido de la cadena de nucleótidos 5'®3', pues las polimerasas sólo colocan y unen nucleótidos en ese sentido.

Como la replicación sólo ocurre en un sentido y las dos cadenas del ADN son antiparalelas, se planteaba un problema sobre cómo se efectuaría la replicación en los dos brazos de la horquilla. La solución la halló Reiji Okazaki, al encontrar que una cadena (la 5'--3') se sintetiza continuamente como una sola unidad, es la cadena adelantada o conductora, mientras que la otra cadena (la 3'--5') se forma de manera discontinua, como una serie de fragmentos de Okazaki, sintetizados cada uno en el sentido 5--3', que después terminan uniéndose formandose la llamada cadena retrasada o retardada. 

- Por último, hay otra enzima, la ADN ligasa que conecta los fragmentos de ADN recién formados con la cadena de ADN en crecimiento.

CORRECCIÓN DE ERRORES 

El ADN es la única molécula capaz de efectuar una reparación de sí misma. La replicación no ha concluido hasta que se comprueba que la copia de la secuencia nucleotídica es correcta. Es necesario, pues, detectar y corregir los errores producidos.

Aunque la ADN polimerasa III no une los nucleótidos que no sean complementarios de los correspondientes nucleótidos de la hebra molde, si se produce un error, el nucleótido mal emparejado es eliminado por la acción de enzimas exonucleasas. Por esta razón, el número de errores producidos durante el proceso de replicación es muy bajo (uno por cada 107-108 bases incorporadas).Sin embargo, esta proporción tan baja no es despreciable, ya que el número de nucleótidos de una cadena de ADN es muy alto, sobre todo en organismos pluricelulares (con más información genética y un gran número de células). Por ello, existe un proceso posreplicativo de corrección de errores en el que participan varias enzimas:

- Endonucleasas que detectan errores y cortan la cadena anómala.

- Exonucleasas que eliminan el fragmento incorrecto.

- ADN polimerasas que sintetizan la parte correspondiente al segmento eliminado. Esta acción y la anterior pueden ser realizadas por la ADN polimerasa I, como ya se indicó.

- ADN ligasas que unen el nuevo segmento al resto de la cadena.

Eliminación de errores.

Tras la corrección, el número de errores desciende hasta uno por cada 10¹⁰ bases incorporadas.

Para posibilitar la detección de los errores es necesario diferenciar la cadena nueva de la antigua. Esto se consigue por metilación de las adeninas, proceso que tiene lugar pasado un cierto tiempo. Así, las adeninas pertenecientes a la hebra recién sintetizada no están aún metiladas y las de la hebra antigua sí, lo que permite que las enzimas reparadoras la identifiquen.

A pesar de los mecanismos correctores de errores, la fidelidad en la replicación no es absoluta, lo cual no es necesariamente negativo, ya que si los errores no tienen consecuencias sobre la viabilidad de las células (o de los individuos) que los poseen, se convierten en fuente de variación genética, imprescindible para el desarrollo de los procesos evolutivos.

Así, aunque en la replicación resulta fundamental mantener la fidelidad del mensaje genético en la síntesis de nuevas copias de ADN, se deja siempre un pequeñísimo margen a la aparición de variaciones que contribuyen a los cambios evolutivos.

DIFERENCIAS ENTRE EL PROCESO REPLICATIVO EN PROCARIOTAS Y EUCARIOTAS 

Las diferencias en la replicación del ADN entre las células procariotas y eucariotas no afectan al mecanismo fundamental. Entre estas diferencias se pueden citar las siguientes:

- Como el ADN de los eucariotas está asociado con las histonas, la replicación debe tener en cuenta la síntesis de estas proteínas.

- El tamaño de los fragmentos de Okazaki es menor en los organismos eucariotas (100 a 200 nucleótidos) que en los procariotas (1000 a 2000 nucleótidos) .

- Existen tres ADN polimerasas en los procariotas y cinco en los eucariotas.

- La replicación tiene un único origen en los procariotas, mientras que en los eucariotas existen múltiples (cientos en cada cromosoma de mamíferos, lo que hace que haya varios miles en el conjunto de su genoma). Cada unidad de replicación se denomina replicón y produce la síntesis de fragmentos de 100 a 150 nucleótidos. La necesidad de numerosos, puntos origen de la replicación resulta evidente, pues la cantidad de ADN en las células eucariotas es muchísimo mayor. Si sólo existiera un lugar de inicio, el proceso de replicación necesitaría varios meses para llevarse a cabo.

- La velocidad de replicación en cada replicón es menor en los eucariotas (hasta 50 veces) que en los procariotas.

Replicación de los cromosomas (moléculas de ADN eucariótico) a partir de numerosos puntos iniciales.