Replicación del ADN

Luego del descubrimiento de la estructura del ADN, en 1957 dos biólogos americanos, Matthew Meselson y Franklin Stahl utilizando cultivos bacterianos de Escherichia coli, demostraron que el ADN celular se replica por el mecanismo semiconservativo propuesto por Watson y Crick. En el experimento, aprovecharon la disponibilidad de un isótopo pesado del nitrógeno (15N) y un método extremadamente sensible para separar macromoléculas a base de su densidad. Estos investigadores utilizando el elemento N presente en la molécula de ADN, como el 14N y el la incorporación del 15N radiactivo, pudieron demostrar que cuando el ADN se replica, una de sus cadenas pasa a las células hijas sin cambiar ( 14N) y es la que actúa como de molde o patrón, para así formar una segunda hebra complementaria (15N y completar las dos cadenas del ADN. 

El inicio de la replicación, tanto en procariotas como en eucariotas, se produce cuando la doble hélice de ADN es desenrollada y abierta en una secuencia específica de nucleótidos denominada origen de replicación. En los procariotas existe un único origen de replicación, localizado dentro de una secuencia específica de nucleótidos cuya longitud es de aproximadamente 300 pares de bases; en los eucariotas, en cambio, hay múltiples orígenes de replicación.

 Si se observa la figura, la zona de síntesis donde se comienzan a separar las cadenas progenitoras, la molecúla de ADN parece formar una estructura en forma de Y, denominada horquilla de replicación. Dentro de esta horquilla, la ADN polimerasa, sintetiza las nuevas cadenas complementarias. La replicación es bidireccional, por lo tanto existen dos horquillas de replicación que se mueven en direcciones opuestas desde el origen de replicación. 

 Para la síntesis de una nueva cadena complementaria de ADN se necesita no solo la presencia de la cadena progenitora (vieja) que sirva de molde, sino también de una secuencia de inicio para la nueva cadena que permita que la ADN polimerasa prolongue la cadena. Esta secuencia de inicio, conocida habitualmente como cebador (primer, en inglés) está formada por nucleótidos de ARN. Los nucleótidos de ARN pueden formar puentes de hidrógeno con los nucleótidos de la cadena de ADN, siguiendo un principio similar de complementariedad (la G se aparea con la C, la A del ARN con la T del ADN y el U del ARN con la A del ADN). La síntesis del cebador es llevada a cabo por una enzima denominada ARN primasa.

 Con los cebadores de ARN colocados en el lugar correcto, la ADN polimerasa agrega nucleótidos al extremo 3’ de las cadenas en crecimiento y a continuación cataliza la formación del enlace fosfodiéster para ligar este residuo a la nueva cadena que crece. El complejo polimerásico, no formará la unión fosfodiéster, a menos que la base que está entrando a la cadena en formación, sea complementaria a la base existente en la cadena patrón. La frecuencia con la que se inserta una base equivocada es menor a 1 en 100 millones, debido a la capacidad de la ADN polimerasa de corregir errores (eliminación de nucleótidos mal incorporados). 

Se comprobó que las primeras polimerasas descubiertas sintetizaban nuevas cadenas solamente en la dirección 5´- 3´. Dada la estructura antipararela de la doble hélice de ADN, la replicación de las dos nuevas cadenas de ADN sobre los dos brazos de la horquilla de replicación parecía requerir la síntesis en la dirección 5´- 3´, sino también en la dirección 3´- 5´. Durante varios años los investigadores trataron de identificar otra ADN polimerasa que pudiera funcionar en la dirección 3´-5´, pero no la encontraron. Un científico japonés, Reiji Okazaki encontró que, aunque la cadena 5´-3´ se sintetiza continuamente como una sola unidad, la cadena 3´-5´ se sintetiza de manera discontinua, como una serie de fragmentos, cada uno de los cuales es sintetizado en la dirección 5´-3´.

 La cadena que crece de manera continua se conoce como cadena adelantada y la cadena que se sintetiza por fragmentos se conoce como cadena retrasada. La síntesis de la cadena adelantada requiere un único cebador en un único sitio, pero la síntesis de los fragmentos que conforman la cadena rezagada, los fragmentos de Okazaki, requieren múltiples cebadores. 

Una vez que la ADN polimerasa alarga estos cebadores, todos los fragmentos de ARN de la hebra retrasada son degradados y reemplazados por ADN. Luego de que el cebador es degradado, una enzima específica es la encargada de unir todos los fragmentos sintetizados.

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