La replicación del ADN, también conocida como replicación semiconservativa, es el proceso por el cual el ADN es esencialmente duplicado. Es un proceso importante que tiene lugar dentro de la célula en división.
En este artículo, veremos brevemente la estructura del ADN, los pasos precisos que intervienen en la replicación del ADN (iniciación, elongación y terminación), y las consecuencias clínicas que pueden producirse cuando esto va mal.
Estructura del ADN
El ADN está formado por millones de nucleótidos. Estos son moléculas compuestas por un azúcar desoxirribosa, con un fosfato y una base (o nucleobase) unida a él. Estos nucleótidos se unen entre sí en cadenas a través de enlaces fosfodiéster para formar una «columna vertebral de azúcar-fosfato». El enlace que se forma es entre el tercer átomo de carbono del azúcar desoxirribosa de un nucleótido (en adelante conocido como el 3′) y el quinto átomo de carbono de otro azúcar del siguiente nucleótido (conocido como el 5′).
N.B: 3′ se pronuncia «tres primos» y 5′ se pronuncia «cinco primos».
Hay dos hebras que van en direcciones opuestas o antiparalelas entre sí. Estas están unidas entre sí a lo largo de la hebra a través de las bases de cada nucleótido. Hay 4 bases diferentes asociadas al ADN: citosina, guanina, adenina y timina. En las cadenas de ADN normales, la citosina se une a la guanina y la adenina a la timina. Las dos cadenas juntas forman una doble hélice.
Fig 1.0 – La estructura del ARN y del ADNEtapas de la replicación del ADN
La replicación del ADN puede considerarse en tres etapas: iniciación, elongación y terminación
Iniciación
La síntesis del ADN se inicia en puntos concretos de la cadena de ADN conocidos como «orígenes», que son regiones codificantes específicas. Estos orígenes son el objetivo de las proteínas iniciadoras, que a su vez reclutan más proteínas que ayudan al proceso de replicación, formando un complejo de replicación alrededor del origen del ADN. Existen múltiples sitios de origen, y cuando comienza la replicación del ADN, estos sitios se denominan horquillas de replicación.
Dentro del complejo de replicación se encuentra la enzima ADN Helicasa, que desenrolla la doble hélice y expone cada una de las dos hebras, para que puedan ser utilizadas como plantilla para la replicación. Para ello, hidroliza el ATP utilizado para formar los enlaces entre las nucleobases, rompiendo así el enlace que mantiene unidas las dos hebras.
La ADN primasa es otra enzima importante en la replicación del ADN. Sintetiza un pequeño cebador de ARN, que actúa como un «pistoletazo de salida» para la ADN Polimerasa. La ADN Polimerasa es la enzima que, en última instancia, es responsable de la creación y expansión de las nuevas hebras de ADN.
Alargamiento
Una vez que la ADN Polimerasa se ha unido a las dos hebras de ADN originales y descompuestas (es decir, las hebras plantilla), es capaz de empezar a sintetizar el nuevo ADN para que coincida con las plantillas. Es esencial tener en cuenta que la ADN polimerasa sólo es capaz de extender el cebador añadiendo nucleótidos libres en el extremo 3′.
Una de las plantillas se lee en dirección 3′ a 5′, lo que significa que la nueva hebra se formará en dirección 5′ a 3′. Esta hebra recién formada se denomina hebra líder. A lo largo de esta hebra, la ADN Primasa sólo necesita sintetizar un cebador de ARN una vez, al principio, para iniciar la ADN Polimerasa. Esto se debe a que la ADN Polimerasa es capaz de extender la nueva cadena de ADN leyendo la plantilla de 3′ a 5′, sintetizando en una dirección de 5′ a 3′ como se ha indicado anteriormente.
Sin embargo, la otra cadena de la plantilla (la cadena rezagada) es antiparalela, y por lo tanto se lee en una dirección de 5′ a 3′. La síntesis continua de ADN, como en la cadena principal, tendría que ser en la dirección 3′ a 5′, lo cual es imposible ya que no podemos añadir bases al extremo 5′. En su lugar, a medida que la hélice se desenrolla, se añaden cebadores de ARN a las bases recién expuestas en la hebra retrasada y la síntesis de ADN se produce en fragmentos, pero todavía en la dirección 5′ a 3′ como antes. Estos fragmentos se conocen como fragmentos de Okazaki.
Terminación
El proceso de expansión de las nuevas cadenas de ADN continúa hasta que no queda más plantilla de ADN para replicar (es decir, al final del cromosoma), o dos horquillas de replicación se encuentran y posteriormente terminan. El encuentro de dos horquillas de replicación no está regulado y ocurre de forma aleatoria a lo largo del cromosoma.
Una vez finalizada la síntesis del ADN, es importante que las hebras recién sintetizadas se unan y estabilicen. Con respecto a la hebra rezagada, se necesitan dos enzimas para conseguirlo; la ARNasa H elimina el cebador de ARN que se encuentra al principio de cada fragmento de Okazaki, y la ADN Ligasa une los fragmentos para crear una hebra completa.
Fig 2.0 – Representación diagramática de la replicación del ADN
Relevancia clínica – Anemia de células falciformes
La anemia de células falciformes es una enfermedad autosómica recesiva que está causada por una sustitución de una sola base, en la que sólo se cambia una base por otra. En algunos casos, esto puede dar lugar a una «mutación silenciosa» en la que el gen general no se ve afectado, sin embargo, en enfermedades como la anemia de células falciformes da lugar a que la cadena codifique una proteína diferente.
En este caso, una base de adenina se intercambia por una base de timina en uno de los genes que codifican la hemoglobina; esto da lugar a que el ácido glutámico se sustituya por valina. Cuando esto se transcribe en una cadena polipeptídica, las propiedades que posee cambian radicalmente, ya que el ácido glutámico es hidrofílico, mientras que la valina es hidrofóbica. Esta región hidrofóbica hace que la hemoglobina tenga una estructura anormal que puede causar obstrucciones de los capilares que conducen a la isquemia y potencialmente a la necrosis de los tejidos y órganos, lo que se conoce como crisis vaso-oclusiva.
Estas crisis suelen tratarse con una variedad de medicamentos para el dolor, incluidos los opioides y los AINE en función de la gravedad. Las transfusiones de glóbulos rojos pueden ser necesarias en casos de emergencia, por ejemplo si la obstrucción se produce en los pulmones.
Fig 3.0 – La diferencia de estructura entre los glóbulos rojos normales y los afectados por la enfermedad de células falciformes.