Principios principales y fases del proceso
La replicación se basa en un mecanismo de molde. Esto significa que una molécula de ADN actúa como plantilla (molde) sobre la cual se sintetiza otra molécula con una estructura absolutamente complementaria. El proceso es semiconservativo: cada espiral hija consta de una cadena intacta (conservativa), heredada de la molécula parental, y una de nueva síntesis.
En términos generales, se distinguen tres fases de la replicación:
- Iniciación. Ensamblaje del complejo enzimático en sitios de inicio específicos del ADN. Es precisamente en esta etapa donde se lleva a cabo predominantemente la regulación de toda la replicación.
- Elongación. Alargamiento directo de la cadena polinucleótida.
- Terminación. Finalización del proceso de duplicación.
Estructura de la horquilla de replicación y síntesis asimétrica
Para iniciar la síntesis, las proteínas iniciadoras se unen al ADN, la doble hélice se desenrolla y se rompen los enlaces de hidrógeno entre las bases nitrogenadas. Se forma la horquilla de replicación, una estructura en forma de Y que se desplaza secuencialmente a lo largo del ADN. Debido a que las enzimas solo pueden construir una nueva cadena en una sola dirección (del extremo 5' al extremo 3'), la síntesis transcurre de manera asimétrica y es semidiscontinua:
- Cadena conductora (Leading strand). Se sintetiza de forma continua, ya que su dirección coincide con la dirección de movimiento de la horquilla de replicación. Solo requiere un evento de iniciación inicial.
- Cadena rezagada (Lagging strand). Se sintetiza de forma discontinua en fragmentos cortos (denominados fragmentos de Okazaki), ya que la dirección de la síntesis aquí es opuesta al movimiento de la horquilla. La longitud de dichos fragmentos en procariotas es de 1000–2000 pares de nucleótidos, y en eucariotas, de 100–200 pares de nucleótidos.
Aparato enzimático
El modelo semiconservativo está garantizado por el complejo trabajo bioquímico de todo un conjunto de enzimas (con consumo de energía de ATP):
- ADN helicasa. Desenrolla la doble hélice rompiendo los enlaces de hidrógeno entre las hebras.
- Proteínas SSB (proteínas desestabilizadoras). Se unen al ADN monocatenario resultante. No tapan las bases nitrogenadas, pero evitan que las hebras vuelvan a unirse.
- ADN topoisomerasa. Elimina la superenrrollamiento (tensión mecánica delante de la horquilla). La enzima realiza un corte monocatenario, permite que la hebra gire y la vuelve a unir.
- ARN primasa. Sintetiza un pequeño cebador de ARN (primer). Esto es necesario ya que la enzima principal de síntesis no puede empezar a trabajar «desde cero»; necesita un extremo 3'-OH libre.
- ADN polimerasa. La enzima principal que alarga la cadena polinucleótida (estrictamente de 5' a 3'). También posee actividad nucleasa: la actividad 5'-3' endonucleasa es necesaria para eliminar los cebadores de ARN, y la 3'-5' endonucleasa realiza una función correctora (elimina los nucleótidos erróneos).
- ADN ligasa. Elimina las brechas entre los fragmentos de Okazaki en la cadena rezagada, restableciendo un fuerte enlace fosfodiéster.
Características de la replicación en procariotas y eucariotas
Los procariotas (por ejemplo, E. coli) tienen un mecanismo monorreplicón. Tienen un solo punto de inicio de replicación (ori, del inglés origin), formado por secuencias en tándem altamente conservadas. Desde este punto, la síntesis avanza en dos direcciones con la misma velocidad hasta la duplicación completa del cromosoma. Se conocen 5 tipos de ADN polimerasas (I, II, III, IV, V) responsables de la replicación y la reparación.
Los eucariotas se distinguen por un mecanismo polirreplicón. La replicación comienza de forma bidireccional en varios puntos a la vez: ARS (secuencias de replicación autónoma). La sección entre puntos vecinos se denomina replicón (cientos de replicones participan en el proceso). A medida que avanza la síntesis, forman «ojos de replicación» que luego se fusionan. En los eucariotas operan 7 tipos de polimerasas: $\alpha, \beta, \gamma, \delta, \epsilon, \zeta, \eta$, localizadas en el núcleo, mitocondrias y plástidos.
En resumen: respuestas a preguntas sobre el tema
¿Qué funciones específicas realizan los diferentes tipos de ADN polimerasas en eucariotas (alfa, delta, épsilon, etc.)?
En los eucariotas, las ADN polimerasas aseguran la síntesis de nuevas cadenas y participan en la replicación y reparación del material genético. Se conocen 7 tipos de estas enzimas ($\alpha, \beta, \gamma, \delta, \epsilon, \zeta, \eta$), localizadas en el núcleo, mitocondrias y plástidos.
Funciones de las polimerasas descritas en las fuentes:
- ADN polimerasa $\alpha$: posee actividad primasa, sintetiza el cebador de ARN (primer) para iniciar la síntesis de ADN.
- ADN polimerasa $\delta$: actúa como la principal enzima replicativa que cataliza la síntesis de la cadena conductora, así como la elongación de la rezagada.
- ADN polimerasa $\beta$: participa en los procesos de reparación.
Las funciones específicas de las polimerasas $\epsilon, \gamma, \zeta$ y $\eta$ no se detallan en los materiales proporcionados.
Para recordar las enzimas de la horquilla en orden: la Helicasa «Avanza» (desenrolla), la Primasa «Prepara» (coloca el cebador), la Polimerasa «Produce» (construye la cadena), la Ligasa «Liga» (une los fragmentos).
Preguntas de clases y exámenes
¿Por qué la síntesis en la cadena rezagada es discontinua?
La ADN polimerasa es capaz de añadir nucleótidos en una sola dirección: de 5' a 3'. Dado que las cadenas de ADN son antiparalelas y la horquilla se abre en una sola dirección, en la cadena rezagada la síntesis se ve obligada a realizarse «hacia atrás» en segmentos cortos (fragmentos de Okazaki).
¿Para qué se necesitan los cebadores de ARN si lo que se sintetiza es ADN?
La ADN polimerasa no sabe iniciar la síntesis de la cadena por sí sola; necesita obligatoriamente un extremo 3'-OH libre para unir el primer nucleótido. La ARN primasa carece de esta limitación y puede crear un cebador inicial en un molde vacío.
¿Qué ocurre con los cebadores de ARN al final de la replicación?
No permanecen en la estructura del ADN maduro. Las enzimas (mediante su actividad 5'-3' endonucleasa) eliminan los cebadores, los huecos resultantes se rellenan con desoxirribonucleótidos y la ADN ligasa une las brechas restantes.
Qué más repasar sobre el tema
- Mecanismo de eliminación del superenrrollamiento mediante la ADN topoisomerasa
- Función correctora de las ADN polimerasas (actividad 3'-5' endonucleasa)
- Puntos de inicio de la replicación: estructura de los sitios ori y ARS
- Funciones específicas de los diversos tipos de ADN polimerasas (I–V en E. coli y α–η en eucariotas)
- Fusión de replicones y configuración espacial del ojo de replicación
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