Iniciación de la replicación y preparación de la matriz
La duplicación del cromosoma bacteriano no puede comenzar en un lugar aleatorio. El sitio de anclaje del complejo replicativo es una región específica: el origin (origen de replicación). La secuencia específica de nucleótidos en esta zona favorece el desenrollamiento inicial de la doble hélice. A partir de esta región, una o dos horquillas de replicación pueden comenzar a moverse, y el proceso continuará hasta la duplicación completa de toda la molécula.
Para una separación exitosa de las cadenas del ADN materno, actúa todo un equipo de proteínas:
- Helicasa: enzima que desenrolla físicamente la doble hélice en el punto de ramificación. Este proceso requiere un consumo significativo de energía.
- Topoisomerasa (girasa): alivia la tensión estructural y evita la formación de giros secundarios (superenrollamiento) por delante de la horquilla que avanza.
- Proteínas SSB (Single-Strand Binding proteins): se unen de inmediato a las regiones monocatenarias expuestas. Evitan que el ADN vuelva a enrollarse en espiral y protegen de forma fiable los filamentos vulnerables frente a la degradación por nucleasas.
Mecanismo bioquímico de la síntesis y el papel del cebador
La síntesis directa de las nuevas cadenas es llevada a pela por la enzima ADN polimerasa. Sin embargo, esta enzima tiene una limitación bioquímica importante: es capaz de añadir nuevos nucleótidos exclusivamente al grupo 3’-hidroxilo (extremo 3’) de una cadena ya existente. La ADN polimerasa no puede iniciar la síntesis «desde cero».
Para comenzar, requiere un cebador especial (primer). Este papel lo desempeña una cadena corta de ARN que es completamente complementaria a la matriz de ADN. Esta cebadura es sintetizada por la enzima ADN primasa (o ARN primasa). La singularidad de la primasa es que es capaz de iniciar la síntesis de ARN sobre un ADN monocatenario sin necesidad de ningún soporte previo. Como resultado, en el extremo 5’ de cada cadena nueva siempre hay inicialmente ribonucleótidos, y solo después de su colocación la ADN polimerasa puede proceder a la extensión completa del filamento.
Asimetría de la horquilla de replicación
Dado que las dos cadenas de la molécula de ADN son antiparalelas entre sí y la síntesis solo puede avanzar en dirección de 5' a 3', los procesos en ambas hebras se desarrollan de manera fundamentalmente distinta. En la horquilla de replicación se distinguen dos cadenas:
- Cadena conductora (Leading strand). Aquí, la dirección de la síntesis coincide plenamente con el vector de desenrollamiento de la hélice. Por lo tanto, la ADN polimerasa se desplaza detrás de la helicasa de forma continua, ensamblando un filamento largo e íntegro.
- Cadena rezagada (Lagging strand). En este filamento, la dirección de la síntesis es opuesta al movimiento de la horquilla de replicación. La síntesis se ve obligada a realizarse de manera discontinua, en fragmentos cortos separados que se denominan fragmentos de Okazaki.
Maduración de la cadena rezagada y división celular
Para que la cadena rezagada se convierta en una molécula continua completa, debe pasar por la fase de maduración. Primero, se eliminan todos los cebadores de ARN utilizados para iniciar cada fragmento de Okazaki. Los huecos vacíos resultantes son rellenados con gran precisión por la ADN polimerasa. En la etapa final, la enzima ADN ligasa une los fragmentos dispersos en una sola cadena covalente.
La finalización del ciclo de replicación cromosómica es la señal para el inicio de la división de la célula bacteriana. En las bacterias, la segregación (separación) del nucleoide ocurre sin la participación del huso mitótico característico de los eucariotas. Los filamentos de ADN recién sintetizados se fijan a la membrana citoplasmática. Existe una estrecha relación espacial entre estos puntos de anclaje y la zona de crecimiento activo de la pared celular. A medida que la membrana crece, «separa» físicamente las dos copias del genoma ancladas hacia los polos de las futuras células hijas. Esta división binaria garantiza en última instancia el crecimiento de la población bacteriana en progresión geométrica.
En resumen: respuestas a preguntas sobre el tema
¿Qué tipos de ADN polimerasas se distinguen en las bacterias y cuáles son sus funciones principales?
En las bacterias (utilizando E. coli como modelo), se distinguen 5 tipos de ADN polimerasas (I, II, III, IV, V). En diversas combinaciones, estas enzimas se encargan de la replicación y reparación del ADN.
- ADN polimerasa I: elimina los cebadores de ARN gracias a su actividad exonucleasa y rellena los huecos resultantes con desoxirribonucleótidos.
- ADN polimerasa III: alarga la cadena de ADN a partir del cebador, formando los fragmentos de Okazaki en la cadena rezagada.
Las funciones de los demás tipos (II, IV, V) no se especifican en detalle, pero en general aseguran los procesos de síntesis y recuperación del material genético.
¿Qué enzima se encarga de eliminar los cebadores de ARN en la cadena rezagada en bacterias?
La eliminación de los cebadores de ARN en la cadena rezagada es realizada por enzimas que poseen actividad nucleasa.
- ADN polimerasa I: elimina los cebadores de ARN mediante su actividad exonucleasa y rellena los huecos resultantes con desoxirribonucleótidos.
- 5'-3'-endonucleasa: participa en la eliminación del cebador de ARN.
Tras la eliminación de los cebadores de ARN, los huecos formados se rellenan con la ADN polimerasa y los fragmentos de Okazaki individuales son unidos por la ADN ligasa en una sola cadena.
Helicasa: el Hacker (hackea y desenrolla la hélice). Topoisomerasa: el Freno (frena el superenrollamiento y alivia la tensión). Primasa: el Primero (coloca el primer cebador). Polimerasa: el Capataz (construye la cadena principal). Ligasa: la Cinta (pega los fragmentos de Okazaki).
Preguntas de clases y exámenes
¿Por qué la ADN polimerasa no puede iniciar la síntesis por sí misma?
El mecanismo bioquímico de la acción de la ADN polimerasa requiere la presencia de un extremo 3’ libre (grupo 3’-hidroxilo) para incorporar un nuevo nucleótido. Por ello, siempre necesita una plataforma de inicio en forma de cebador de ARN sintetizado por la primasa.
¿Qué son los fragmentos de Okazaki?
Son fragmentos cortos de ADN nuevo que se sintetizan en la cadena rezagada. Su formación discontinua se debe a que la síntesis se realiza en dirección 5'→3', lo cual es opuesto a la dirección de apertura de la horquilla de replicación.
¿Cómo se distribuyen las copias del cromosoma entre las células si las bacterias no tienen huso mitótico?
Las copias de ADN sintetizadas se adhieren a la membrana citoplasmática. Debido al crecimiento activo de la membrana y de la pared celular entre los puntos de anclaje del cromosoma, estos se separan físicamente hacia los extremos opuestos de las células hijas en formación.
Qué más repasar sobre el tema
- Características estructurales y secuencia de nucleótidos de la región origin
- Composición detallada del complejo de más de 20 enzimas que garantizan la duplicación
- Mecanismo de eliminación de los cebadores de ARN durante la maduración de la cadena rezagada
- Dinámica del movimiento de dos horquillas de replicación una hacia la otra en un cromosoma circular
- Aspectos matemáticos de la progresión geométrica durante la división binaria de la población
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