La replicación del ADN implica la separación de las dos hebras de la doble hélice, con cada hebra sirviendo como una plantilla desde la cual se copia la nueva hebra complementaria. Después de la replicación, cada ADN de doble cadena incluye una hebra parental o “vieja” y una hebra “nueva”. Esto se conoce como replicación semiconservativa. Las moléculas de ADN resultantes tienen la misma secuencia y se dividen por igual en las dos células hijas.
Replicación en procariotas
La replicación del ADN utiliza un gran número de proteínas y enzimas. La enzima helicasa separa las dos cadenas de ADN. A medida que la helicasa se mueve a lo largo del ADN, separa las dos hebras para formar una estructura en forma de Y conocida como la horquilla de replicación. Después de esto, la enzima primasa añade tramos cortos de ARN conocidos como cebadores para iniciar la síntesis de ADN por ADN polimerasa, la enzima responsable de la síntesis de ADN. En las bacterias, se conocen tres tipos principales de ADN polimerasas: ADN pol I, ADN pol II y ADN pol III. La ADN pol III es la enzima necesaria para la síntesis de ADN; la ADN pol I y la ADN pol II son principalmente necesarias para su reparación. La DNA pol III añade desoxirribonucleótidos, cada uno complementario a un nucleótido en la cadena de plantilla, uno por uno al grupo 3′-OH de la cadena de ADN en crecimiento. La ADN polimerasa III sólo puede extenderse en la dirección de 5′ a 3′. La adición de estos nucleótidos requiere energía. Esta energía está presente en los enlaces de tres grupos fosfato unidos a cada nucleótido, de manera similar a como se almacena la energía en los enlaces fosfato de adenosina trifosfato (ATP). Cuando se rompe el enlace entre los fosfatos y se libera difosfato, la energía liberada permite la formación de un enlace covalente de fosfodiéster por síntesis de deshidratación.
La doble hélice del ADN es antiparalela; es decir, una cadena está orientada en la dirección de 5′ a 3′ y la otra está orientada en la dirección de 3′ a 5′. Durante la replicación, una cadena, que es complementaria a la cadena de ADN parental de 3′ a 5′, se sintetiza continuamente hacia la horquilla de replicación porque la polimerasa puede añadir nucleótidos en esta dirección. Esta hebra sintetizada de forma continua se conoce como la hebra conductora. La otra cadena, complementaria al ADN parental de 5′ a 3′, se aleja de la horquilla de replicación, por lo que la polimerasa debe volver hacia la horquilla de replicación para empezar a agregar bases a un nuevo cebador, otra vez en la dirección opuesta a la horquilla de replicación. Lo hace hasta que choca la cadena previamente sintetizada, y luego se mueve de nuevo. Estos pasos producen pequeños fragmentos de secuencia de ADN conocidos como fragmentos de Okazaki, cada uno separado por el cebador de ARN. La hebra con los fragmentos de Okazaki se conoce como la hebra rezagada, y se dice que su síntesis es discontinua.
Después de la síntesis por la ADN polimerasa III, los cebadores son removidos por la actividad de exonucleasa de la ADN polimerasa I, y las brechas son llenadas. Las hendiduras que permanecen entre el ADN recién sintetizado (que reemplazó el cebador de ARN) y el ADN sintetizado previamente son selladas por la enzima ADN ligasa que cataliza la formación de un enlace covalente de fosfodiéster entre el extremo 3′-OH de un fragmento de ADN y el extremo fosfato 5′ del otro fragmento, estabilizando la columna vertebral de azúcar-fosfato de la molécula de ADN.
Replicación en eucariotas
Los genomas eucarióticos son mucho más complejos y grandes que los genomas procarióticos y están compuestos típicamente de múltiples cromosomas lineales. El genoma humano, por ejemplo, tiene 3 mil millones de pares de bases por conjunto haploide de cromosomas, y 6 mil millones de pares de bases se insertan durante la replicación. Hay múltiples orígenes de replicación en cada cromosoma eucariótico; el genoma humano tiene de 30.000 a 50.000 orígenes de replicación. La tasa de replicación es de aproximadamente 100 nucleótidos por segundo, 10 veces más lenta que la replicación procariótica.
Los pasos esenciales de la replicación en eucariotas son los mismos que en procariotas. Antes de que pueda comenzar la replicación, el ADN debe estar disponible como plantilla. El ADN eucariótico está altamente superenrollado y empaquetado, lo cual es facilitado por muchas proteínas, incluyendo las histonas. Tras el inicio de la replicación, en un proceso similar al que se encuentra en los procariotas, la elongación es facilitada por las polimerasas de ADN eucariotas. La hebra conductora o principal es sintetizada de forma continua por la enzima pol δ de la polimerasa eucariótica, mientras que la hebra rezagada es sintetizada por la pol ε. La enzima ribonucleasa H (RNasa H), en lugar de una ADN polimerasa como en las bacterias, elimina los cebadores de ARN, que luego se reemplazan con nucleótidos de ADN. Las brechas que quedan son sellados por ligasa de ADN.
Al igual que en los procariotas, la polimerasa de ADN eucariota puede añadir nucleótidos sólo en la dirección de 5′ a 3′. En la hebra conductora, la síntesis continúa hasta que alcanza el extremo del cromosoma u otra horquilla de replicación que progresa en sentido contrario. En la hebra rezagada, el ADN se sintetiza en tramos cortos, cada uno de los cuales es iniciado por un cebador independiente. Cuando la horquilla de replicación alcanza el extremo del cromosoma lineal, no hay lugar para hacer un cebador para que el fragmento de ADN se copie al final del cromosoma. Estos extremos permanecen así no emparejados, y, con el tiempo, pueden llegar a ser progresivamente más cortos a medida que las células continúan dividiéndose.
Este texto es adaptado de Openstax, Microbiología, Capítulo 11.2: Replicación del ADN.
