Replicación de la Doble Hélice: Biosíntesis de ADN

Durante la replicación del ADN, cada hebra se separa y actúa como molde o patrón para la síntesis de una nueva cadena que posee una secuencia de bases complementaria. La complementariedad entre las bases (G-C y A-T) constituye la esencia de la replicación. La replicación del ADN se dice que se ajusta a un modelo semiconservativo.

Replicación del ADN en Bacterias

La replicación del cromosoma bacteriano comienza cuando se forma una burbuja de replicación, que se extiende y da lugar a dos horquillas de replicación, en las cuales cada hebra del ADN sirve de molde para que se sintetice una cadena complementaria. Las horquillas se desplazan en sentidos opuestos hasta que se encuentran en el punto de terminación. Finalmente, los dos nuevos cromosomas genéticamente idénticos se separan.

2.1 Apertura y Desenrollamiento de la Doble Hélice

La separación de las cadenas en E. coli comienza en un punto concreto del cromosoma denominado oriC. A partir del origen de replicación se forman unas burbujas de replicación, que se extienden a lo largo del cromosoma y dan lugar a dos horquillas de replicación donde las dos hebras del ADN parental están separadas y actúan como moldes para la síntesis de dos nuevas cadenas de ADN, por eso la replicación es bidireccional. Para que la doble hélice se desenrolle sin que las hebras circulares acaben enredándose en un ovillo, interviene un conjunto de proteínas y enzimas que, junto con las enzimas ADN polimerasas, constituyen el replisoma:

• Actúan las enzimas helicasas que facilitan el desenrollamiento de la doble hélice e intervienen enzimas girasas y topoisomerasas.
• Las proteínas se unen a las hebras molde del ADN para estabilizarlas y que no se vuelvan a enrollar.

Síntesis de Dos Nuevas Cadenas de ADN

Las enzimas ADN polimerasas leen la secuencia de cada una de las cadenas y elaboran dos copias con secuencias complementarias. En E. coli existen tres enzimas ADN polimerasa: I y III, que se encargan de la replicación y de la corrección de errores, y II, que lleva a cabo la reparación del ADN. La ADN polimerasa III lleva a cabo la mayor parte del proceso.

• Recorre las hebras molde y selecciona en cada momento el desoxirribonucleótido trifosfato, cuya base debe ser complementaria a la base del molde.
• Si el nucleótido trifosfato seleccionado es el complementario, cataliza su hidrólisis.

La enzima ADN polimerasa sería como el cocinero ciego que toma los ingredientes al azar.

Problemas que debe resolver la enzima ADN polimerasa III:

• Inicio de la síntesis: se debe a que la ADN polimerasa III es incapaz de iniciar por sí sola la síntesis de una nueva cadena de ADN; solo pueden alongarla.
• Sentido de lectura de la hebra molde: las dos hebras molde del ADN, la que está orientada en el sentido 3′ → 5′ es copiada de manera continua por esta enzima, y la nueva réplica, que crece en el sentido 5′ → 3′, se llama hebra conductora o líder. Sin embargo, la otra hebra molde, al ser antiparalela y estar orientada en el sentido 5′ → 3′, no puede «leerse» en este sentido por la ADN polimerasa III. Este problema se soluciona abriendo porciones de la hebra molde suficientemente grandes que permitan a la enzima ir retrocediendo para poder leer en el sentido adecuado y así sintetizar pequeños fragmentos de ADN.

Tanto la hebra conductora como los fragmentos de Okazaki comienzan con la síntesis del ARN primer, que posteriormente se elimina.

3. Replicación del ADN en Células Eucariotas

La replicación del genoma eucariota transcurre en la fase S del ciclo celular de modo similar al descrito para los procariotas: es semiconservativa y bidireccional; la hebra conductora se sintetiza de manera continua y la retardada de forma discontinua y también se requiere un ARN cebador. La replicación en eucariotas presenta ciertas características peculiares:

• Intervienen, al menos, cinco tipos diferentes de ADN polimerasas. Se utiliza una ADN polimerasa para sintetizar la hélice conductora (δ) y otra diferente para producir la hélice retardada (α).
• En el cromosoma eucariota, el ADN se encuentra asociado con los octámeros de histonas; deben duplicarse también las histonas. Los nuevos nucleosomas y los antiguos se reparten de manera aleatoria entre la retardada y la conductora.
• El genoma eucariota consta de varios cromosomas lineales con un total de unos 3 x 10⁹ pares de bases. La replicación del ADN tiene lugar en la fase S del ciclo celular (1).

Telómeros: Envejecimiento y Muerte Celular

Cuando se elimina el ARN cebador del extremo 5′ de cada una de las hebras recién sintetizadas, el hueco que queda no lo pueden rellenar las enzimas ADN polimerasas. Los telómeros indican a una célula cuántas divisiones celulares son aún posibles hasta que llegue el momento en que debe cesar toda actividad. La telomerasa es una ribonucleoproteína que actúa como transcriptasa inversa, ya que contiene una hebra de ARN con la secuencia apropiada para actuar como molde para la síntesis de la secuencia telomérica de ADN.

4. Las Mutaciones

Las mutaciones son cambios o variaciones del material genético que afectan a las secuencias génicas y se transmiten a las secuencias de aminoácidos de las proteínas.

4.1 Mutaciones Génicas o Puntuales

Son alteraciones en la secuencia del ADN que afectan a un único par de bases, y se transmiten por herencia a todos los descendientes. Una mutación génica o puntual puede producirse por:

• Mutaciones que cambian el sentido de lectura del ARNm: sustituciones. Consisten en reemplazar o sustituir una base por otra. Si estos cambios no se corrigen y afectan a las células germinales. Estos procesos de sustitución pueden ocurrir de dos formas:
  • Transición: Consiste en la sustitución de una base pirimidínica por otra, o de una base púrica por otra.
  • Transversión: Consiste en la sustitución de una base púrica por una pirimidínica o viceversa.

  Al transcribirse estas mutaciones, su traducción da lugar a que se incorpore un aminoácido distinto del normal en la cadena polipeptídica. Esta sustitución altera el sentido de la lectura del triplete y puede ser:

  • Sustitución conservadora: El nuevo aminoácido es similar al sustituido.
  • Sustitución no conservadora: La diferencia entre ambos aminoácidos es radical y si el cambio afecta al sitio activo de la proteína o a alguna de sus dominios fundamentales, la nueva proteína no funcionará correctamente.
• Mutaciones que cambian el marco de lectura: inserción y delección.
  • Inserción: Se trata de la intercalación de un nuevo nucleótido (o de unos pocos nucleótidos) en una secuencia determinada del ADN.
  • Delección: Consiste en la pérdida de un nucleótido (o de unos pocos) en una secuencia del ADN.

  La inserción o delección de un nucleótido en ambas cadenas del ADN produce un cambio del marco de lectura. Si, por el contrario, el número de nucleótidos es múltiplo de 3, se producen mutaciones que no cambian el marco de lectura.

4.2 Mutaciones Cromosómicas

Las mutaciones cromosómicas se producen por alteración del número o de la disposición de las secuencias génicas normales que componen un cromosoma. Existen varias causas de estas mutaciones: inversión (un segmento invierte su secuencia), duplicación (se repite la misma secuencia), delección (se elimina un fragmento del cromosoma) y translocación (se fusiona un fragmento de un cromosoma con otro cromosoma).

4.3 Mutaciones Genómicas

Las mutaciones genómicas afectan al genoma y dan lugar a una variación del número de cromosomas. Pueden darse tres casos: poliploidía, haploidía y aneuploidía.

• Poliploidía: Consiste en un incremento de la condición diploide (2n) por aumento del número de «juegos completos» de cromosomas: triploides (3n), tetraploides (4n), etc. Si estos «juegos cromosómicos» son idénticos, se denominan autopoliploides. Si los «juegos cromosómicos» proceden de especies diferentes, reciben el nombre de alopoliploides.
• Haploidía: Es el caso contrario a la poliploidía y se produce cuando se pierde un «juego cromosómico» de los dos que existen en el organismo diploide. Ejemplo: organismos partenogenéticos.
• Aneuploidía: Se produce cuando un individuo presenta accidentalmente algún cromosoma de más o de menos en relación con su condición diploide, sin que se llegue a alcanzar la dotación de un «juego completo». Se denominan monosomías cuando en lugar de dos cromosomas homólogos solo hay uno; trisomías, si existen tres cromosomas homólogos.

Agentes Mutágenos

Los mutágenos son agentes físicos, químicos o biológicos que causan mutaciones.