La replicación del ADN es el proceso mediante el cual una célula duplica su genoma antes de la división celular, asegurando que cada célula hija reciba una copia idéntica del material genético. El proceso es semiconservativo, lo que significa que cada nueva molécula de ADN consiste en una hebra original y una hebra recién sintetizada. Este principio es también la base de la PCR, una técnica utilizada para amplificar secuencias específicas de ADN.

Orígenes de Replicación

La replicación comienza en secuencias específicas llamadas orígenes de replicación. En E. coli, el único origen se llama oriC, una región de 245 pares de bases que contiene secuencias de caja DnaA y repeticiones ricas en AT. La proteína iniciadora DnaA se une a estas secuencias, causando la fusión local de la región rica en AT. Los cromosomas eucariotas contienen múltiples orígenes de replicación espaciados aproximadamente cada 30 a 100 kilobases. El sistema de licenciamiento asegura que cada origen se active solo una vez por ciclo celular cargando el complejo de helicasa Mcm durante la fase G1.

La Horquilla de Replicación

Una vez que el ADN se abre, la maquinaria de replicación se ensambla en la horquilla de replicación. La ADN helicasa desenrolla la doble hélice, con DnaB en bacterias y el complejo CMG que contiene Mcm2-7 en eucariotas. Las proteínas de unión a cadena sencilla recubren las hebras expuestas, evitando el rehibridación y protegiéndolas de nucleasas. La topoisomerasa alivia el estrés torsional creado por el desenrollamiento delante de la horquilla.

ADN Polimerasas

Las ADN polimerasas catalizan la adición de nucleótidos al extremo 3-prime de una hebra de ADN en crecimiento, requiriendo un molde y un cebador con un hidroxilo 3-prime libre. Siempre sintetizan en la dirección 5-prime a 3-prime y no pueden iniciar la síntesis de novo. E. coli tiene cinco ADN polimerasas, siendo Pol III la principal enzima replicativa. Los eucariotas tienen al menos 15, con Pol delta y Pol epsilon responsables de la síntesis de la hebra retardada y conductora respectivamente.

Síntesis de Hebra Conductora y Retardada

Debido a que las ADN polimerasas solo pueden sintetizar en la dirección 5-prime a 3-prime, las dos hebras se replican de manera diferente. La hebra conductora se sintetiza continuamente en la misma dirección que el movimiento de la horquilla, requiriendo solo un cebador. La hebra retardada se sintetiza de forma discontinua en fragmentos cortos llamados fragmentos de Okazaki, cada uno requiriendo un nuevo cebador. En eucariotas, los fragmentos de Okazaki tienen aproximadamente 100 a 200 nucleótidos de longitud. La primasa, una ARN polimerasa especializada, sintetiza cebadores cortos de ARN de aproximadamente 10 nucleótidos.

Eliminación de Cebadores y Ligación

Los cebadores de ARN en la hebra retardada deben eliminarse y reemplazarse con ADN. En bacterias, la ADN polimerasa I elimina el cebador de ARN mediante su actividad exonucleasa 5-prime a 3-prime y llena el hueco. En eucariotas, la ARNasa H elimina la mayor parte del cebador, y la nucleasa FEN1 elimina el último ribonucleótido. La ADN ligasa sella la muesca entre fragmentos adyacentes, consumiendo NAD+ en bacterias o ATP en eucariotas y arqueas. La digestión con enzimas de restricción genera fragmentos compatibles que pueden unirse mediante ADN ligasa en la clonación molecular.

Fidelidad de la Replicación

La replicación del ADN logra una precisión notable, con tasas de error de aproximadamente un error por cada 10^10 nucleótidos. Esta fidelidad resulta de tres mecanismos. Primero, las ADN polimerasas tienen alta selectividad geométrica, discriminando contra el apareamiento incorrecto de bases durante la incorporación. Segundo, la actividad exonucleasa 3-prime a 5-prime de las polimerasas replicativas corrige las bases recién añadidas, eliminando los desajustes inmediatamente. Tercero, la reparación de desajustes post-replicación corrige errores que escapan a la corrección de pruebas. Los defectos en la reparación de desajustes causan inestabilidad de microsatélites y predisponen al cáncer colorrectal hereditario no polipósico.

Replicación de Telómeros

Los extremos de los cromosomas lineales eucariotas plantean un problema especial porque la ADN polimerasa no puede replicar el extremo mismo de la hebra retardada. Los telómeros, secuencias repetitivas de ADN en los extremos de los cromosomas, son extendidos por la telomerasa, una transcriptasa inversa especializada que lleva su propia plantilla de ARN. La telomerasa añade repeticiones TTAGGG en humanos, previniendo el acortamiento progresivo. La telomerasa está activa en células germinales, células madre y la mayoría de las células cancerosas, mientras que las células somáticas carecen de telomerasa y experimentan acortamiento de los telómeros con cada división, contribuyendo a la senescencia celular.