Su grado de compactación es variable siendo la forma más compactada lo que conocemos como cromosoma y la forma más laxa no asociada a proteínas lo que conocemos como doble hélice del ADN.
Una de las cosas más importantes de esta molécula son las regiones que contiene - comúnmente conocidas como genes- y que son portadoras de instrucciones para la síntesis de otras moléculas. La existencia o no de estas moléculas determina el desarrollo y funcionamiento de un organismo vivo.
Las células que componen un organismo vivo, al igual que él, tienen un lapso de vida limitado. Por ello, es necesario que todas las células que lo componen se vayan renovando gracias a la mitosis.
El proceso de la mitosis consiste básicamente en la escisión de la célula a replicar en dos células hijas exactamente iguales. Para que las células sean iguales entre sí e iguales a la célula original debe darse una duplicación del ADN antes de la ruptura.
¿Cómo tiene lugar esta duplicación?, ¿Qué mecanismos pone en funcionamiento una célula que quiere duplicarse?
Para responder a estas preguntas explicaremos el proceso de duplicación o replicación del ADN en un organismo sencillo. El organismo sencillo escogido es unicelular y contiene un único cromosoma circular. ¿Cúal es el organismo? Estamos hablando de una bacteria, más concretamente de una bacteria de E. Coli.
En E. Coli el proceso de replicación se denomina "replicación Θ" y está caracterizado por tener un único origen de replicación o replicón.
Todo el proceso de replicación del ADN se da gracias a la intervención de la maquinaria celular: las enzimas. Las enzimas son proteínas con estructura tridimensional y una región de reconocimiento de la molécula o sustrato sobre el cual deben iniciar su acción. El tipo de acción o actividad que realice una enzima dependerá del tipo de enzima que estemos mirando.
La acción de las enzimas permite separar las dos cadenas que componen el ADN: la cadena atrasada y la cadena avanzada. Las cadenas reciben este nombre porque son complementarias entre sí, no iguales, y este hecho hace que no puedan ser replicadas del mismo modo. Para entendernos, es como si tuviéramos una frase escrita en un papel dentro de un bolígrafo y la misma frase reflejada en un espejo que se encuentra en otro bolígrafo.
Además, estos dos bolígrafos para poder manterse unidos deben tener una posición concreta: el tapón de uno debe estar tocando la "cola" del otro. De este modo una persona normal que tuviera que leer las frases obligatoriamente empezando por el tapón se hallaría ante un bolígrafo que contiene una frase de fácil y rápida lectura y otro bolígrafo que contiene la misma frase pero "de difícil lectura".
Por ello, debido a esta diferencia en la orientación no pueden ser replicadas de la misma forma porque, al igual que nosotros, la enzima encargada de "la lectura del ADN" sólo puede hacerlo en un sentido concreto:de 3' a 5'. La cadena con la orientación apta para la enzima que lee y replica (DNA polimerasa III) se denomina cadena avanzada y la complementaria a ésta se denomina cadena atrasada.
Cabe destacar que el método utilizado por la DNA polimerasa III para leer la cadena atrasada consiste en avanzar, empezando por el tapón, y luego retroceder para leer y sintetizar. Así pues, la cadena atrasada se va construyendo a fragmentos. A saltos.
No entraremos en detalles en esto. Sólo lo menciono por el hecho de que esta mayor complicación podría llevarnos a pensar que la síntesis de ADN utilizando como molde la cadena atrasada podría ser un proceso más lento pero, como se desvelará más adelante, esto no es así.
Volvamos al proceso de replicación. Para que se pueda "leer y sintetizar" se han de separar las cadenas. Se ha de pasar de tener una cadena doble a dos simples.
La separación de las cadenas no es total con lo cual se forma lo que se llama una burbuja de replicación.
En cada cadena separada hay un origen de replicación. Un punto en el cual la DNA polimerasa III comenzará su lectura. Por tanto, necesitamos cuatro DNA polimerasas.
¿Por qué cuatro?
Como veis en la siguiente imagen la separación de las dos cadenas de ADN en un punto forma una burbuja de replicación. Una burbuja de replicación está formada por dos horquillas de replicación.
*¿Qué es una horquilla de replicación? A partir del origen de replicación la síntesis de ADN debe hacerse hacia la izquierda y hacia la derecha. Sendas direcciones deben realizarse por dos DNA polimerasas diferentes. En conjunto, tenemos dos DNA polimerasas III que sintetizan "hacia la izquierda" y otras dos "hacia la derecha", por tanto tenemos una horquilla hacia la izquierda y otra hacia la derecha.
En cada horquilla de replicación encontraremos una cadena avanzada, una cadena atrasada y dos DNA polimerasa III.
Antes de explicar todo el proceso de la replicación haremos una breve introducción a las proteínas que intervienen:
- Proteínas iniciadoras: proteínas que se unen a unas secuencias (regiones) del ADN que se encuentran cerca del replicón doblándolo y creando una tensión que hará que la doble cadena se separe por el sitio más débil (el replicón).
- Proteínas SSB: proteínas que se unen a la cadena simple de ADN y evitan que las dos cadenas separadas vuelvan a combinarse.
- Helicasa: complejo (enzima) formado por 6 subunidades proteicas que se carga sobre la cadena atrasada (5' -> 3') de una horquilla de replicación y se encarga tanto de separar más doble cadena como de reclutar a la primasa. El complejo formado por la unión de la helicasa con la primasa recibe el nombre de primosoma.
- Topoisomerasa: la topoisomerasa es una enzima que corta y "engancha" la cadena de ADN. Este proceso es importante porque conforme va avanzando la helicasa y se separan las cadenas se forman nudos que han de deshacerse de este modo. ¿Por qué se forman nudos? Recordemos que el ADN es una doble hélice.
- Primasa: enzima reclutada por la helicasa gracias a la cual la DNA polimerasa III puede comenzar a sintetizar ADN nuevo. La primasa forma un trozo de ARN complementario al ADN de la cadena que lee. El ARN es una molécula cuya composición es exactamente igual a la del ADN a excepción de los azúcares que forman el esqueleto. El ARN es una molécula que puede ser sintetizada mediante la correcta colocación de las unidades básicas que lo forman y sin la necesidad de que haya algo previo empezado. Esta característica no es compartida por la molécula de ADN, por ello ese trozo de ARN es necesario para que la DNA polimerasa III tenga un punto de partida en la síntesis -que no lectura- 5' a 3' de ADN.
- DNA polimerasa III: enzima replicativa formada por 3 subunidades. Subunidad α, ε y Θ .La subunidad α es la parte encargada de polimerizar ADN, la subunidad ε es la región con capacidad correctora de errores y la subunidad Θ es la que mantiene todo el complejo en la correcta posición.
Como ya dijimos, las dos DNA polimerasas III que se encuentran en una horquilla de replicación actúan como si fueran un único complejo. Esto es debido al establecimiento de una serie de proteínas que se colocan entre estas dos enzimas manteniéndolas unidas.
La existencia de estas proteínas obliga a las dos DNA polimerasas a mantenerse a la misma altura y a trabajar a la misma velocidad. Pero, ¿si una cadena es la avanzada y la otra la atrasada cómo pueden las DNA polimerasas sintetizar ADN en la misma dirección? Porque el ADN de la cadena atrasada forma un lazo. *video al final de la entrada*
Proteínas asociadas a dos DNA polimerasas:
- Complejo γ - δ: conjunto de subunidades que cargan en el ADN, junto a los cebadores de ARN sintetizados por la primasa, unas anillas que se encuentran en el citoplasma de la célula llamadas dímeros β que permiten que la DNA polimerasa III sintetice hasta el final sin desengancharse hasta que tope con algo.
- Proteínas τ: proteínas que unen las DNA polimerasas entre sí, así como con el complejo γ - δ y la helicasa.
Finalmente pasaremos a explicar el proceso de la replicación:
La unión de las proteínas iniciadoras hace que la doble cadena de ADN se doble formándose así una burbuja de replicación. Las cadenas sencillas que quedan "libres" son enseguida rodeadas por las proteínas SSB que las mantendrán en este estado hasta que finalice la replicación.
En la cadena atrasada de cada una de las horquillas de replicación se une una helicasa. Cuando la helicasa actúa separando más ADN de doble cadena convirtiéndolo en dos cadenas simples actúa también la topoisomerasa evitando así posibles nudos. En un determinado momento de su avance, la helicasa se encontrará con una secuencia que provocará el reclutamiento de la primasa formando el primosoma (complejo helicasa-primasa).
El primosoma sintetizará el trozo de ARN ó primer. Una vez finalizado el primer la primasa se desprende de la helicasa y entonces se activa el complejo γ - δ que dejará en el lugar un dímero β
La DNA polimerasa III se unirá a este dímero y, en el caso de la cadena avanzada, no lo soltará hasta que finalice de replicar todo el ADN pero en la cadena atrasada, como debe replicar a trozos puesto que debe empezar por el "tapón", necesita constantes primers y dímeros. La DNA polimerasa III replica en la cadena atrasada a saltos.
Una vez finalizada la replicación tenemos dos cadenas de ADN con primers. Estos son eliminados y sustituídos por ADN obteniendo así dos copias perfectas de la doble cadena original.
¡Voilà! ya tenemos dos preciosas células de E. Coli. ¡Por cierto!
E. Coli se duplica cada 20 minutos.¡Imaginad la velocidad a la que tiene lugar este proceso! Imaginad la de millones de microorganismos que se pueden formar en una pequeña superfície.
http://www.youtube.com/watch?v=-EGKrYdQEHQ