1.1. Características de la replicación

Si las condiciones extra e intracelulares son propicias, si todos los puntos de control han dado el “visto bueno”, la célula podrá ingresar en la fase S y duplicar sus cromosomas. Puesto que los cromosomas están formados esencialmente por ADN, la duplicación de los cromosomas implica la replicación del ADN, proceso caracterizado por las siguientes propiedades:

1. La replicación es semiconservativa

   En un principio se propuso que el proceso transcurriría en dos etapas. En primer lugar se generaría una especie de “negativo” de la molécula, del mismo modo que se obtiene un molde de la mano presionándola sobre una plancha de escayola; a continuación se emplearía el negativo para la síntesis de la nueva molécula, por un procedimiento equivalente al de verter cera líquida en el molde de escayola para obtener una imagen positiva de la mano.

   	Tres posibles modelos de replicación del ADN. La molécula original se representa en azul, y la recién sintetizada en rojo (fuente: ASH).

   Sin embargo, el modelo de la doble hélice de Watson y Crick sugería que el hipotético ciclo de replicación podía abreviarse un paso, porque cada molécula de ADN portaba ya su propio “negativo”: si se separaban las dos cadenas, cada una de ellas podría servir de molde para que la maquinaria celular sintetizara una copia idéntica de la otra —ensamblando los nucleótidos complementarios— y produjera dos moléculas de ADN donde antes había solo una.

   Este modelo de replicación fue bautizado como semiconservativo, porque cada molécula de ADN “hija” conservaba una de las dos cadenas originales (es decir, la mitad de la molécula “madre”). Parecía el modelo más lógico, pero podían concebirse dos alternativas verosímiles que, de entrada, no se debían descartar (véase la ilustración de la derecha):

   • El mecanismo conservativo, en el que las dos hebras recién sintetizadas formarían una doble hélice enteramente nueva (en tanto que la original permanecería intacta).
   • El modelo dispersivo, en el que la molécula “madre” se rompería en fragmentos antes de copiarse, repartiéndose las piezas originales y las nuevas entre las dos “hijas”.

   Interesaba, por tanto, hallar algún modo de decidir cuál de las tres alternativas era la correcta. En 1958, los estadounidenses Matthew Stanley Meselson (n. 1930) y Franklin William Stahl (n. 1929) publicaron un elegante experimento que daba por zanjada la cuestión.

   [ver ilustración↓]
   
   Experimento de Meselson y Stahl. Para comparar la densidad del ADN de distintas generaciones de bacterias lo dejaban flotar en una solución de cloruro de cesio —más denso que la sal común— a la que ultracentrifugaban, creando un gradiente de densidad: las moléculas más densas se situaban al fondo del tubo. Bajo la luz ultravioleta el ADN aparecía como una banda oscura, que pudieron fotografiar con una cámara especial mientras el tubo giraba aún en la ultracentrífuga (fuente: ASH).

   Estos biólogos utilizaron la bacteria Escherichia coli, con cuyo ADN resultaba relativamente fácil trabajar. En primer lugar tuvieron que idear un método para poder distinguir el ADN original de las nuevas cadenas elaboradas a partir de los nutrientes que consumieran las bacterias. Sometieron, pues, el cultivo bacteriano a una dieta rica en ¹⁵N, un isótopo pesado del nitrógeno que se fijaba en las bases nitrogenadas, de manera que al cabo de catorce generaciones el ADN bacteriano era más denso de lo habitual.

   A continuación transfirieron las bacterias a un medio que tenía solo el isótopo ligero, ¹⁴N, y cada veinte minutos —el tiempo necesario para que apareciera una nueva generación bacteriana— extrajeron muestras del cultivo. Los resultados obtenidos fueron los siguientes:

   • La densidad del ADN de la primera generación (señalado en la ilustración 7.4 como “híbrido”) revelaba que contenía ¹⁴N y ¹⁵N en la misma proporción. Es decir, cada bacteria había heredado la mitad de la molécula de ADN de su progenitora, y la otra mitad la había sintetizado a partir de componentes del medio, en contra de lo predicho por la hipótesis conservativa.
   • En la siguiente generación aparecieron moléculas de ADN “híbrido” y de ADN con solo ¹⁴N, lo que permitía descartar el modelo dispersivo.

   Esto es, la hipótesis semiconservativa era la única compatible con los resultados experimentales; conclusión que fue corroborada poco después, mediante otros experimentos, en células eucariotas.

2. La replicación es bidireccional

   	Mecanismos de replicación del ADN que son compatibles con el modelo semiconservativo. Para mayor claridad, las dos cadenas de la doble hélice no aparecen enrolladas entre sí (fuente: ASH).

   La confirmación del modelo de replicación no acabó con las incógnitas, porque eran posibles varios mecanismos moleculares que darían como resultado la replicación semiconservativa del ADN. Por ejemplo, las dos hebras nuevas podían originarse en diferentes puntos del ADN inicial, creciendo cada una en una dirección. Otra posibilidad es que ambas cadenas tuviesen el mismo origen y creciesen a partir de él en un solo sentido; en el frente de avance habría una horquilla de replicación, una estructura en forma de Y originada en el lugar donde se abre la doble hélice parental. Por último, se podrían copiar ambas hebras en dos horquillas de replicación, que avanzarían en sentidos opuestos a partir de un único origen (véase la ilustración de la derecha).

   Aunque se conocen ejemplos de plásmidos bacterianos o virus cuyo ADN se replica según los dos primeros mecanismos, la evidencia disponible sugiere que la tercera alternativa (es decir, la replicación bidireccional) es la utilizada por la inmensa mayoría de las células procariotas y eucariotas. Se ha observado también que los orígenes de la replicación no son puntos aleatorios de la molécula de ADN; por el contrario, han de poseer rasgos (por ejemplo, secuencias cortas repetidas) reconocibles por proteínas específicas que, a su vez, reclutan las enzimas responsables del proceso.

    

4. La síntesis de ADN progresa en sentido 5’ → 3’

   La ilustración anterior parece insinuar que, a medida que la horquilla de replicación se “desplaza” por la molécula de ADN, las dos hebras “hijas” crecen de forma continua, usando la energía de la hidrólisis del grupo pirofosforilo terminal para añadir el nucleótido siguiente a cada cadena. Como indica la ilustración siguiente, ello requeriría que una de las cadenas creciese en sentido 5’ → 3’ y la otra en sentido 3’ → 5’, ya que las dos hélices de ADN tienen orientación antiparalela. Sin embargo, nunca se ha descubierto una enzima que catalice la polimerización de nucleótidos en sentido 3’ → 5’.

   
   La síntesis de ADN podría transcurrir, en principio, por incorporación de nucleótidos al extremo 3’ o al 5’ de una cadena en crecimiento; en realidad, solo se ha observado la primera alternativa (fuente: ASH).

   Pero si la replicación transcurre siempre en sentido 5’ → 3’, ¿cómo pueden producirse dos cadenas a la vez? El problema fue resuelto por los biólogos moleculares japoneses Reiji Okazaki (1930-1975) y Tuneko Okazaki (n. 1933) al descubrir, en 1968, que solo una de las cadenas, a la que llamaron cadena adelantada, puede crecer de forma continua en sentido 5’ → 3’, “persiguiendo” a la horquilla de replicación en su movimiento. La otra, la conocida como cadena retrasada, debe sintetizarse en sentido contrario al de avance de la horquilla de replicación, por lo que inevitablemente tiene que hacerlo en forma de cortas piezas (de unos miles de nucleótidos de longitud en bacterias, y de pocos centenares en eucariotas) llamadas fragmentos de Okazaki: el desplazamiento de la horquilla de replicación pone al descubierto el sitio en donde se inicia la síntesis de cada uno de tales fragmentos, que crecen hasta toparse con el formado inmediatamente antes (ilustración siguiente). Posteriormente, estos fragmentos se unen entre sí.

   
   Síntesis de la cadena retrasada mediante la formación de fragmentos de Okazaki (fuente: ASH).