Mecanismos de Replicación del ADN en Procariotas y Eucariotas

Fundamentos de la Replicación del ADN

La replicación del ADN es un proceso fundamental para la continuidad de la información genética y se caracteriza por ser semiconservativa, bidireccional y semidiscontinua tanto en procariotas como en eucariotas. Aunque el mecanismo básico es similar, existen diferencias estructurales y regulatorias derivadas del tamaño del genoma, la organización del ADN y la complejidad celular de cada dominio de la vida.

Replicación en Organismos Procariotas

En procariotas, cuyo genoma suele consistir en una molécula circular de ADN, la replicación comienza en un único origen denominado oriC, una región rica en pares A-T que facilita el desenrollamiento inicial. La iniciación está regulada por proteínas como HU e IHF, pero especialmente por DnaA, que reconoce secuencias específicas de 9 pb y promueve la separación de un segmento adyacente de 13 pb cuando existe superenrollamiento negativo.

A partir de esta apertura inicial, intervienen DnaB (helicasa) y DnaC, que permiten la separación de las dos hebras. Las cadenas simples resultantes quedan estabilizadas por proteínas SSB, mientras que la topoisomerasa II (girasa) elimina la tensión acumulada delante de la horquilla de replicación. Una vez establecido el complejo de iniciación, comienza la fase de elongación, coordinada por el replisoma. La enzima principal es la ADN polimerasa III, responsable de la síntesis de la mayor parte del ADN nuevo.

Elongación y Fidelidad en Procariotas

Como esta enzima solo puede añadir nucleótidos al extremo 3’-OH, es necesario que DnaG (primasa) sintetice cebadores de ARN que sirvan como puntos de partida. Debido al carácter antiparalelo de las hebras, la síntesis es continua en la cadena conductora y discontinua en la cadena retardada, donde se forman los fragmentos de Okazaki. Posteriormente, la ADN polimerasa I elimina los cebadores mediante su actividad exonucleasa 5’→3’ y los reemplaza por ADN. Finalmente, la ADN ligasa sella los fragmentos mediante un enlace fosfodiéster, completando la síntesis.

La replicación en procariotas es muy eficiente: en E. coli avanza a 800–1500 pb/segundo, y presenta una fidelidad extraordinaria gracias a tres niveles de corrección:

• Selección inicial de nucleótidos.
• Actividad exonucleasa 3’→5’ (proofreading).
• Reparación de bases mal apareadas tras la síntesis.

Cuando las dos horquillas que avanzan bidireccionalmente alcanzan las regiones de terminación, situadas en sitios Ter, la proteína Tus bloquea el avance de la helicasa, permitiendo la correcta finalización del proceso. La topoisomerasa II separa finalmente las moléculas hijas. La región oriC posee además múltiples secuencias GATC cuya metilación regula que la replicación no se reinicie prematuramente: tras la duplicación, el ADN queda hemimetilado y no puede formar un nuevo complejo de iniciación hasta que adquiera de nuevo la metilación completa, impidiendo rondas replicativas adicionales.

Replicación en Organismos Eucariotas

En eucariotas, el proceso sigue principios semejantes pero debe adaptarse a dos factores clave: la gran longitud del genoma y su empaquetamiento en cromatina. La replicación se produce exclusivamente durante la fase S de la interfase. Antes de replicarse, el ADN debe separarse parcialmente de las histonas mediante modificaciones como acetilación, metilación o fosforilación. Además, los eucariotas poseen múltiples orígenes de replicación, lo que permite completar la duplicación del genoma dentro del tiempo limitado de la fase S.

En Saccharomyces cerevisiae existen alrededor de 300 orígenes, conocidos como ARS, mientras que en humanos se estima que hay unos 20.000, aproximadamente uno cada 150 kb. Estos orígenes, generalmente ricos en A-T, son reconocidos por el complejo ORC (Origin Recognition Complex), similar funcionalmente a DnaA. Una vez que el ORC se une al origen, se reclutan los factores de licenciamiento Cdc6 y Cdt1, que aseguran que cada origen solo pueda activarse una vez por ciclo celular. Estos factores permiten el ensamblaje de la helicasa y del resto del replisoma, pero se degradan justo al iniciarse la replicación, con lo cual los orígenes no pueden volver a utilizarse hasta la siguiente fase G1.

Maquinaria Replicativa Eucariota

En cuanto a la maquinaria replicativa, los eucariotas emplean varias ADN polimerasas especializadas. La polimerasa α actúa como primasa al sintetizar un cebador híbrido compuesto por unos 10 nucleótidos de ARN seguidos de unos 30 de ADN. A partir de ahí, las polimerasas δ y ε se encargan de la elongación en la cadena retardada y conductora, respectivamente. Los fragmentos de Okazaki son mucho más cortos que en procariotas —aproximadamente 200 pb— debido al empaquetamiento del ADN en nucleosomas. La eliminación de los cebadores no se realiza mediante una actividad exonucleasa 5’→3’ de la polimerasa, sino que intervienen la RNasa H (que rompe híbridos ADN–ARN) y la endonucleasa FEN1, que elimina los restos del cebador antes de que la ligasa una los fragmentos.

Desafíos Específicos: Telómeros y Cromatina

Las células eucariotas deben resolver un problema adicional: la replicación de los telómeros, regiones terminales que no pueden copiarse completamente mediante la síntesis convencional. Para evitar su acortamiento progresivo, ciertas células expresan la telomerasa, una ribonucleoproteína compuesta por el ARN molde TERC y la transcriptasa inversa TERT. Esta enzima añade nuevas repeticiones en el extremo 3’, permitiendo la síntesis posterior de la cadena complementaria. Los telómeros están además protegidos por el complejo Shelterin, que regula la actividad de la telomerasa y forma una estructura de bucle que evita que los extremos se confundan con roturas de ADN.

La telomerasa está activa en células germinales, embrionarias, células somáticas altamente proliferativas y la mayoría de células tumorales, mientras que en la mayoría de células adultas está inactiva, lo que conduce al acortamiento progresivo de los telómeros y a la entrada en senescencia. Finalmente, la replicación eucariota debe acompañarse de una rápida reformación de la cromatina. Detrás de la horquilla, las histonas parentales se redistribuyen entre las dos moléculas hijas, y se incorporan histonas recién sintetizadas durante la fase S. Chaperonas como ASF1 y CAF-1 coordinan tanto la desensambladura como el reensamblaje de nucleosomas.

Conclusión

Este proceso asegura no solo la compactación adecuada del ADN recién duplicado, sino también la transmisión de las marcas epigenéticas que regulan la expresión génica. En conjunto, aunque procariotas y eucariotas comparten los principios básicos de la replicación del ADN, las diferencias en su organización genómica y en los mecanismos de control hacen que los eucariotas presenten un proceso mucho más complejo, altamente regulado y estrechamente integrado con la estructura de la cromatina y el ciclo celular.