Mecanismo de elongación. Procariontes y eucariontes

Un acontecimiento clave en el ciclo celular, e imprescindible para que se realice la división celular, es la replicación del ADN, que ocurre en la fase S de la interfase.

El mecanismo general de la replicación fue intuido por Watson y Crick cuando establecieron la estructura de doble hélice y la complementariedad de las bases.
Hoy día, basándose sobre todo en experimentos realizados, se han desentrañado, la secuencia de reacciones que conducen a la replicación del ADN. Este proceso se divide en dos etapas:la iniciación y la elongación. Además, durante la elongación se lleva a cabo la corrección de errores que se hayan podido producir.

• La fase de iniciación, consiste en el desenrollamiento y apertura de la doble hélice.
• La fase de elongación, es la fase en la que se sintetiza una nueva hebra de ADN sobre cada hebra de la doble hélice original. Además de las enzimas que actúan en la fase de iniciación, en la elongación intervienen las ADN polimerasas, de varios tipos (I, II, III). Su función es doble:

                -Actividad polimerasa. Unen entre sí los nucleótidos que formarán el ADN.
                -Actividad exonucleasa. Eliminan nucleótidos cuyas bases nitrogenadas están mal apareadas.

Procariontes

El mecanismo de elongación es, el mismo para las dos hebras de ADN. la ADN polimerasa III recorre las hebras molde en sentido 3' - 5', y va uniendo los nuevos nucleótidos en el extremo 3' hasta que se forman las hebras replicadas; luego , la nueva hebra que se va formando crece en la dirección 5' - 3'. Sin embargo, como las dos cadenas son antiparalelas, el desarrollo de la elongación presenta ligeras variaciones según la hebra de que se trate. 

Cuando se forma la burbuja de replicación, la ADN polimerasa solo puede unir nucleótidos en uno de los dos sentidos. La síntesis de una de las nuevas hebras se realiza sin interrupciones en sentido 5' - 3' y se requiere un solo cebador. Esta hebra sintetizada de manera continua es la conductora o líder.

Sea cual sea la hebra, la ADN polimerasa no puede iniciar de cero la síntesis de una nueva cadena de ADN, necesita un fragmento de unos 10 nucleótidos de ARN (denominado cebador) con un extremo hidroxilo 3' libre al que añadir nuevos nucleótidos. Este cebador es sintetizado por una ARN polimerasa llamada primasa, y está formado por una secuencia de nucleótidos complementaria de la cadena molde en el lugar concreto donde se va a iniciar la replicación. Una vez comenzada la síntesis, la propia cadena de ADN sintetizada actúa como cebador.

El mecanismo de síntesis de la otra hebra, llamada hebra retardada porque su síntesis se retrasa ligeramente en relación con la de la conductora, fue descubierto en 1973 por R. Okazaki. Consiste en una síntesis discontinua de pequeños fragmentos de ADN de unos 1000 a 2000 nucleótidos (fragmentos de Okazaki).

Cada uno de los fragmentos requiere, cada ciertos intervalos, un cebador de ARN sintetizado por la primasa. La ADN polimerasa I va eliminando el cebador y rellenando los huecos con nucleótidos de ADN. Finalmente, la ADN ligasa suelda todos los fragmentos obtenidos.

La síntesis de ambas hebras, se produce de manera simultánea hasta que se termina totalmente la duplicación. Dado que esta duplicación es bidireccional, cada una de las nuevas hebras se sintetiza, en parte, de manera continua; y en parte, lo hace de manera discontinua.

Corrección de errores

Durante la replicación, es frecuente que se produzcan errores y se incorporen nucleótidos que no tengan correctamente apareadas sus bases. Sin embargo, durante la propia replicación se corrigen gran parte de estos errores. La ADN polimerasa actúa entonces como exonucleasas, que primero elimina los nucleótidos mal apareados, y luego rellena el hueco dejado con nuevos nucleótidos; la ADN ligasa es la que une los fragmentos resultantes.
Aunque el mecanismo de corrección de errores es muy eficiente, a veces queda alguno sin corregir. Esos errores pueden ser importantes en la evolución.

Eucariontes

La replicación del ADN en los organismos eucariontes es muy parecida ala de los procariontes, salvo diferencias derivadas, en parte, de la mayor complejidad del material genético de los eucariontes. Las principales son:

• Los cromosomas de los eucariontes contienen moléculas de ADN muy largas. Para abreviar el proceso, la replicación se inicia de manera simultánea en varios puntos de cada cromosoma denominados replicones.
• Existen cinco tipos de ADN polimerasa en lugar de los tres existentes en los procariontes, que se reparten las tareas de la elongación y corrección de errores.
• En los cromosomas de los organismos eucariontes, el ADN se encuentra asociado a las histonas. Las histonas son proteínas básicas que no tienen los procariontes y que se duplican durante la replicación. Junto con el ADN, forman nucleosomas. Los nuevos nucleosomas se incorporan a la hebra retardada, mientras que los viejos se quedan en la conductora.

El proceso de replicación del ADN se va completando normalmente hasta llegar al extremo del cromosoma, el telómero.
Cuando se elimina el último ARN cebador, la hebra retardada quedará incompleta, ya que la ADN polimerasa no podrá rellenar el hueco al ser incapaz de sintetizar en dirección 3' - 5'. Para poder completar esta cadena, la polimerasa necesitaría un extremo hidroxilo 3' libre donde iniciar un nuevo fragmento.
Este hecho hace que el telómero se vaya acortando un poco cada vez que la célula se divide, fenómeno que se asocia a los procesos de envejecimiento y muerte celular.

Muerte celular

Existen dos formas de muerte celular:

• La necrosis, o muerte accidental, se produce cuando la célula sufre un daño grave. Los caracteres morfológicos que acompañan a este tipo de muerte implican un hinchamiento de la célula y una intensa y rápida alteración de la estructura normal de la membrana plasmática y de, los orgánulos citoplasmáticos, incluido el núcleo.

• La apoptosis, o muerte celular programada. Se trata de una muerte natural, en el curso de esta,  las células se autodestruyen en ejecución de un programa  genético en el que están implicadas las proteínas de efectos antagónicos. Dos de las proteínas implicadas en mamíferos son la Bcl-2, que protege a las células de la apoptosis, y la Bax, que induce o acelera el proceso. Estas proteínas pueden ir asociadas formando homodímeros o heterodímeros. Existen también proteínas extracelulares que, como las neurotrofias, pueden favorecer la supervivencia o inducir la apoptosis, como ocurre con la proteína   Fas-L.

Desde un punto de vista morfológico, la apoptosis se caracteriza porque se produce una retracción celular, una condensación de la cromatina, su fragmentación en oligonucleosomas, y culmina con la formación de protuberancias en la superficie de la célula. La célula se rompe en muchos pedazos, que son fagotizados por los macrófagos.

¿Para qué sirve?

El ADN es el almacén de la información genética y la molécula encargada de transmitir a la descendencia las instrucciones necesarias para construir todas las proteínas presentes en un ser vivo. Este mecanismo de replicación es muy importante por que permite a la célula transmitir la misma carga de ADN a sus células hijas y así, que no se produzca ninguna alteración a la hora de pasar dicho material a la descendencia. La corrección de errores de la replicación puede causar mutaciones en algunas ocasiones, pero es muy importante ya que ayuda a que el proceso de replicación sea más eficaz.

Rebeca Zaragoza Igual