Replicación del ADN: Mecanismos, Corrección de Errores y Mutaciones

Replicación del ADN

Replicación de la doble hélice

Durante la replicación del ADN, cada cadena de la doble hélice se separa y actúa como molde para la síntesis de una nueva cadena que posee una secuencia de bases complementaria. La complementariedad entre las bases (G-C y A-T), al igual que en los demás procesos que transmiten información, constituye la esencia de la replicación. La replicación del ADN se ajusta a un modelo semiconservativo, pues en la doble hélice de cada célula hija se conserva una cadena original de la célula madre, mientras que la otra cadena se sintetiza de nuevo.

Replicación del ADN en bacterias

Comienza cuando se forma una burbuja de replicación que se extiende y da lugar a dos horquillas de replicación, en las cuales cada hebra de ADN sirve de molde para que se sintetice una cadena complementaria. Las horquillas se desplazan en sentidos opuestos hasta que se encuentran en el punto de terminación. Al cabo de 30 minutos, los dos cromosomas genéticamente idénticos se separan.

Apertura y desenrollamiento de la doble hélice

La separación de las cadenas en E. coli comienza en un punto concreto del cromosoma denominado oriC, rico en secuencias GATC, que marca el origen de replicación. A partir del origen de replicación se forman unas burbujas de replicación que se extienden a lo largo del cromosoma en sentidos contrarios y dan lugar a dos horquillas de replicación, donde las dos hebras del ADN parental están separadas y actúan como moldes o patrones para la síntesis de dos nuevas cadenas de ADN. Por esta razón se dice que la replicación es bidireccional.

Para que la doble hélice se desenrolle interviene un aparato molecular de replicación llamado replisoma:

• En primer lugar actúan las enzimas helicasas, que facilitan el desenrollamiento de la doble hélice, que se abre como una cremallera. Para eliminar las tensiones generadas intervienen las enzimas girasas y topoisomerasas.
• Las proteínas SSBP se unen a las hebras molde del ADN para estabilizarlas y que no vuelvan a enrollarse.

Síntesis de dos nuevas cadenas

En E. coli existen tres enzimas ADN polimerasa: I y III, que se encargan de la replicación y la corrección de errores, y II, que solo lleva a cabo la reparación del ADN dañado por determinados agentes físicos. La ADN polimerasa III:

• Recorre las hebras molde y selecciona en cada momento el desoxirribonucleótido trifosfato, cuya base debe ser complementaria a la base del molde.
• El nucleótido trifosfato cataliza su hidrólisis, separando un resto pirofosfato (PP) del nucleótido monofosfato, que se incorpora a la cadena de ADN en forma mediante un enlace fosfodiéster, para lo que utiliza la energía desprendida en la hidrólisis.

Problemas que debe resolver la enzima ADN polimerasa III

La enzima debe resolver el inicio de la síntesis y el sentido de lectura de la hebra molde.

• Inicio de la síntesis: la ADN polimerasa III es incapaz de iniciar por sí sola la síntesis de una nueva cadena de ADN; solo puede elongarla, pues para añadir desoxirribonucleótidos necesita una cadena que suministre un grupo hidroxilo 3' libre.
• Sentido de lectura de la hebra molde: la ADN polimerasa III solo sabe leer las secuencias de las hebras molde en el sentido 3' → 5', mientras que las nuevas cadenas se sintetizan y crecen en el sentido 5' → 3'. Por tanto, la hebra molde 3' → 5' es copiada de forma continua y la nueva réplica recibe el nombre de hebra conductora o líder. La otra hebra molde, al ser antiparalela y estar orientada en el sentido 5' → 3', no puede leerse en este sentido por la ADN polimerasa III. Se copia abriendo porciones de la hebra molde suficientemente grandes que permitan a la enzima ir retrocediendo para poder leer en el sentido adecuado; estos son los fragmentos de Okazaki. Estos, más tarde, se unen para formar la otra réplica, que recibe el nombre de hebra retardada, porque tarda más tiempo en sintetizarse. Tanto la hebra conductora como los fragmentos de Okazaki comienzan con la síntesis de ARN primero, que después se elimina.

Hebra conductora y hebra retardada

Las diferentes etapas se pueden resumir:

• La hebra conductora se sintetiza con mayor rapidez debido a que las enzimas primasa, ADN polimerasa I y III actúan una sola vez, al principio de la réplica.
• La hebra retardada se sintetiza de forma discontinua, como un pespunte, mediante un proceso que requiere la colaboración de varias enzimas y en el que pueden distinguirse las etapas 1, 2, 3 y 4.

Corrección de los errores

La replicación del ADN es un proceso más complejo que la transcripción debido a la necesidad de mantener al máximo la fidelidad de la copia. La actividad de las enzimas ADN polimerasa debe ser exacta, rápida y fiel, pues la vida entera y su continuidad dependen de que la información genética se transmita con fidelidad de generación en generación. Por esta razón intervienen más de 50 proteínas diferentes agrupadas en un complejo multienzimático llamado replisoma, que incluye, además, enzimas correctoras. La ADN polimerasa III cataliza la polimerización de los nucleótidos y, por experiencia, se sabe que los errores en la síntesis son inevitables, pero pueden corregirse. Los mecanismos enzimáticos que detectan y corrigen las secuencias erróneas en la nueva cadena de ADN son de dos tipos: la corrección de pruebas y la corrección postreplicativa.

Actividad autocorrectora de la ADN polimerasa

Las enzimas ADN polimerasa I y III, además de polimerizar, son autocorrectoras: después de cada proceso de polimerización, la ADN polimerasa mira hacia atrás antes de incorporar el nucleótido siguiente y, si detecta un error en el apareamiento, elimina el último nucleótido (mediante una exonucleasa) y vuelve a introducir el nucleótido adecuado. Es decir, corrige las pruebas de su propio manuscrito. En E. coli, la actividad de las enzimas ADN polimerasa I y III comete un error de apareamiento por cada 10⁶ nucleótidos adicionados; la posterior actividad autocorrectora de estas mismas enzimas reduce el error de apareamiento a uno por cada 10⁸ nucleótidos adicionados.

Corrección postreplicativa

La corrección postreplicativa incrementa unas 100 veces la exactitud de la réplica, con lo que se alcanza la increíble perfección de un error por cada 10¹⁰ pares de bases. Se realiza mediante enzimas correctoras agrupadas en el replisoma que detectan el nucleótido mal emparejado, lo eliminan y regeneran la secuencia correcta:

• Para detectar el nucleótido mal apareado, el aparato de corrección debe reconocer la cadena recién sintetizada, donde se encuentra el error, y diferenciarla de la cadena molde. La hebra molde tiene metiladas las adeninas de las secuencias GATC. La hebra réplica permanece aún sin metilar y, en este intervalo, se descubren los posibles errores en la cadena que todavía no está metilada, que corresponde a la nueva hebra réplica.
• La eliminación se realiza mediante una endonucleasa que corta el segmento en el lugar donde se encuentra el nucleótido mal apareado.
• La secuencia correcta se regenera cuando la ADN polimerasa I rellena el hueco; entonces, el extremo 3' del nuevo segmento se une con el extremo 5' de la hebra réplica por acción de una enzima ADN ligasa.

Replicación del ADN en células eucariotas

La replicación del genoma eucariota es semiconservativa y bidireccional. La hebra conductora se sintetiza de manera continua y la retardada de forma discontinua, en forma de fragmentos de Okazaki que luego se unen. También se requiere un ARN cebador para que se inicie la replicación del ADN. Presenta ciertas características:

• Intervienen al menos 5 tipos diferentes de ADN polimerasas: α (sintetiza el ARN cebador y la hebra retardada), β (une los fragmentos de Okazaki), γ (replica el ADN mitocondrial), δ (sintetiza la hebra conductora) y ε (polimeriza los fragmentos de Okazaki).
• En el cromosoma eucariota, el ADN se encuentra asociado a octámeros de histonas, formando nucleosomas; por ello, además de replicarse el ADN, deben duplicarse también las histonas.
• El genoma eucariota consta de varios cromosomas lineales con un total aproximado de 3 × 10⁹ pares de bases. La replicación del ADN tiene lugar en la fase S del ciclo celular y, para que el proceso solo tarde unas pocas horas, en cada cromosoma eucariota se forman numerosas burbujas de replicación.

Telómeros: envejecimiento y muerte celular

Los cromosomas eucariotas son lineales y presentan en sus extremos unas regiones llamadas telómeros. Cuando se replica el ADN lineal, los extremos 5' de los telómeros no pueden ser replicados. Al eliminarse el ARN cebador del extremo 5' de cada una de las hebras recién sintetizadas, el hueco que queda no puede ser rellenado por las ADN polimerasas, ya que no encuentran extremos hidroxilo 3' libres sobre los que adicionar nuevos nucleótidos. Así, el telómero se va acortando en cada ciclo de replicación que ocurre durante la fase S de la división celular. Este acortamiento de los telómeros con la edad está relacionado con el envejecimiento y la apoptosis.

El acortamiento de los telómeros y la apoptosis

Los telómeros son como un implacable reloj molecular que, con sus sucesivos acortamientos, indica a una célula cuántas divisiones celulares son aún posibles hasta que llegue el momento en que debe cesar toda actividad.

La telomerasa: clave de la inmortalidad

La telomerasa es una ribonucleoproteína que actúa como transcriptasa inversa, ya que contiene una hebra de ARN con la secuencia apropiada para actuar como molde en la síntesis de la secuencia telomérica de ADN, que se añade a los extremos 3' en cada proceso de replicación.

Las mutaciones

Son cambios o variaciones en el material genético que afectan a las secuencias génicas y se trasmiten a las secuencias de aminoácidos de las proteínas y a su actividad biológica, pero también es posible que afecten a las secuencias reguladoras o a otro tipo de secuencias de ADN. Solo son hereditarias cuando afectan a las células germinales; si atañen a las células somáticas, se extinguen con el individuo en el que aparecen. Si la mutación se refiere a un carácter dominante, resulta más difícil su detección, ya que se manifiesta en homocigosis recesiva.

Hay tres tipos de mutaciones:

Mutaciones génicas

Se llaman también puntuales, porque son alteraciones en la secuencia del ADN que afectan a una única pareja de bases y se transmiten por herencia a todos los descendientes. Una mutación génica puede producirse por:

• Mutaciones que cambian el sentido de lectura del ARNm: sustituciones. Consisten en reemplazar o sustituir una base por otra; un nucleótido pasa a ocupar el lugar que ocupaba antes otro nucleótido. Estos procesos de sustitución pueden ocurrir de dos formas:
  • Transición: consiste en la sustitución de una base pirimidínica por otra pirimidínica, o de una base púrica por otra púrica.
  • Transversión: consiste en la sustitución de una base púrica por una pirimidínica o viceversa. Este proceso es menos frecuente que la transición.
  Esta sustitución altera el sentido de la lectura del triplete y puede ser de dos tipos:
  • Sustitución conservadora: el nuevo aminoácido es similar al sustituido, por lo que la secuencia de la proteína cambia, pero las consecuencias sobre la conformación espacial y su función son mínimas: mutación neutra.
  • Sustitución no conservadora: la diferencia entre ambos aminoácidos es radical. Si el cambio afecta al sitio activo de la proteína o a alguno de sus dominios fundamentales, la nueva proteína no conseguirá la conformación espacial habitual y perderá parte o la totalidad de su funcionalidad biológica.
• Mutaciones que cambian el marco de lectura: inserción y deleción.
  • Inserción: se trata de la intercalación de un nuevo nucleótido en una secuencia determinada del ADN.
  • Deleción: consiste en la pérdida de un nucleótido en una secuencia del ADN.
  La inserción o deleción de un nucleótido en ambas cadenas del ADN produce el cambio del marco de lectura, es decir, un cambio del sentido en que se leen los tripletes y un cambio completo de la secuencia de todos los aminoácidos comprendidos entre el punto de la mutación y el extremo C-terminal.

Mutaciones cromosómicas

Se producen por alteración del número o de la disposición de las secuencias génicas normales que componen un cromosoma. Existen varias causas de estas mutaciones: inversión, deleción, duplicación y translocación. Otros elementos son los transposones, que son genes móviles capaces de cambiar su posición en el genoma y saltar de unos cromosomas a otros.

Mutaciones genómicas

Afectan al genoma y dan lugar a una variación del número de cromosomas. Pueden darse tres casos:

• Poliploidía: consiste en un incremento de la condición diploide por aumento del número de juegos completos de cromosomas: triploides, tetraploides, etc. Si estos juegos cromosómicos son idénticos se llaman autopoliploides; si proceden de especies diferentes se llaman alopoliploides.
• Haploidía: es el caso contrario a la poliploidía y se produce cuando se pierde un juego cromosómico de los dos que existen en el organismo diploide. Un ejemplo se manifiesta en los organismos partenogenéticos.
• Aneuploidía: se produce cuando un individuo presenta algún cromosoma de más o de menos en relación con su condición diploide. Se denominan monosomías cuando, en lugar de dos cromosomas homólogos, solo hay uno, y trisomías si existen tres cromosomas homólogos. En la especie humana aparecen alteraciones de tipo aneuploide que pueden afectar a los autosomas o a los cromosomas sexuales.

Mutaciones letales

Afectan a proteínas encargadas de procesos de trascendental importancia y provocan la muerte de los organismos.

Mutágenos carcinógenos

Son responsables de la aparición de un carcinoma, un tumor cancerígeno. Pueden inducir mutaciones en el ADN que, al cabo de los años, pueden generar un cáncer. El cáncer es más frecuente en poblaciones que han estado sometidas a una fuente de radiación ionizante.

Mutaciones teratógenas

Provocan grandes alteraciones en el ADN del feto que dan lugar a graves malformaciones en el recién nacido. Las células del feto se encuentran en proceso de mitosis y su ADN es más vulnerable, por lo que se vuelve más susceptible de generar mutaciones. De ahí que nunca se utilicen los rayos X como método de exploración o diagnóstico en las mujeres gestantes.

Neodarwinismo

La evolución es la consecuencia de la selección natural y consiste en el cambio progresivo de las frecuencias con que aparecen los distintos alelos en el conjunto de genes de la población, de manera que será más frecuente encontrar los alelos correspondientes a las combinaciones génicas más eficaces, pues los individuos que muestran estas combinaciones o genotipos sobrevivirán y dejarán mayor número de descendientes que heredarán estos alelos.

Mutágenos

Son agentes físicos (temperatura, radiación, etc.), químicos (benzopirenos, gas nitroso, etc.) o biológicos (transposones, retrotransposones y ciertos virus y bacterias).

Mutágenos físicos

Son radiaciones de alta energía capaces de dañar el ADN y causar mutaciones, como la radiación ultravioleta procedente del sol, las radiaciones ionizantes y la radiación corpuscular.

• Radiación ultravioleta procedente del sol: comprende dos tipos de radiaciones: la UVB, más energética, y la UVA, menos energética. En ambos casos, las mutaciones pueden provocar cáncer de piel.
  • Los rayos UVB son absorbidos por el ADN y provocan la formación de un enlace covalente entre dos bases pirimidínicas sucesivas de la misma cadena, lo que da lugar a los dímeros de timina y los dímeros de citosina. Se rompen los puentes de H y la doble hélice del ADN se desorganiza alrededor de los dímeros.
  • Los rayos UVA no son absorbidos directamente por el ADN, pero incrementan la producción de radicales libres, que también son mutágenos.
• Radiaciones ionizantes: son un conjunto de determinadas radiaciones electromagnéticas altamente energéticas, originadas en los reactores nucleares, que los transforman en iones y radicales muy reactivos, capaces de causar la rotura de las cadenas de ADN o la modificación química de alguno de sus componentes. Las células que se encuentran en mitosis son más sensibles a la radiación que las que no se dividen.
• Radiación corpuscular: está formada por partículas alfa y beta que se emiten en los procesos de desintegración de isótopos radiactivos, y sus efectos son similares a los producidos por los rayos γ y α. Están expuestos a la radiación corpuscular los habitantes de viviendas construidas con rocas de origen plutónico, como el granito. La desintegración de los isótopos radiactivos que contiene la roca genera gas radón, que tiende a acumularse en las plantas bajas y en los sótanos de las viviendas mal ventiladas, lo que puede provocar la aparición de cáncer de pulmón.

Mutágenos químicos

Son sustancias que reaccionan con el ADN y provocan la modificación química de sus bases, lo que da lugar a sustituciones, inserciones o deleciones. La mayoría de ellos producen la transformación cancerosa:

• Análogos de bases: determinadas sustancias análogas a las bases nitrogenadas se incorporan al ADN y producen errores de apareamiento, como la guanina en lugar de la adenina.
• Formación de aductos: el benzopireno, presente en los alquitranes, en el humo del tabaco, en la carne a la brasa, etc., es un hidrocarburo policíclico que experimenta biotransformación en el hígado. Las aflatoxinas se unen covalentemente a la guanina y la separan de su correspondiente pentosa, originando un hueco apurínico.
• Desaminación: el ácido nitroso y otras sustancias, como el bisulfito sódico, aceleran la desaminación de la citosina, que se transforma en uracilo.
• Agentes alquilantes (dimetilnitrosamina, dimetilsulfato, gas mostaza y otros): introducen grupos alquilo en las bases del ADN y alteran la replicación.
• Otros mutágenos carcinógenos: el dietilestilbestrol y otras sustancias utilizadas para el engorde fraudulento del ganado; el asbesto, utilizado como aislante en algunas edificaciones; el cromo y el cadmio de pinturas; el arsénico; las dioxinas, originadas por la combustión de plástico; la acrilamida, etc.

Mutágenos biológicos

Los oncovirus son capaces de desarrollar cáncer. Los virus de la hepatitis B y C multiplican el riesgo de contraer cáncer de hígado. Algunos papilomavirus y el virus del herpes genital están implicados en la aparición del cáncer de cuello de útero en las mujeres. El virus de Epstein-Barr, causante de la mononucleosis infecciosa, predispone al linfoma de Burkitt en el varón y a algunos tipos de carcinomas nasofaríngeos. La bacteria Helicobacter pylori está relacionada con el cáncer de estómago.