Replicació de l'ADN: Teoria Semiconservativa i Mecanisme

Replicació de l'ADN

Teoria semiconservativa

La replicació semiconservativa consisteix, segons la hipòtesi de Watson i Crick, en què una de les cadenes de la doble hèlix serveix com a motlle o patró per a la síntesi d'una cadena complementària. La fidelitat de la replicació estaria garantida per l'encaix i l'estabilitat dels parells de bases adenina-timina i guanina-citosina. D'aquesta manera es crearien cadenes d'ADN idèntiques a les de l'ADN progenitor. Cada molècula filla contindria una molècula intacta de l'ADN paterna i una altra cadena complementària acabada de sintetitzar. Altres formes de replicació de l'ADN són:

• La replicació conservativa i la replicació dispersiva.

Altres dos científics van demostrar la teoria de la replicació semiconservativa: Meselson i Stahl.

Replicació de l'ADN: procés general

La replicació de l'ADN, és a dir, la síntesi de noves molècules d'ADN a partir d'altres preexistents, es duu a terme de manera semiconservativa, procés en què cada cadena actua com a motlle per a la síntesi d'una nova cadena. El resultat són dues molècules d'ADN noves, cadascuna amb una cadena nova i una altra de vella. Això va ser demostrat el 1957 mitjançant l'experiment de Meselson i Stahl. La replicació és un procés altament coordinat, en què les cadenes parentals es desenrotllen i es repliquen simultàniament. Els punts on les cadenes d'ADN se separen de manera dinàmica s'anomenen forques de replicació. Allí, l'ADN parental es desenrotlla i les cadenes separades es repliquen ràpidament.

Les cadenes d'ADN sempre són sintetitzades en la direcció 5'→3', sent l'extrem 3'-OH lliure el punt d'elongació de l'ADN. Com que les dues cadenes d'ADN són antiparal·leles, la cadena que serveix de motlle es llegeix des de l'extrem 3' fins al 5'. Si la síntesi transcorre sempre en la direcció 5'→3', com poden sintetitzar-se les dues cadenes simultàniament? Si les dues fossin sintetitzades contínuament a mesura que es desplaça la forca de replicació, una hauria de ser sintetitzada en direcció 3'→5'. Aquest problema va ser resolt per Okazaki en la dècada de 1960. Okazaki va descobrir que una de les cadenes noves d'ADN se sintetitza en forma de fragments curts, anomenats fragments d'Okazaki. D'això es dedueix que una de les cadenes és sintetitzada de manera contínua i l'altra de manera discontínua (vegeu la figura adjunta).

• Cadena contínua, o cadena conductora: és aquella la síntesi de la qual en direcció 5'→3' transcorre en la mateixa direcció que el moviment de la forca de replicació.
• Cadena discontínua, o cadena endarrerida: és aquella la síntesi de la qual, en direcció 5'→3', transcorre en direcció oposada a la direcció del moviment de la forca.

Els fragments d'Okazaki tenen una longitud d'entre uns quants centenars i uns quants milers de nucleòtids, segons el tipus cel·lular.

Requisits de la síntesi d'ADN

La síntesi d'ADN en el procés de replicació és duta a terme per uns enzims anomenats ADN polimerases. Totes elles requereixen un motlle. La reacció de polimerització està dirigida per una cadena motlle d'ADN segons les regles d'aparellament de bases formulades per Watson i Crick en l'estructura de la doble hèlix (G≡C i T=A). En segon lloc, és necessari un cebador. Aquest és un segment de cadena (complementari del motlle) amb un grup 3'-OH lliure al qual poden afegir-se nucleòtids. L'extrem 3' del cebador s'anomena extrem cebador. Dit d'una altra manera, part de la cadena nova ja ha de trobar-se al seu lloc, ja que totes les ADN polimerases, sense excepció, només són capaces d'afegir nucleòtids a una cadena preexistent. Els cebadors són sovint d'ARN, en lloc d'ADN.

Fases de la replicació

La síntesi d'una molècula d'ADN es divideix en tres fases: iniciació, elongació i terminació. Aquestes fases es distingeixen per les reaccions que hi ocorren i pels enzims implicats.

Iniciació

En la fase d'iniciació de la replicació hi participen almenys nou enzims o proteïnes diferents, entre les quals es troben la proteïna DnaA (reconeix el punt d'origen i obre la doble hèlix), l'ADN helicasa (desenrotlla l'ADN), la primasa (sintetitza els cebadors d'ARN) i l'ADN girasa (un tipus de topoisomerasa que allibera la tensió torsional generada pel desenrotllament de l'ADN). L'acció coordinada d'aquests enzims desnaturalitza l'ADN en el punt d'origen, separa les dues cadenes, sintetitza petits cebadors que s'uneixen de manera complementària a les dues cadenes separades d'ADN i, a continuació, la ADN polimerasa III dona començament a la síntesi d'ADN.

Elongació

La fase d'elongació de la replicació consisteix en dues operacions diferents però relacionades: la síntesi de la cadena conductora i la síntesi de la cadena endarrerida. En la síntesi d'ambdues cadenes són importants diversos enzims que es troben a la forca de replicació. L'ADN parental és primer desenrotllat per l'ADN helicasa i la tensió topològica resultant és alliberada per les topoisomerases. Altres proteïnes estabilitzen cadascuna de les cadenes separades.

• Síntesi de la cadena conductora: la més senzilla de les dues, comença amb la síntesi d'un curt cebador (10 a 60 nucleòtids) d'ARN per la primasa a l'origen de la replicació. Seguidament, la ADN polimerasa III afegeix nucleòtids a aquest cebador. Una vegada començada, la síntesi de la cadena conductora transcorre de manera contínua, al mateix ritme que el desenrotllament de l'ADN a la forca de replicació.
• Síntesi de la cadena endarrerida: es realitza en curts fragments d'Okazaki. Primer, la primasa sintetitza un cebador d'ARN i, com en la síntesi de la cadena conductora, la ADN polimerasa III s'uneix al cebador d'ARN i afegeix nucleòtids. Quan ja s'ha completat la síntesi d'un fragment d'Okazaki, la replicació s'atura i la ADN polimerasa III es dissocia de l'ADN per associar-se a un nou punt de replicació, la qual cosa dona començament a la síntesi d'un nou fragment d'Okazaki. Un cop acabada la síntesi d'un fragment d'Okazaki, el seu cebador d'ARN és eliminat i substituït per ADN per la ADN polimerasa I, i la unió amb el fragment d'Okazaki veí es completa.