La molécula de ADN forma la base de toda la vida conocida porque su estructura permite que se pueda copiar fácilmente dentro de las células vivas, lo que les permite reproducirse. La información genética de un organismo está contenida en su ADN y se requiere una duplicación precisa para transmitir esta información a las generaciones posteriores. La copia de material genético dentro del núcleo celular se llama replicación del ADN. El mecanismo por el cual ocurre se conoce como replicación semiconservativa e involucra la división de la molécula en dos partes, cada una de las cuales forma una plantilla para una nueva molécula completa. Los materiales disponibles dentro de la celda se agregan a estas plantillas para completar el proceso.
La estructura del ADN
Cada molécula de ADN está formada por dos hebras, que consisten en grupos de azúcar y fosfato, con moléculas conocidas como bases que forman enlaces entre ellas. Hay cuatro bases diferentes: adenina (A), guanina (G), citosina (C) y timina (T). Cada base, junto con los grupos de azúcar y fosfato a los que está unida, se conoce como nucleótido. Las dos hebras se mantienen unidas por enlaces de hidrógeno entre las bases; A se une con T y C con G, de modo que forman pares conocidos como pares de bases complementarios.
Las hebras forman una doble hélice, o dos estructuras espirales paralelas, mientras que los pares de bases atraviesan el espacio entre las hebras. Las moléculas de ADN normalmente están muy enrolladas, muchas veces, y forman estructuras conocidas como cromosomas. La información genética completa, o el genoma de un organismo, está contenida dentro de un conjunto de cromosomas; el genoma humano contiene alrededor de tres mil millones de pares de bases. La replicación del ADN forma un nuevo conjunto de cromosomas, antes de la división celular. El proceso de replicación se puede dividir en varias etapas, cada una controlada por enzimas.
Splitting
Para replicar, las hebras de ADN deben estar separadas. Los enlaces de hidrógeno entre los pares de bases son lo suficientemente fuertes como para mantener las hebras juntas en circunstancias normales, pero lo suficientemente débiles como para permitir que se separen fácilmente cuando sea necesario. Dado que la molécula se encuentra normalmente en un estado muy enrollado, las dos hebras no se dividirán sin ayuda. Las enzimas llamadas girasas trabajan para relajar o desenrollar el ADN, mientras que las enzimas llamadas helicasas comienzan a descomprimirlo, rompiendo los enlaces de hidrógeno entre los pares de bases. Luego, las proteínas especiales se unen a las hebras separadas para mantenerlas separadas y permitir que se produzca la replicación.
Duplicación
Los nucleótidos existen independientemente del ADN en el núcleo de una célula o, en el caso de las bacterias, dentro del fluido celular. Cuando una molécula de ADN se ha dividido, estos nucleótidos libres se unen con las bases complementarias desaparecidas de cada hebra, A a T y C a G, formando una nueva molécula de doble hebra. Este proceso está habilitado por enzimas conocidas como ADN polimerasas. Las dos copias resultantes tienen cada una una nueva hebra y una de la molécula original. Esta es la razón por la que la replicación del ADN se denomina semiconservativa: la mitad de cada molécula es nueva y la otra mitad se guarda de su madre.
Los procesos de división y duplicación se superponen. A medida que las hebras se separan, se forman nuevas hebras complementarias mientras la división continúa a lo largo de la doble hélice. Las moléculas de ADN en la mayoría de los organismos son muy largas, por lo que es más eficiente que la división y la duplicación ocurran en muchos lugares a la vez. Estos puntos se conocen como orígenes de replicación. Cuando dos de esos orígenes se encuentran, las enzimas llamadas ligasas unen las nuevas hebras.
Comprobación de errores
El proceso de replicación es extremadamente preciso, pero ocurren errores. A veces, se puede formar un vínculo entre la combinación incorrecta de bases. Por ejemplo, G puede unirse ocasionalmente con T en lugar de A. Las bases también pueden existir en formas ligeramente diferentes que pueden unirse en otros emparejamientos incorrectos.
Normalmente, hay alrededor de un error por cada 100 millones de enlaces de pares de bases. En un ser humano, esto daría lugar a unos 30 errores por cada replicación completa. Sin embargo, existen varios mecanismos de verificación y corrección de errores que detectan y reparan errores de manera muy eficaz. Por ejemplo, los enlaces entre pares de bases no emparejados son relativamente inestables, y las enzimas polimerasas que ayudan al proceso de duplicación también pueden separar un nucleótido incorrecto, lo que permite agregar uno nuevo y correcto. Estos reducen el número medio de errores por replicación a aproximadamente tres.
Errores de replicación: mutaciones, cáncer y evolución
Los errores en la replicación del ADN suelen ser algo malo a nivel individual. Pueden dar lugar a mutaciones, que generalmente son desfavorables; pueden resultar en cáncer u otras enfermedades potencialmente mortales. Por otro lado, sin estos errores, los seres humanos y otros organismos como se los conoce hoy no estarían aquí. Ocasionalmente, una mutación puede proporcionar una ventaja, aumentando las posibilidades de que un organismo sobreviva el tiempo suficiente para reproducirse y transmitir el cambio favorable, que luego se volverá más común. Así es como funciona la evolución: los errores de replicación permiten a los organismos adaptarse a entornos cambiantes y evolucionar hacia nuevas formas de vida.