Biosíntesis dels àcids nuclèics: Replicació

El DNA és la base de la vida. Conté la informació genètica de cada individu de l'espècie de manera que la seva duplicació resulta imprescindible per la supervivència de la mateixa. La duplicació de la seqüència genètica, doncs, es clau en els processos vitals dels individus.
Sabem que el DNA està format per una doble hèlix de dues cadenes complementàries i antiparal·leles, per tant la duplicació ha de consistir primer en la separació d'aquestes dues cadenes per desprès cadascun dels filaments actuar com a motlles per la formació d'una nova cadena complementària i per tant acabar formant dos dobles hèlix idèntiques.
Al principi dels anys 60' ja se sabia que la duplicació era semiconservativa, tot i que fins a llavors, el desconeixement de com es replicava el DNA va portar a elaborar tres hipòtesis diferents:

• Hipòtesi conservativa: Tot i que el filament de DNA actua com a motlle per a la doble hèlix filla, desprès de la duplicació, el DNA original es manté inalterat i es conserva completament donant-se una doble hèlix filla també completament nova.
• Hipòtesi semiconservativa: El DNA original es separa en els dos filaments i cadascun actua com a motlle originant dues dobles hèlix en les quals cada una conté un filament de la doble hèlix original.
• Hipòtesi dispersiva: El DNA es fragmenta i aquests fragments es dispersen en tota la cadena final de manera que les dues dobles hèlix resultants contenen tant fragments del DNA original com del DNA fill.

Va ser gràcies a l'experiment de Meselson i Stahl (1958) que es va descobrir que la duplicació era semiconservativa. L'experiment es basava en la introducció de bacteris Echerichia Coli en un medi ric en N (isòtop de nitrogen). Els bacteris es van replicar en aquest medi incorporant a les seves cadenes de DNA el N. Mitjançant una centrifugació en un medi de densitat variable, es va poder veure que desprès de la primera replicació, el DNA quedava situat en la part mitjana del tub d'assaig. Això significava que tot el N havia estat incorporat en la doble hèlix. Desprès d'una segona replicació, el DNA ric en N quedava situat en la part de sota del tub d'assaig mentre que cada cop n'apareixia més quantitat de N en la part de dalt. És a dir, a mesura que s'anava replicant, el DNA ric en N, que només es corresponia a dos filaments, es concentrava en una zona del tub, mentre que la resta de DNA era més abundant i es situava sempre en la part alta. El fet que després de la primera replicació quedes tot el DNA situat en la part central ja invalidava la hipòtesi conservativa. Que en les successives replicacions el DNA enriquit en N quedes situat en la part de sota del tub d'assaig invalidava la hipotesi dispersiva. Així doncs, només podia ser una.

Respecte a quin és el procediment que duplica el DNA, cal tenir en compte que actuen una gran quantitat de substàncies i enzims:

• Helicasa
• Topoisomerases
• RNA primasa (enzim)
• DNA polimerasa (enzim)
• Proteïnes SSB
• ADN Ligasa (enzim)
• Exonucleasa

I com funciona aquest procés?

1. Primer actua l'Helicasa que separa la doble hèlix trencant els ponts d'hidrogen, s'inicia la forca de replicació (es formen els replicons o bombolles de replicació).
2. Les topoisomerases junt amb les proteïnes SSB tenen la funció de mantenir recte el DNA en l'espai obert per l'Helicasa. Si aquestes molècules no fessin la seva funció, el DNA tornaria a enrotllar-se sobre sí mateix fent impossible la seva replicació.
3. És en aquest moment quan l'RNA primasa actua. Per a que es puguin anar afegint nucleòtids, cal construir un primer, o RNA encebador, un fragment de RNA, normalment d'uns 10 nucleòtids i complementari a la cadena de DNA que s'està replicant, que serveix per indicar al DNA polimerasa per on ha de començar a afegir nucleòtids. 
4. Un cop afegit el primer, el DNA polimerasa seleccionarà els nucleòtids complementaris i els afegirà al filament principal seguint l'associació Adenina-Timina i Citosina-Guanina. Aquests nucleòtids estan lliures i abundants al nucli.
5. Un cop construït el fragment, l'exonucleasa retira el primer d'RNA i la lligasa uneix tots els nucleòtids entre sí.
6. La replicació finalitza quan tots els replicons (bombolles de replicació) es tanquen.

Tot i que aquest és el procés general i és vàlid per a les dues cadenes que formen el DNA, el fet que aquestes siguin antiparal·leles, és a dir, estan orientades en sentits diferents, fa que si bé en una de les cadenes el creixement sigui en el mateix sentit en el qual s'obre la forca de replicació, en la cadena complementària, que creix en un sentit contrari, el seu creixement no pot fer-se així. És a dir, mentre en un dels filaments, a mesura que s'obre la forca de replicació, es poden afegir nucleòtids directament, en l'altre no és possible. És aquí on entren en joc els anomenats fragments d'Okazaki.

De què es tracta? Es tracta d'un creixement discontinu de la cadena, és a dir, que la cadena en lloc de créixer seguida, el que fa és deixar un fragment sense afegir nucleòtids i llavors afegeix un fragment en el sentit de creixement correcte. Aquest procés es repeteix contínuament fins aconseguir completar la replicació. La cadena creix d'aquesta manera a "salts" i en sentit contrari al creixement de l'altre filament. Serà més fàcil d'entendre si analitzeu la imatge següent:

Visualitzant el vídeo següent podem acabar d'entendre tot el procés:

Per acabar va la pena comentar les diferències que hi ha entre la replicació del DNA dels organismes procarionts i dels organismes eucarionts.

• La gran diferència és que el DNA dels procarionts és molt més petit que el DNA dels eucarionts i això fa que si bé en el DNA dels procarionts només hi ha un punt d'inici de la replicació, una única bombolla de replicació, en el DNA dels eucarionts hi ha múltiples bombolles donant-se el cas de regions amb molts replicons i zones amb molt pocs.
• Una altre diferència és que la gran diferència en mides fa que el DNA eucariont trigui prop de deu vegades més en replicar-se que el DNA procariont.
• La última gran diferència és que com el DNA dels eucarionts està associat a histones, durant la replicació s'ha de desempaquetar, desenrotllar, per poder fer la replicació i els filaments acabats de formar s'han d'anar empaquetant al voltant de les histones formant octàmers a mida que va avançant la replicació.