Cairns, en 1963, realizó uno de los primeros experimentos que trataban de observar cómo se desarrollaba la replicación del ADN.

Introdujo bacterias Escherichia coli en un medio con timina marcada con tritio (H³), es decir, una timina que en vez de hidrógeno tenía tritio. El tritio es un isótopo radiactivo que emite partículas beta (β), capaces de impresionar una placa fotográfica, lo que permite localizar las nuevas moléculas de ADN que se han sintetizado.

Cada pocos minutos se comprobaba la cantidad de timina (con H³) que contenía el ADN bacteriano, obteniéndose una secuencia de imágenes con la duplicación completa del ADN.

• Las primeras imágenes tenían forma de V, las siguientes de medias lunas, y las últimas parecían círculos más o menos aplastados.
• Las formas en V son las horquillas de replicación, formadas por las dos nuevas cadenas de ADN (con H³) que se sintetizan sobre las cadenas de ADN que se han abierto para hacer de moldes.
• Las formas en media luna corresponden a las burbujas de replicación.
• Las formas circulares permitieron descubrir que el ADN de la bacteria Escherichia coli era circular.
• Con este experimento, además de confirmar la hipótesis semiconservativa de la replicación del ADN, también se descubrió que la replicación del ADN se producía a partir de un punto concreto. Aunque en aquel momento, se dedujo erróneamente que la replicación era unidireccional, después se ha comprobado que es bidireccional, habiendo una horquilla a la izquierda del punto de inicio y otra horquilla a la derecha, que van progresando en direcciones opuestas.

By César Benito Jiménez [CC BY-SA 2.5 es or CC BY-SA 2.5 es], via Wikimedia Commons

Pero este hecho planteó dos dilemas:

¿Cómo podía sintetizar la ADN-polimerasa sin necesidad de un cebador?

¿Cómo podían crecer en paralelo las dos nuevas cadenas?

Si una cadena crecía en dirección 5'→3', la otra lo tendría que hacerlo en dirección 3'→5', lo que es imposible de explicar, ya que ninguna ADN-polimerasa añade nucleótidos en esa dirección.

La respuesta a estos dilemas la dio Okazaki en 1968. Descubrió que había unos fragmentos formados por unos 50 nucleótidos de ARN y unos 1000 ó 2000 nucleótidos de ADN, llamados fragmentos de Okazaki. Estaban sintetizados por la ARN-polimerasa, que no necesita ningún cebador para comenzar, y luego por la ADN-polimerasa, que añadía los nucleótidos en dirección 5'→3' sobre la hebra patrón. Después se pierde el trozo de ARN y se fusionan el resto de fragmentos, dando la sensación de que hebra crece en dirección 3'→5'. Es como puede suceder en la cola de entrada de un espectáculo, que aunque la gente anda hacia adelante, la cola crece hacia atrás.

¿Qué son los fragmentos de Okazaki?

Los fragmentos de Okazaki son pequeñas cadenas de ADN recién sintetizadas en la replicación del ADN en la hebra retrasada, que se sintetiza de forma discontinua, en dirección opuesta al movimiento de la horquilla de replicación. Es decir, los fragmentos de Okazaki son segmentos cortos de ADN recién sintetizados en la hebra retrasada de ADN durante la replicación.

¿Cuál es la finalidad de los fragmentos de Okazaki?

Los fragmentos de Okazaki se producen en el proceso de replicación del ADN porque la ADN polimerasa solo puede sintetizar la nueva cadena de ADN en la dirección 5' a 3', lo que significa que, en la hebra retrasada, la síntesis de ADN tiene que avanzar en la dirección opuesta al movimiento de la horquilla de replicación. Para sintetizar esta cadena complementaria, se sintetizan fragmentos de ADN cortos que se unen para formar una cadena continua. Por tanto, la finalidad de los fragmentos de Okazaki es completar la replicación de la hebra retrasada de ADN.

¿Cómo se generan los fragmentos de Okazaki?

En la hebra retardada, la ARN polimerasa sintetiza un fragmento corto o cebador o primer de ARN. A partir de estos, la ADN polimerasa sintetiza unos 1000 nucleótidos de ADN (o un fragmento de ADN o el fragmento de Okazaki), hasta el siguiente fragmento de Okazaki.

By César Benito Jiménez [CC BY-SA 2.5 es or CC BY-SA 2.5 es], via Wikimedia Commons