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Conteúdo principal

Mecanismo molecular da replicação do DNA

Papéis das DNA polimerases e outras enzimas da replicação. Fitas líder e tardia e fragmentos de Okazaki.

Pontos Principais

  • A replicação do DNA é semiconservativa. Cada fita na dupla hélice atua como modelo para a síntese de uma nova fita complementar.
  • O novo DNA é feito por enzimas denominadas DNA polimerases, que necessitam de um molde e um primer (iniciador) e sintetizam DNA na direção 5' para 3'.
  • Durante a replicação do DNA, uma nova fita (fita líder) é feita como uma peça contínua. A outra (fita tardia) é feita em pequenas partes.
  • A replicação do DNA requer outras enzimas além da DNA polimerase, incluindo DNA primase, DNA helicase, DNA ligase, e topoisomerase.

Introdução

A replicação do DNA , ou a cópia do DNA de uma célula , não é tarefa simples! Há cerca de 3 bilhões de pares de bases de DNA em seu genoma, os quais devem ser copiados com precisão quando qualquer uma de seus trilhões de células se divide 1 .
Os mecanismos básicos da replicação do DNAsão semelhantes entre os organismos. Neste artigo, vamos nos concentrar na replicação do DNA que ocorre na bactéria E. coli, mas os mecanismos de replicação são semelhantes em humanos e outros eucariontes.
Vamos dar uma olhada nas proteínas e enzimas que realizam a replicação , vendo como elas trabalham juntas para garantir a replicação exata e completa do DNA.

O conceito básico

A replicação do DNA é semiconservativa, o que significa que cada fita na dupla hélice atua como modelo para a síntese de uma nova fita complementar.
Esse processo tem início com uma molécula e leva a formação de duas moléculas "filhas", cada uma com uma dupla hélice recém-formada contendo uma fita nova e uma velha.
De maneira resumida, essa é a replicação do DNA! Mas o que é realmente interessante é como esse processo acontece na célula.
As células precisam copiar seu DNA muito rapidamente e com pouquíssimos erros (para não correr o risco de ter problemas, como câncer). Para isso, elas utilizam uma variedade de enzimas e proteínas que trabalham juntas para garantir que a replicação do DNA seja eficiente e precisa.

DNA polimerase

Uma das moléculas chave na replicação do DNA é a enzima DNA polimerase. DNA polimerases são responsáveis pela síntese do DNA: elas adicionam nucleotídeos, um por um, à fita crescente de DNA, incorporando somente aqueles que são complementares à fita molde.
Algumas características das DNA polimerases:
  • Sempre precisam de uma fita molde
  • Adicionam nucleotídeos somente na terminação 3' de uma fita de DNA
  • Não conseguem dar início à formação de uma cadeia de DNA; requerem uma cadeia pré-existente ou uma pequena sequência de nucleotídeos chamada de primer
  • Elas revisam (ou conferem) seu trabalho, removendo a maior parte dos nucleotídeos erroneamente adicionados à cadeia
A adição de nucleotídeos requer energia. Essa energia vem dos próprios nucleotídeos, que possuem três fosfatos ligados à sua estrutura (bastante semelhante à molécula de ATP). Quando a ligação entre os fosfatos é quebrada, a energia liberada é usada para formar uma nova ligação entre o novo nucleotídeo e a cadeia crescente.
Em procariontes como E. coli, existem duas principais DNA polimerases envolvidas com replicação do DNA: a DNA pol III (principal formadora de DNA), e a DNA pol I, que tem uma função suporte fundamental a ser estudada posteriormente.

Início da replicação de DNA

Como as DNA polimerases e outros fatores de replicação sabem onde começar? A replicação sempre começa em locais específicos no DNA, que são chamados de origens de replicação e são reconhecidos pela sua sequência.
E. coli, como a maioria das bactérias, tem uma única origem de replicação em seu cromossomo. A origem tem cerca de 2t45 pares de bases e tem principalmente pares de bases A/T (que estão ligadas por menos pontes de hidrogênio que os pares de bases G/C), tornando as fitas de DNA mais fáceis de separar
Proteínas especializadas reconhecem a origem, ligam-se a este sítio, e abrem o DNA. Conforme o DNA se abre, duas estruturas com formato de Y, chamadas de garfos de replicação, são formadas, juntas compõem o que é chamada uma bolha de replicação. Os garfos de replicação movem-se em direções opostas à medida que a replicação acontece.
Diagrama baseado em ilustração similar em Reece et al. 2.
Como a replicação acontece, de fato, nos garfos? Helicase é a primeira enzima de replicação a se ligar na origem de replicação3. A função da helicase é avançar os garfos de replicação "desenrrolando" o DNA (quebrando as pontes de hidrogênio entre os pares de bases nitrogenadas).
Proteínas chamadas proteínas ligadoras de fita simples recobrem as fitas separadas de DNA próximo ao garfo de replicação, impedindo-as de ligarem-se novamente em uma hélice dupla.

Primers e primase

Polimerases de DNA somente podem adicionar nucleotídeos à extremidade 3' de uma fita existente de DNA (elas utilizam o grupo -OH livre encontrado na extremidade 3' como um "gancho", adicionando um nucleotídeo a este grupo na reação de polimerização) Como, então, a DNA polimerase adiciona o primeiro nucleotídeo em um novo garfo de replicação?
Sozinha, ela não pode! O problema é resolvido com a ajuda de uma enzima chamada primase. A primase faz um primer de RNA, ou um trecho curto de ácido nucleico complementar ao molde, que fornece uma extremidade 3' para a DNA polimerase trabalhar. Um primer típico tem cerca de cinco a dez nucleotídeos. O primer inicia a síntese de DNA, isto é, faz com que ela comece.
Uma vez que o primer de RNA está em seu lugar, a DNA polimerase o "amplia", adicionando nucleotídeos um por um para fazer uma nova fita de DNA que é complementar à fita molde.

Fita líder e fita tardia

Em E. coli, a DNA polimerase responsável pela maior parte da síntese é a DNA polimerase III. Há duas moléculas de DNA polimerase III em um garfo de replicação, cada um deles trabalhando duro em uma das duas novas fitas de DNA.
DNA polimerases podem somente fazer DNA na direção 5' para 3', e isto coloca um problema durante a replicação. Uma dupla hélice de DNA é sempre antiparalela; em outras palavras, uma fita vai na direção 5' para 3', enquanto a outra vai na direção 3' para 5'. Isto faz com seja necessário que as duas novas fitas, que também são antiparalelas a seus moldes, sejam feitas de maneiras ligeiramente diferentes.
Uma das novas fitas, a que se desloca de 5' para 3' em direção ao garfo de replicação, é a fácil. Esta fita é feita continuamente, porque a DNA polimerase está se movendo na mesma direção que o garfo de replicação. Esta fita sintetizada continuamente é chamada fita líder.
A outra fita nova, que se desloca de 5' para 3' distanciando-se do garfo, é mais intricada. Esta fita é feita em fragmentos porque, conforme o garfo avança, a DNA polimerase (que se afasta do garfo) se separa e se religa ao DNA recentemente exposto. Esta fita intricada, que é feita em fragmentos, é chamada fita tardia
Os pequenos fragmentos são chamados de fragmentos de Okazaki, em homenagem ao cientista japonês que os descobriu. A fita líder pode ser ampliada a partir de um único primer, enquanto a fita tardia precisa de um novo primer para cada um dos curtos fragmentos de Okazaki.

A equipe de manutenção e limpeza

Algumas outras proteínas e enzimas, além das principais citadas acima, são necessárias para manter a replicação do DNA funcionando adequadamente. Uma é a proteína chamada pinça deslizante, que mantém as moléculas de DNA polimerase III no lugar à medida que elas sintetizam DNA. A pinça deslizante é uma proteína em forma de anel e evita que a DNA polimerase da fita tardia escape quando ela reinicia em um novo fragmento de Okazaki4.
Topoisomerase também desempenha um importante papel na manutenção durante a replicação do DNA. Esta enzima evita que a dupla hélice de DNA à frente do garfo de replicação torne-se muito estreitamente enrolada à medida que o DNA é aberto. Ela age fazendo cortes temporários na hélice para liberar tensão, depois fecha os cortes para evitar dano permanente.
Finalmente, há um pequeno trabalho de limpeza a fazer se queremos que o DNA não contenha nenhum RNA ou lacunas. Os primers de RNA são removidos e substituídos por DNA através da atividade da DNA polimerase I, a outra polimerase envolvida na replicação. Os cortes que permanecem depois dos primers são substituídos e fechados pela enzima DNA ligase.

Resumo da replicação do DNA em E. coli

Vamos diminuir a imagem e ver como as enzimas e proteínas envolvidas na replicação trabalham juntas para sintetizar um DNA novo.
  • Helicase abre o DNA no garfo de replicação
  • Proteínas ligadoras de fita simples recobrem o DNA ao redor do garfo de replicação para evitar que o DNA se enrole.
  • Topoisomerase trabalha na região à frente do garfo de replicação para evitar enrolamento excessivo.
  • Primase sintetiza primers de RNA complementares à fita de DNA.
  • DNA polymerase III aumenta os primers adicionando nucleotídeos na extremidade 3', para fazer a maior parte do novo DNA.
  • Primers de RNA são removidos e substituídos com DNA pela DNA polimerase I
  • As lacunas entre fragmentos de DNA são fechadas pela DNA ligase.

Replicação de DNA em eucariontes

O básico da replicação de DNA é similar entre bactérias e eucariontes tais como seres humanos, mas há também algumas diferenças:
  • Eucariontes geralmente têm múltiplos cromossomos lineares, cada um com múltiplas origens de replicação. Seres humanos podem ter até 100.000 origens de replicação5!
  • A maioria das enzimas de E. coli tem equivalentes na replicação eucarionte de DNA, mas uma única enzima em E. coli pode ser representada por múltiplas enzimas em eucariontes. Por exemplo, há cinco DNA polimerases humanas com funções importantes na replicação5.
  • A maioria dos cromossomos eucarióticos é linear. Por causa do modo pelo qual a fita tardia é feita, algum DNA é perdido nas extremidades dos cromossomos lineares (os telômeros) em cada rodada de replicação.

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Quer saber mais sobre replicação de DNA? Confira esta atividade interativa do LabXchange.
LabXchange é uma plataforma on-line gratuita de educação científica criada na Faculdade de Artes e Ciências de Harvard e apoiada pela Fundação Amgen.

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  • Avatar primosaur seedling style do usuário Thiele Oliveira
    seria bom se corrigissem vários erros que contém nesse artigo. "Dna primase" e que " a replicação do RNA é semi conservativa"
    (11 votos)
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  • Avatar leafers tree style do usuário João Borges
    Acredito que há um erro no primeiro tópico de Pontos Principais. Acredito que o correto seja "A replicação do DNA (não RNA) é semiconservativa. Cada fita na dupla hélice atua como modelo para a síntese de uma nova fita complementar.".
    (10 votos)
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  • Avatar piceratops ultimate style do usuário Matheus
    Existe um equívoco na seção "Fita líder e Fita tardia" no 3° parágrafo, a fita líder vai de 3' para 5'.
    (2 votos)
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