Resumos de Biologia: A REPLICAÇÃO DO DNA

A REPLICAÇÃO DO DNA

Maximiliano Mendes

Antes de começar a ler é importante que você tenha bem fundamentados os conceitos sobre a estrutura da molécula de DNA. Se precisar recordar ou aprender, clique aqui antes: http://maxaug.blogspot.com.br/2013/03/os-acidos-nucleicos-e-os-nucleotideos.html

A replicação do DNA é o processo de Síntese de novas cadeias ou “fitas” de nucleotídeos de DNA que ocorre antes da divisão celular, na fase S da interfase e permite que as células filhas tenham a mesma quantidade de moléculas de DNA cromossomal da célula mãe. A partir de uma molécula de DNA, obtêm-se duas, por isso o processo também é chamado de duplicação.

Veremos aqui um resumo simplificado e generalizado do processo:

Inicialmente um complexo enzimático contendo a enzima helicase se liga à molécula de DNA em uma região, uma sequência de nucleotídeos, chamada origem de replicação. Um cromossomo circular bacteriano tem normalmente apenas uma origem de replicação, ao passo que as moléculas de DNA maiores, como as dos cromossomos, têm várias. A enzima helicase separa as duas cadeias de DNA: ocorre a quebra das ligações de hidrogênio que as mantinham unidas.

Helicase (representada pelo zíper) separando as duas cadeias de DNA.

Aqui nesse vídeo se pode ver um modelo da helicase atuando:

http://www.youtube.com/watch?v=h9OZL0jOmTU

Em seguida, as chamadas proteínas de ligação à cadeia simples (SSBP – single strand binding proteins) se ligam às cadeias separadas e impedem que elas voltem a se unir (na imagem abaixo elas são representadas pelos clipes).

Antes que a replicação propriamente dita aconteça, ocorre a ligação de uma enzima chamada primase, que sintetizará um fragmento de cadeia simples de RNA, chamado primer ou iniciador de RNA, pareado ao DNA e com nucleotídeos cujas bases nitrogenadas são complementares às da cadeia de DNA que serviu de molde. Isso é necessário para que haja a ligação do complexo enzimático DNA polimerase, responsável por sintetizar uma nova cadeia de DNA: a DNA polimerase não consegue iniciar a síntese de uma nova cadeia de DNA do “zero”, o que ela faz é continuar a sintetizar uma cadeia que já existe, por isso tem de haver esse iniciador. Inicialmente apenas uma primase se liga em apenas uma das cadeias, porém, posteriormente, mais primases se ligarão à outra cadeia de DNA. Após a síntese do iniciador de RNA, a primase se desliga/dissocia da molécula de DNA.

Agora o complexo enzimático responsável pela síntese de novas cadeias de DNA, contendo a enzima DNA polimerase se liga à cadeia de DNA, na ponta do iniciador de RNA, e começa a fazer a leitura das bases nitrogenadas da cadeia de DNA que serve de molde, adicionando nucleotídeos com bases nitrogenadas complementares à nova cadeia que está sendo sintetizada (lembre-se de que Adenina pareia com Timina e Citosina com Guanina). Em E. coli, a taxa na qual as DNAs polimerases adicionam nucleotídeos à cadeia em crescimento pode chegar até 1000 nucleotídeos por segundo, ao passo que nas nossas células é de 50-100 por segundo.

A síntese das novas cadeias de DNA requer bastante energia, fornecida pelos próprios nucleotídeos utilizados na síntese, pois eles são trifosfatos (ATP, CTP, GTP e TTP, contendo desoxirribose e não ribose) e, por conta disso, pode haver a liberação da energia contida em duas ligações entre grupos fosfatos. Quando já estão constituindo as cadeias de DNA, os nucleotídeos são monofosfatos.

E assim a síntese prossegue nas duas cadeias da molécula de DNA. Note que a nova cadeia que está sendo sintetizada na parte de cima da figura é produzida continuamente, pois, uma vez ligado à cadeia de DNA, o complexo DNA polimerase só se desliga ao término do processo de replicação, por isso, essa cadeia é chamada contínua e só necessita de um primer. O mesmo não ocorre na cadeia que está sendo sintetizada na parte de baixo da figura. Nesse caso, é preciso que a helicase aos poucos vá abrindo a molécula de DNA mãe para que as DNA polimerases possam se ligar na porção que acabou de ter suas duas cadeias separadas (parte da direita da figura). Assim, essa cadeia de baixo é sintetizada de maneira descontínua, requerendo a síntese de vários primers de RNA e a ligação de várias DNA polimerases. Por isso é chamada cadeia descontínua. Cada fragmento da cadeia descontínua é chamado de fragmento de Okazaki. Antes do término do processo, outras enzimas irão remover os primers de RNA, adicionar nucleotídeos de DNA e ligar todos os fragmentos das novas cadeias.

De maneira simplificada, o motivo pelo qual uma das cadeias é sintetizada de maneira contínua e a outra não é que as duas cadeias da molécula de DNA são antiparalelas: cada cadeia de nucleotídeos tem uma extremidade que termina no grupo fosfato do nucleotídeo (5' fosfato ou 5' OPO3-), enquanto a outra extremidade termina no grupo hidroxila pertencente à pentose (3' OH). Veja a imagem a seguir:

Como mencionado, a DNA polimerase não inicia uma cadeia do zero, ela continua a síntese a partir de uma cadeia pré-existente, por isso há a necessidade dos iniciadores de RNA. O detalhe a mais é que as DNA polimerases também precisam de uma extremidade 3' OH para se ligar, então, uma das cadeias é sintetizada de maneira descontínua, na medida em que mais desses iniciadores vão sendo gerados e fornecendo terminais 3' OH para que as DNA polimerases se liguem. Veja a imagem a seguir. Observe que as DNA polimerases leem as cadeias de DNA molde (na imagem, na cor azul escura) no sentido 3' para o 5' delas, ao passo que sintetizam as novas cadeias (em azul claro) no sentido 5' para o 3'.

A imagem mostra um resumo da replicação do DNA, mostrando algumas das principais enzimas responsáveis pelo processo e como as duas cadeias são sintetizadas.

Enfim, ao término do processo, obtêm-se duas novas moléculas de DNA a partir de uma. Cada uma das novas moléculas têm uma cadeia nova, que acabou de ser sintetizada, e uma cadeia velha, da molécula mãe, que serviu de molde para a síntese da cadeia nova. Devido ao fato de que as moléculas novas de DNA possuem uma cadeia velha e uma nova, a replicação é dita semiconservativa. (Além disso, devido ao fato de que uma das cadeias é sintetizada de maneira descontínua, também se pode dizer que a replicação também é semidescontínua).

Parece simples, mas nem tanto, óbvio. Inclusive é conveniente mencionar sobre o experimento de Meselson & Stahl, realizado em 1958, no qual se demonstrou que a replicação é semiconservativa (por que é um assunto bom para cair nas provas e cai mesmo). Em resumo, nesse experimento, inicialmente os pesquisadores cultivaram E. coli em meio contendo ¹⁵N, o isótopo pesado do nitrogênio (tem um nêutron a mais). Esse isótopo foi incorporado às bases nitrogenadas dos nucleotídeos de maneira que as moléculas de DNA passam a ser "pesadas". Em seguida, algumas dessas primeiras bactérias foram cultivadas em meio contendo o isótopo ¹⁴N e logo após o primeiro ciclo de replicação do DNA essas moléculas foram isoladas e analisou-se a densidade delas em uma centrífuga e elas também foram comparadas com a densidade das moléculas de DNA pesadas das primeiras bactérias e com as moléculas de DNA de bactérias cultivadas em ¹⁴N por várias gerações (DNA "leve"). O resultado foi que as moléculas de DNA das bactérias cultivadas em ¹⁵N e que passaram por um ciclo de replicação em meio com ¹⁴N apresentam moléculas de DNA com densidade intermediária, pois as cadeias novas sintetizadas nesse primeiro ciclo de replicação incorporam os nucleotídeos contendo o isótopo ¹⁴N, porém, conservam uma cadeia mãe, cujos nucleotídeos possuem o ¹⁵N. Veja a imagem abaixo.

Para finalizar é bom destacar que as DNA polimerases são capazes de efetuar uma checagem de erros caso tenham adicionado um nucleotídeo cuja base nitrogenada não seja o par correto do que foi lido na cadeia mãe. Caso isso ocorra, elas removem o nucleotídeo mal pareado e o substituem por um que forme o par de maneira correta. Caso os nucleotídeos mal pareados escapem desse mecanismo de reparo, ainda há um segundo, no qual outras enzimas removem o(s) nucleotídeo(s) mal pareado(s) para que uma DNA polimerase possa acrescentar os que formem pares de maneira adequada. Esse sistema de reparos é bastante eficaz e a taxa de erros é estimada em um nucleotídeo a cada 1 bilhão, mas claro, os diversos agentes mutagênicos podem aumentar essa taxa.

O vídeo abaixo mostra um modelo resumido do processo. Tem legendas em língua portuguesa (tem de acionar):