Replicação - Síntese de DNA

Vimos a composição química e a estrutura dos ácidos nucleicos, DNA e RNA, essas concepções estão ligadas a função do material genético que é a replicação, a transcrição e a tradução. Hoje veremos a replicação do DNA, que nada mais é que a duplicação da dupla fita de DNA.

A replicação do DNA é semiconservativa, isso quer dizer que:

• Uma das fitas do DNA pré-existente faz parte da nova fita;
• Preserva as informações da molécula original;
• Reduz a probabilidade de erros na hora da replicação.

Figura 1: Replicação do DNA

Onde ocorre a replicação do DNA?

A replicação do DNA ocorre no núcleo da célula e se inicia em um local específico da molécula de DNA que apresenta uma sequência de bases específica, na qual é reconhecida pela DNA polimerase e por outras enzimas, proteínas e cofatores que estão envolvidos no processo de replicação.

A unidade do DNA a qual se inicia a replicação é conhecida como replicon, que é ativado somente uma vez em cada ciclo celular e possui elementos de controle necessários à replicação. O genótipo dos procariontes possuem apenas um replicon, ou seja, uma única abertura inicial de replicação. Enquanto que, devido a sua complexidade, o DNA de eucariontes apresentam muitos replicons, pois nesses organismos ocorre a replicação simultânea em diferentes regiões do DNA.

Quando ocorre a replicação do DNA?

É na fase S da interfase, fase que antecede a divisão celular, que acontece a replicação do DNA, ou seja, é nesse momento que se formam as células filhas contendo toda a informação da célula original.

Como ocorre a replicação do DNA?

A maior parte do conhecimento que temos sobre a replicação do DNA vem dos estudos com procariontes (bactérias e vírus), bem menos se sabe sobre a replicação do DNA em eucariontes. Porém, alguns dados nos permitem concluir que os mecanismos básicos da replicação e geometria da forquilha são semelhantes nos eucariontes e procariontes.

Assim sendo, nesse texto, vamos estudar como ocorre a replicação nos procariontes e acrescentar algumas informações sobre os eucariontes.

Uma das diferenças relacionada a complexidade dos organismos é a velocidade de replicação, a replicação do DNA eucariótico se move com uma velocidade 10 vezes menor do que o DNA procariótico, devido em parte às diferenças no tamanho do DNA, mas também devido ao DNA eucariótico estar empacotado pelas proteínas histonas.

A replicação das moléculas de DNA inicia quando elas se rompem, principalmente devido a ação da enzima helicase, que separa as fitas rompendo as pontes de hidrogênio entre as cadeias de nucleotídeo, assim originando uma bolha conhecida como forquilha de replicação, esse processo depende de energia e é fornecida pela hidrólise do ATP.

Duas cadeias complementares de ácidos nucleicos, em cada uma das fitas simples do DNA após o rompimento, têm uma tendência muito grande de se associarem, formando dobras, elas se mantêm separadas na região da forquilha de replicação graças a ação de proteínas especiais denominadas SSB, que interagem com a cadeia simples de DNA sem cobrir suas bases, as quais ficam disponíveis para servirem de molde para a síntese da cadeia complementar.

Figura 2: Efeito da ligação das proteínas SSB a uma cadeia simples de DNA. (Fonte: http://gg.gg/h292c)

A presença de diversas moléculas de proteínas SSB sobre uma cadeia simples de DNA produz uma conformação estendida e pouco flexível, favorecendo à ação da DNA Polimerase III, assim que as fitas complementares vão sendo sintetizadas as proteínas SSB se soltam do DNA.

Outra enzima a DNA girase, que é uma enzima topoisomerase do tipo II, ela auxilia a enzima helicase, no processo de rompimento da molécula de DNA, relaxando e desenrolando as fitas, diminuindo a tensão e evitando o superenovelamento à medida que as helicases avançam.

Durante o processo de replicação parte da molécula ainda não replicada continua superenovelada.

Após a formação da forquilha de replicação cada uma das fitas da molécula de DNA, ou seja, as denominadas fitas simples, se ligam a novas bases nitrogenadas formando, assim, duas novas moléculas de DNA, que contém uma fita velha proveniente da molécula original e uma fita nova formada no processo de replicação.

Podemos dizer que as fitas simples servem de molde para as novas moléculas de DNA, pois apresentam bases nitrogenadas de pareamento específico gerando moléculas idênticas as moléculas originais.

A DNA polimerase é a principal enzima que atua na síntese das novas fitas de DNA é ela que adiciona os novos nucleotídeos a fita molde, agindo juntamente a uma fita de RNA pré-existente, com cerca de 10 bases nitrogenadas, conhecida como primer ou iniciador sintetizados pela enzima primase do DNA.

As polimerases do DNA apresentam um mecanismo autocorretor, que permite a elas conferir o último nucleotídeo incorporado, corrigindo os erros à medida que se movem ao longo do DNA molde.

Desta forma as polimerases do DNA só adicionam um novo nucleotídeo à cadeia em formação se o ultimo estiver corretamente emparelhado ao nucleotídeo da cadeia molde. Caso um nucleotídeo esteja incorretamente emparelhado as DNA polimerases o removem da extremidade 3'-OH.

Um vez que a taxa de erro de incorporação é alta, esta atividade de autocorreção é essencial para garantir a estabilidade da genética ao longo das gerações, pois um erro de incorporação de nucleotídeos que não seja corrigido produz uma mutação.

Existem cerca de cinco tipos de DNA polimerase nos procariontes, a considerada principal é a DNA polimerase III que é um dímero, ou seja, são duas moléculas funcionais que trabalham unidas replicando as duas fitas de DNA. Nos eucariontes uma grande quantidade de tipos DNA polimerase foram descritas.

A DNA polimerase III está associada a uma proteína, chamada de grampo deslizante, que forma um anel em torno da cadeia molde, mantendo a polimerase firmemente presa ao molde.

Figura 3: DNA Polimerase associada a proteína grampo deslizante. (Fonte: http://gg.gg/h292c)

A maioria das proteínas que atuam na replicação do DNA ficam associadas compondo um grande complexo multienzimático chamado replissomo, que são formados basicamente por duas DNA polimerases III associado a um subcomplexo enzimático chamado de primossomo. O primossomo é o complexo de proteínas responsáveis pela colocação dos primers.

Figura 4: Replicação do DNA (Fonte: https://goo.gl/qmpaUE)

A enzima DNA polimerase III sempre inicia a síntese na extremidade 3' da fita molde, ou seja, adiciona os nucleotídeos na direção 5' → 3' da nova fita. Então, surge um questionamento: Como se dá a síntese das duas fitas em cada forquilha de replicação se as fitas de DNA são antiparalelas?

A resposta para esse questionamento surgiu depois da descoberta de Okazaki , que constatou que a síntese de uma das fitas ocorre de forma contínua e a síntese da outra fita ocorre de forma descontínua, ou seja, são formados diversos fragmentos que são posteriormente reunidos formando, então, uma fita inteira.

Embora a progressão de síntese das duas fitas de DNA ocorram simultaneamente, uma das fitas é chamada de leading (líder) e a outra fita é chamada de lagging (tardia).

Figura 5: Replicação do DNA fita contínua e descontínua (Fonte: https://goo.gl/7zQvCk).

À medida que a forquilha é estendida, a fita leading sempre terá uma extremidade 3' — OH livre para colocar o próximo nucleotídeo, enquanto que na outra fita, a fita lagging, de tempos em tempos será necessário um novo primer para que ela continue o processo síntese.

A enzima primase do DNA atua no início da replicação sintetizando o primer necessário para começar a formação da cadeia leading e durante todo o processo sintetizando os primers necessários para o início de cada fragmento de Okazaki na cadeia lagging.

Resumindo um dos novos filamentos de DNA é sintetizado continuamente pela DNA polimerase III, o outro filamento precisa ser sintetizado em partes. Os chamados fragmentos de Okazaki são justamente os trechos curtos de primer + DNA (com cerca de 100 a 200 nucleotídeos nos eucariotos e 1000 a 2000 nos procariotos) produzidos temporariamente na fita de replicação descontínua.

Há uma hipótese de que a fita molde descontínua dobre-se formando um anel próximo a forquilha de replicação de forma que o seguimento de pares de bases assume a mesma direção da fita molde.

As polimerases III do DNA que agem na forquilha de replicação, apesar de serem equivalentes, são ligeiramente diferentes, a que forma a cadeia leading, possui alta processividade nunca soltando da cadeia molde, enquanto que, as outras que sintetizam a cadeia lagging, podem se soltar da cadeia molde quando encontram a extremidade 5' de um primer em seu caminho, reiniciando a síntese na extremidade 3'-OH do primer seguinte.

Os primers são removidos de ambas as fitas pela enzima RNAse H e a DNA polimerase I vai completando a fita de DNA no treco liberado. Por fim, os filamentos adjacentes do DNA são reunidos via ligação covalente pela DNA ligase.

Nos eucariontes a partir de cada origem de replicação, as forquilhas se movem até se encontrarem com forquilhas vizinhas, então as bolhas de replicação se fundem formando bolhas maiores.

Figura 6: Replicação do DNA procariontes e eucariontes (Fonte: https://goo.gl/7zQvCk).

Atualmente sabe-se que o processo de replicação do DNA é bem mais complexo que a descrita aqui, havendo na verdade a participação de número de moléculas muito maior nesse processo, principalmente nos eucariotos, no qual o DNA se encontra associado as histonas, sabe-se que durante a replicação do DNA no núcleo ocorre a síntese das histonas no citoplasma das células.

Fonte:

RAMALHO, M.A.P., SANTOS, J.B., PINTO, C.A.B. Genética na agropecuária. Lavras: UFLA, 2008, 463p.

USP — UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO. Replicação do DNA. Disponível em: https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/2937177/mod_resource/content/2/BiologiaMolecular_texto02%20final.pdf. Acesso em: 30 mar. 2020.