4 REPLICAÇÃO, REPARO E RECOMBINAÇÃO DO DNA

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JOEL NERES DE SOUZA – PSE/UFAM 2020 
 
 INTRODUÇÃO 
 
 A células deve manter um alto grau de organização em um 
ambiente desfavorável 
 A replicação do DNA deve ocorrer antes de a célula produzir 
duas células-filhas geneticamente iguais. 
 A replicação ocorre na fase S do ciclo celular 
 A manutenção da ordem também requer a vigilância contínua 
e o reparo dessa informação genética, devido a danos por 
compostos químicos e radiação oriundos do ambiente, por 
acidentes térmicos e por moléculas reativas. 
 
MANUTENÇÃO DAS SEQUÊNCIAS DE DNA 
 
As taxas de mutação são extremamente baixas 
 
 Raramente os processos de manutenção do DNA celular falham, 
resultando em uma alteração permanente no DNA. Tal alteração 
é chamada de mutação 
 A taxa de mutação, de aproximadamente 1 nucleotídeo alterado 
por 1010 nucleotídeos cada vez que o DNA é replicado 
 O dano pode ser causado por clivagem espontânea das ligações 
químicas do DNA, por agentes ambientais como radiações 
ultravioleta e ionizante, e pela reação com substâncias 
genotóxicas, que são subprodutos do metabolismo celular normal 
ou que ocorrem no ambiente. 
 As células de um animal ou planta com reprodução sexual são de 
dois tipos: células germinativas e células somáticas. 
 As células germinativas transmitem a informação genética do 
progenitor aos seus descendentes; 
 As células somáticas formam o corpo do organismo 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 A sequência do genoma humano (aproximadamente 3,2 × 109 
pares de nucleotídeos) permanece inalterada ou altera-se 
apenas por alguns poucos nucleotídeos a cada vez que uma 
célula humana típica se divide. 
 A maioria dos seres humanos transmita instruções genéticas 
precisas de uma geração a outra e também evita que as 
alterações nas células somáticas originem um câncer. 
 
 
TODA REPLICAÇÃO DE DNA OCORRE DE MODO 
SEMICONSERVATIVO 
 
 
 Replicação semiconservativa, porque cada fita original de 
nucleotídeos permanece intacta (conservada), apesar de não se 
combinar mais com a mesma molécula; a molécula original de 
DNA tem sua metade (semi) conservada durante a replicação. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 A primeira enzima que polimeriza nucleotídeos, a DNA-
polimerase, foi descoberta em 1957. 
 O crescimento da fita nascente é no sentido 5’→ 3’ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 A forquilha de replicação possui uma estrutura assimétrica “Y”. 
 A fita-filha de DNA sintetizada continuamente é denominada fita-
líder, ou fita contínua. 
 A síntese de uma fita-filha, chamada de fita-líder, pode proceder 
continuamente a partir de um único iniciador de RNA 
 Sua síntese precede levemente a síntese da fita-filha sintetizada 
de modo descontínuo, conhecida como fita retardada, ou fita 
descontínua. 
 Os fragmentos de Okazaki são polimerizados apenas na cadeia 
de direção 5’→3’ na fita descontinua e são unidos após sua 
síntese(DNA-ligase), formando longas cadeias de DNA. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Tendo as helicases separado o DNA parental em uma origem, 
uma RNA- polimerase especializada chamada primase forma um 
pequeno iniciador complementar às fitas-molde separadas. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
JOEL NERES DE SOUZA – PSE/UFAM 2020 
 
 
 
 A replicação do DNA necessita da cooperação de várias 
proteínas 
 A DNA-polimerase e a DNA-primase, que catalisam a 
polimerização dos nucleosídeos trifosfato; 
 As DNA-helicases que auxiliam na abertura da dupla-hélice para 
permitir que as fitas sejam copiadas 
 Proteínas ligadoras (SSB) auxiliam as helicases, estabilizando 
a conformação distorcida e de fita simples, e evitam a formação 
de pequenos grampos que formam-se rapidamente no DNA de 
fita simples 
 A DNA-ligase é uma enzima que degrada os iniciadores de RNA, 
para ligar os fragmentos descontínuos de DNA formados na fita 
retardada, 
 As DNA-topoisomerases, que aliviam a tensão causada pelo 
enrolamento helicoidal e os problemas de emaranhamento do 
DNA. 
 Muitas dessas proteínas associam-se entre si na forquilha de 
replicação, formando uma “maquinaria de replicação” altamente 
eficiente, em que as atividades e os movimentos espaciais dos 
componentes individuais são coordenados. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Em resumo, cada forquilha de replicação ativa requer cinco 
componentes básicos: 
 
 A helicase para desenrolar o DNA. 
 As proteínas ligadoras de fita única para proteger as fitas de 
nucleotídios e evitar a formação de estruturas secundárias. 
 A topoisomerase girase para remover a fita à frente da 
forquilha de replicação. 
 A primase para sintetizar primers com um grupo 3′-OH no 
início de cada fragmento de DNA. 
 A DNA polimerase para sintetizar a fita líder e fita tardia de 
nucleotídios. 
 
INÍCIO E TÉRMINO DA REPLICAÇÃO DO DNA NOS 
CROMOSSOMOS 
 
 
 A síntese de DNA inicia na origem de replicação 
 
 
 A replicação de DNA é iniciado por proteínas iniciadoras 
especiais que se ligam à fita dupla de DNA e separam as duas 
ligações, rompendo as ligações de hidrogênio entre as bases. 
 Os segmentos de DNA ricos em pares de bases A-T são 
relativamente mais fáceis de serem separados, e essas regiões 
de DNA ricas em pares A-T estão normalmente presentes nas 
origens de replicação. 
 Em cromossomos eucarióticos podem haver múltiplas origens de 
replicação 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
INÍCIO DA REPLICAÇÃO DO DNA EM EUCARIOTOS 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Esse mecanismo assegura que cada origem de replicação seja 
ativada apenas uma vez por ciclo celular. 
 Uma origem de replicação pode ser utilizada apenas se um 
complexo pré-replicativo for formado na fase G1. 
 No início da fase S, cinases especializadas fosforilam Mcm, 
ativando-o, e ORC, inativando-o. 
 Um novo complexo pré-replicativo não pode ser formado na 
origem, até a célula ter progredido à próxima fase G1, quando o 
ORC ligado será defosforilado. 
 As helicases Mcm de eucariotos movem-se ao longo do molde da 
fita-líder, 
 
JOEL NERES DE SOUZA – PSE/UFAM 2020 
 
 Enquanto a helicase bacteriana move-se ao longo do molde da 
fita retardada 
 À medida que as forquilhas iniciam seu movimento, o ORC é 
deslocado e novos ORCs são rapidamente ligados às origens 
recém-replicadas. 
 
A TELOMERASE REPLICA AS EXTREMIDADES DOS 
CROMOSSOMOS 
 
 A telomerase faz a inserção de sequências nucleotídicas 
especiais nas extremidades dos cromossomos, incorporadas em 
estruturas denominadas telômeros 
 Em humanos, a sequência da unidade de repetição é GGGTTA, 
sendo repetida aproximadamente mil vezes em cada telômeros 
 A telomerase se assemelha às transcriptases reversas, proteínas 
que sintetizam DNA usando um molde de RNA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 A telomerase é um grande complexo proteína-RNA. 
 O RNA (em azul) contém a sequência-molde para a síntese das 
novas repetições de DNA telomérico. 
 A reação de síntese é realizada pelo domínio da transcriptase 
reversa da proteína (em verde). 
 Uma transcriptase reversa é uma forma especial de polimerase 
que utiliza um molde de RNA para produzir uma fita de DNA; 
 Uma telomerase carrega seu próprio molde de RNA. 
 A telomerase também possui vários outros domínios proteicos 
necessários à ligação da enzima às extremidades dos 
cromossomos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Uma nuclease especializada remove a extremidade 5’ de um 
telômero formando uma saliência na extremidade de fita simples. 
Essa extremidade – associada às repetições GGGTTA nos 
telômeros – atrai um grupo de proteínas que formam um tipo de 
“tampa” cromossômica protetora conhecida como shelterina. 
 A shelterina “esconde” os telômeros dos detectores de lesões 
celulares que monitoram o DNA continuamente. 
 
 
 
 
 
REPARO DO DNA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Dano ao DNA é inevitável e surge de várias formas. 
 O dano pode ser causado por clivagem espontânea das ligações 
químicas do DNA, poragentes ambientais como radiações 
ultravioleta e ionizante, e pela reação com substâncias 
genotóxicas, que são subprodutos do metabolismo celular normal 
ou que ocorrem no ambiente. 
 Uma alteração na sequência normal do DNA, chamada de 
mutação. 
 A primeira linha de defesa para a prevenção de mutações é a 
própria DNA-polimerase. 
 Às vezes, quando as DNA-polimerases replicativas progridem ao 
longo do DNA-molde, um nucleotídeo errado é adicionado à 
extremidade 3' crescente da fita-filha. 
 
A dupla-hélice de DNA é corrigida imediatamente 
 
 Depurinação e desaminação. Essas reações são duas das 
reações químicas espontâneas mais frequentes que produzem 
sérias lesões no DNA da célula. 
 A depurinação pode remover a guanina e a adenina do DNA. 
 O principal tipo de reação de desaminação converte a citosina em 
uracila, mas a desaminação também pode ocorrer em outras 
bases. 
 Essas reações ocorrem na dupla-hélice de DNA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Tipo mais comum de dímero de timina. Esse tipo de lesão 
ocorre no DNA de células expostas à radiação ultravioleta (como 
a luz do sol). Um dímero semelhante também pode ser formado 
entre duas bases pirimídicas quaisquer (C ou T) presentes no 
DNA. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
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VIAS DE REPARO DE LESÃO NO DNA 
 
 As duas vias diferem na maneira pela qual a lesão é removida do 
DNA. 
 A primeira via → reparo por excisão de bases, envolve uma 
bateria de enzimas denominadas DNA-glicosilases, cada uma 
capaz de reconhecer um tipo específico de base alterada no DNA 
e de catalisar sua remoção hidrolítica. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 A segunda principal via → reparo por excisão de nucleotídeos. 
 Esse mecanismo pode corrigir uma lesão causada por 
praticamente qualquer alteração volumosa na estrutura da dupla-
hélice de DNA. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
RECOMBINAÇÃO HOMÓLOGA 
 
 Um dos mecanismos de reparo de DNA, consiste em um grupo 
diverso de reações conhecidas como recombinação homóloga 
 Função → troca de fitas do DNA entre um par de sequências de 
DNA de duplex homólogos, isto é, segmentos de dupla-hélice 
com sequências nucleotídicas semelhantes ou idênticas. 
 Esse tipo de recombinação possui características comum entres 
as células 
 É dirigida pelas interações de pareamento de bases do DNA 
 O pareamento não precisa ser perfeito, mas deve ser muito 
próximo para que ocorra a recombinação homóloga 
 
 
A RECOMBINAÇÃO HOMÓLOGA É DIRIGIDA PELAS 
INTERAÇÕES DE PAREAMENTO DE BASES DO DNA 
 
 O princípio da recombinação homóloga é que ela ocorre apenas 
entre dois duplex de DNA com extensas regiões de sequências 
similares (homologia). A recombinação homóloga pode reparar 
corretamente as quebras na fita dupla de DNA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 O duplex de DNA quebrado e o duplex-molde realizam uma 
“dança das fitas”, de modo que uma das fitas danificadas utiliza 
uma fita complementar do duplex intacto para o reparo. 
 Primeiro, as extremidades do DNA danificado são removidas, ou 
“recortadas” por nucleases produzindo uma extremidade de fita 
simples 3’. 
 A próxima etapa é a troca de fitas (também chamada de invasão 
de fitas), em que uma das extremidades 3’ da molécula de DNA 
quebrada abre caminho até o duplex-molde e busca a sequência 
homóloga pelo pareamento de bases. 
 Uma vez estabelecido o pareamento entre as bases, uma DNA-
polimerase com alta precisão alonga a fita invasora usando a 
informação fornecida pela molécula-molde não danificada, 
corrigindo o DNA danificado. 
 As últimas etapas – deslocamento da fita, síntese adicional do 
reparo e ligação – regeneram as duas hélices duplas de DNA 
originais e completam o processo de reparo. 
 
A TROCA DE FITAS É REALIZADA PELA PROTEÍNA RECA/RAD51 
 
 RecA em Procariotos (E. coli) e Rad51 em praticamente todos os 
eucariotos. 
 A recombinação homóloga é essencial para a meiose 
 
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 Recombinação homóloga durante a meiose produz o 
entrecruzamento e a conversão gênica, resultando em 
cromossomos híbridos contendo informação dos dois homólogos, 
materno e paterno 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
A RECOMBINAÇÃO MEIÓTICA INICIA COM UMA 
QUEBRA PROGRAMADA DE FITA DUPLA 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 A proteína Spo11, específica de meiose, e o complexo Mre11 
quebram o duplex de DNA e processam as extremidades, a 
recombinação homóloga pode ocorrer por duas vias alternativas. 
 Uma (lado direito da figura) assemelha-se muito à reação de 
reparo de quebras de fita dupla e resulta em cromossomos que 
foram “corrigidos”, mas nas quais não ocorreu o 
entrecruzamento. 
 A outra (lado esquerdo, com as quebras das fitas indicadas por 
setas em azul) segue pela junção de Holliday dupla e produz dois 
cromossomos entrecruzados. 
 Durante a meiose, a recombinação homóloga ocorre entre os 
cromossomos materno e paterno homólogos, quando estão 
unidos firmemente 
 
Junções de Holliday são formadas durante a meiose 
 
 As junções podem adotar múltiplas conformações, e um conjunto 
de proteínas de recombinação especiais liga-se a ela, 
estabilizando o isômero simétrico aberto. 
 As proteínas especializadas que se ligam às junções de Holliday 
catalisam uma reação chamada migração da ramificação 
 
 
 
A RECOMBINAÇÃO HOMÓLOGA NORMALMENTE 
RESULTA EM CONVERSÃO GÊNICA 
 
 Em organismos de reprodução sexuada, uma lei fundamental da 
genética é – exceto pelo DNA mitocondrial, que é herdado 
apenas por herança materna – cada genitor dá uma contribuição 
genética igual para sua progênie.