Cromatina e replicação

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ESTRUTURA DO DNA E REPLICAÇÃO
nucleotídeos
dna é uma molécula formada por nucleotídeos (que são formados por uma pentose, uma base nitrogenada e um
grupo fosfato. A pentose do DNA é uma desoxirribose)
Na molécula de DNA, os nucleotídeos estão organizados em duas
fitas. Cada uma das extremidades dessas fitas é de uma maneira: em
uma delas, o grupo fosfato está ligado ao carbono 5 da pentose
(extremidade denominada 5’ ou 5’ fosfato). Já a outra, contém uma
hidroxila ligada ao carbono 3 da pentose (sendo denominada
extremidade 3’ ou 3’OH). É importante observar que as fitas são
antiparalelas, uma está no sentido 3’-5’ e a outra está no sentido
oposto.
Outra característica das fitas do DNA é que elas
são complementares, ou seja, em uma há a
timina e na outra há a adenina, assim como
ocorre com a citosina e a guanina. Esse
pareamento é estabelecido por pontes de
hidrogênio, sendo duas na ligação guanina e
citosina e três na ligação adenina e timina.
Devido a complementaridade dessas fitas, uma
pode servir de molde para a síntese da outra fita.
Cromatina
Nas células, a molécula de DNA está associada a proteínas, e essa associação leva o nome de cromatina.
Ela é composta por proteínas histonas (responsáveis pelo processo de compactação e descompactação do DNA.
Importantes na regulação dos genes, tornando os genes mais ou menos acessíveis à ação da RNA-polimerase) e
proteínas não histonas (Proporcionam condições para que haja associações entre as histonas e a cromatina.)
Pode ser mais condensada (heterocromatina), apresentando uma aparência mais escura, mais eletrondensa (A)
ou mais descondensada, estando mais clara ou menos eletrondensa (B)
A organização do DNA pode ser comparada a um fio de lã, ele pode estar
mais organizado, formando os novelos, ou estar mais disperso. Se a
cromatina for comparada a linha azul, em A ela está mais aberta,
semelhante a uma cromatina mais descondensada. Já em B, ela está mais
compactada, sendo equivalente a uma cromatina condensada.
Se tivéssemos vários novelos, e precisássemos dividi-los igualmente, seria
mais fácil que estivessem bem enrolados. Isso é o que acontece durante a
divisão celular (C e D), em que ocorrem os maiores níveis de compactação.
Assim, dependendo da fase do ciclo celular, da sua função e dos seus
ativadores e inibidores, a cromatina pode apresentar diferentes níveis de compactação.
Cromossomos eucarióticos
Na primeira imagem é possível ver um núcleo interfásico, em que se
tem uma cromatina mais descondensada. Já na segunda, é visto um
cromossomo metafásico, que apresenta o mais alto grau de
compactação.
Na primeira imagem, a cromatina está mais dispersa mas, mesmo
nesse caso, o DNA está distribuído em unidades chamadas de
cromossomos, ainda que não sejam visíveis como na segunda
imagem.
Cromossomo interfásico: forma relaxada
cromossomo mitótico: forma compactada
Cromossomos humanos
Em cada espécie, o DNA está distribuído
em certo número de cromossomos. Nos
seres humanos, são 22 cromossomos
autossomos (fazem parte do patrimônio
genético da espécie) e 2 sexuais (X e Y).
Na fase da interfase, os cromossomos se
apresentam “mais descondensados” (na
primeira imagem, cada cromossomo foi
marcado com uma cor diferente para que
fosse possível reconhecer o espaço de
cada um). A imagem da direita mostra o
cariótipo humano com os 23 pares de cromossomos em seu grau máximo de compactação (nessa fase é possível
analisar sua morfologia e separá-los de acordo com suas características).
Elementos do cromossomo
Cada cromossomo possui regiões que são importantes para que ele possa ser duplicado e segregado para as
células filhas.
Telômeros: são sequências repetitivas que protegem
as extremidades dos cromossomos e permitem que
elas sejam replicadas.
Centrômeros: são regiões onde se ligam os fusos
mitóticos (a separação dos cromossomos presentes
no núcleo celular em duas células-filhas durante a
mitose é auxiliada por uma estrutura conhecida como
fuso acromático ou fuso mitótico), permitindo que cada
cromossomo seja distribuído corretamente para as
células filhas
Origem de replicação: local de onde se inicia a síntese
do DNA para formar uma nova molécula.
Diferentes níveis de compactação do DNA são observados nas fases de interfase e divisão celular. Durante a
mitose, o DNA humano, por exemplo, é cerca de 10000x mais compactado do que na sua forma mais estendida na
interfase. Isso se deve a proteínas que distorcem ou dobram o DNA em níveis cada vez mais altos de organização.
Essas proteínas são divididas em duas fases: as histonas e as não-histonas. Quando o núcleo interfásico é rompido
e seu material examinado, a maior parte da cromatina se encontra na forma de uma fibra de 30nm de diâmetro. Se
essa fibra é descompactada é possível ver uma forma que se assemelha a um colar de contas, esse é o primeiro
nível de compactação da cromatina. Cada conta,
constitui o cerne (parte central) de um
nucleossomo.
Componentes de um nucleossomo
Cada nucleossomo é formado por uma estrutura
central, que consiste em um complexo de 8
histonas (sendo duas cópias de H2A, de H2B, de
H3 e de H4) enroladas por um DNA de cerca de
127 nucleotídeos. Entre cada cerne, encontra-se
um DNA de ligação que pode variar de
comprimento.
Níveis de compactação da cromatina
Ciclo celular e replicação do DNA
Sabe-se que todas as células surgem a partir de outras células que se reproduzem passando por diversos eventos
durante o seu ciclo celular.
O ciclo celular é dividido em duas grandes etapas: a intérfase, na qual a célula é ativa metabolicamente, e a fase
M, em que ela se divide. Porém, antes da divisão dessa célula, é necessário que ela duplique o seu material
genético, num processo chamado replicação. Esse processo ocorre ainda na interfase (fase S) e precisa ser
concluído antes que a célula entre em divisão.
De maneira geral, durante a replicação, a
molécula de DNA é aberta e cada uma das fitas é
usada como molde para a síntese de uma nova
fita. Isso é possível devido a complementaridade
de bases.
Esse processo deve ser o mais fiel possível,
pois a troca de um nucleotídeo gera mutações no
DNA que podem trazer prejuízos para o
organismo.
Replicação semiconservativa
A cada replicação, cada uma das fitas é usada como molde para a formação de
uma complementar nova.
Assim, ao final de cada replicação, teremos duas moléculas de DNA, compostas
por uma fita velha (ou original) e uma fita nova (ou recém-sintetizada).
Pode-se observar nesse esquema que a nova molécula possui uma fita amarela
original e uma vermelha nova. O mesmo acontece a cada ciclo de replicação.
Assim dizemos que o processo de replicação é um processo semiconservativo.
Origem de replicação
Para ser utilizada como molde, a dupla fita precisa ser aberta, para
expor as bases não pareadas. O local onde ocorre a abertura inicial
das fitas é denominado origem de replicação. Em geral, ele é rico em
pares de base adenina e timina, que possuem apenas duas ligações
de hidrogênio entre elas, e por isso, são mais fáceis de serem
separadas. O genoma bacteriano possui apenas uma origem de
replicação, mas o genoma eucariótico é muito maior e tem várias
origens, permitindo que ele seja replicado em poucas horas.
Direção de replicação
A partir do momento que as fitas são abertas e o processo de replicação é iniciado, ele ocorre em duas direções,
fazendo com que ele seja um processo bidirecional. Com isso, tem-se dois pontos de crescimento das novas fitas,
formando duas forquilhas de replicação.
Em cada uma das forquilhas existem diversas enzimas que participam da síntese da nova fita
o sentido da replicação é 5’-3’
Em cada forquilha, uma máquina de replicação move-se ao
longo do DNA, abrindo as duas fitas da dupla-hélice e usando
cada fita como um molde para produzir uma nova fita-filha.
afastam-se da origem em direções opostas, abrindo a
dupla-hélice e replicando o DNA à medida que se movem,
portanto, a replicação do DNA em cromossomos é dita
bidirecional. (cap 6- livro)
A enzima que realiza a síntese da nova fitaé a DNA polimerase. Essa
enzima tem algumas características e requisitos para que ela possa realizar a replicação. Uma delas é que o DNA
polimerase precisa de um modelo para saber qual a sequência da nova fita.
Para continuar a abertura das fitas após o início da replicação, uma nova enzima entra em cena: a DNA helicase.
Ela atua quebrando as ligações de hidrogênio entre as bases nitrogenadas para separar a dupla fita e permitir que
a DNA polimerase possa usar cada fita como molde e realizar a replicação. Além disso, a DNA polimerase só
adiciona nucleotídeos na extremidade 3’OH do DNA. Desta forma, a replicação ocorre sempre no sentido 5’-3’. Os
nucleotídeos adicionados a extremidade 3’ devem ser tri-fosfatados pois a hidrólise na ligação entre os fosfatos
libera muita energia e essa energia é suficiente para que a DNA-polimerase possa catalisar a ligação do
nucleotídeo a nova cadeia. Além disso, a DNA polimerase necessita de uma extremidade 3’OH livre para adicionar
os novos nucleotídeos.
RNA iniciador
o RNA iniciador é adicionado pela DNA primase na extremidade 3’OH livre para que o DNA polimerase possa
atuar. Posteriormente, esse fragmento de RNA será retirado e substituído por DNA.
Replicação é semidescontínua
A direção de síntese pelo DNA polimerase
ocorre sempre no sentido 5'-3'. Isso faz
com que exista um problema na replicação
pois ela deve ocorrer nos dois lados a partir
da origem, uma vez que é um processo
bidirecional. Assim, de um lado a fita estará
no sentido 5’-3’ e do outro ela estará no
sentido 3’-5’. Esse problema é resolvido
pelo DNA primase, que em certo ponto,
adiciona um iniciador e faz com que o DNA
polimerase sintetize de forma descontínua.
(o iniciador é colocado em um local à frente
da polimerase, que vai até o local e
sintetiza apenas uma parte da fita, mas na
direção correta).
Essas partes, fragmentos da fita são
chamados de fragmentos de Okazaki e
mais tarde serão ligados um ao outro. A fita sintetizada um pouco mais rápido é chamada de fita líder, enquanto a
outra recebe o nome de fita retardada. Então, vemos que, de um lado, a fita líder é sintetizada continuamente, e, do
outro, a fita retardada é sintetizada de forma descontínua, por isso que a replicação é um processo chamado de
semi descontínuo.
Modelo de forquilha de replicação
em amarelo: a helicase que tem a função
de abrir as duas fitas para a replicação
em azul: a primase que adiciona o RNA
iniciador
em verde: a polimerase
a fita líder está sendo sintetizada
continuamente, e na fita retardada vários
fragmentos estão sendo sintetizados (por
isso, ela demora um pouco mais pra ser
sintetizada)
Assim, para que a polimerase realize a
síntese nas duas fitas ao mesmo tempo, é
formada uma alça na fita retardada até que
essa região seja replicada (ela é protegida
por proteínas para que não ocorra o seu reanelamento e também que nucleases clivem o seu DNA).
DNA polimerase
Quando pensamos em uma réplica, vem a cabeça, algo idêntico ao original e assim deve ser com a replicação do
DNA. A nova cópia deve ser muito fiel à original e, para isso, a própria DNA polimerase possui um sítio para a
correção de erros.
Quando um nucleotídeo incorreto é adicionado, ocorre um pareamento não estável, que é percebido pela DNA
polimerase. Assim ela retorna no sentido 3’-5’, retirando esse nucleotídeo. Esse é um dos principais fatores que
garantem maior fidelidade nos processos de replicação.