O processo de replicação do DNA

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O processo de replicação do DNA 
Introdução 
O ácido desorribonucleico (DNA) é a molécula isolada mais importante nas células vivas 
e contém toda a informação que uma célula precisa para viver e se propagar. Importantes 
experimentos comprovaram que o DNA constitui o material genético, pois esta molécula 
possui a capacidade de armazenar grandes quantidades de informação, se replicar 
fielmente e traduzir suas instruções codificadoras em fenótipos. 
A descoberta da estrutura tridimensional do DNA, por James Watson e Francis Crick, 
forneceu uma elegante explicação molecular à descoberta realizada por Avery McCarty 
e MaCleod, que o DNA era o provável “princípio transformante”, que permitiu a 
transferência da informação genética entre diferentes cepas de bactérias. E ainda 
confirmou a descoberta fundamental de Chargaff sobre à equivalência entre adenina e 
timina e guanina e citosina na cadeia dupla do DNA. E mais importante, a estrutura implica 
que a informação na sequência de bases do DNA poderia possuir, em virtude da 
complementariedade, a capacidade de ser replicada em duas cópias idênticas. Esta visão 
sobre a base genética tem sustentado os avanços na compreensão e manipulação desse 
ácido nucleico nos últimos 65 anos. 
Estrutura do DNA 
O DNA é um polímero, isto é, uma cadeia feita de muitas unidades repetidas e unidas, 
chamadas de nucleotídeos. Cada nucleotídeo é composto por três partes: um açúcar, um 
fosfato e uma base contendo nitrogênio. 
O açúcar do DNA é uma pentose chamada de desoxirribose, por conter um átomo de 
hidrogênio ligado ao átomo de carbono 2’ e um oxigênio a menos. O segundo 
componente de um nucleotídeo é sua base nitrogenada, que pode ser de dois tipos: purina 
ou pirimidina. Cada purina consiste de um anel com seis lados ligado a outro anel com 
cinco lados, enquanto que a pirimidina consiste apenas de um anel com seis lados. O DNA 
contém duas purinas, adenina (A) e guanina (G) e duas pirimidinas, citosina (C) e timina 
(T), sendo a última exclusiva do DNA. Em um nucleotídeo, uma base nitrogenada sempre 
forma uma ligação covalente com o átomo de carbono 1’ do açúcar. O terceiro 
componente é um grupo fosfato, que consiste de um átomo de fósforo ligado a quatro 
átomos de oxigênio. Os grupos fosfato frequentemente possuem uma carga negativa que 
torna o DNA ácido. O grupo fosfato está sempre ligado ao átomo de carbono 5’ da 
pentose. 
A molécula de DNA é constituída por muitos nucleotídeos unidos por ligações covalentes, 
denominadas ligações fosfodiéster, que conecta o átomo de carbono 5’ de uma 
desoxirribose ao átomo de carbono 3’ da desoxirribose adjacente. Uma característica 
importante do filamento polinucleotídico é sua direção ou polaridade. Em uma ponta do 
filamento, um grupo fosfato livre está ligado ao átomo de carbono 5’ do açúcar no 
nucleotídeo. Essa ponta do filamento é chamada ponta 5’. A outra ponta do filamento, 
chamada de ponta 3’, tem um grupo hidroxila (-OH) ligado ao átomo de carbono 3’ do 
açúcar. 
A estrutura secundária do DNA foi descrita por Watson e Crick, em 1953. Essa estrutura 
refere-se a sua configuração tridimensional e pode adotar uma variedade de 
configurações dependendo da sua sequência de bases e das condições as quais é 
colocada. A estrutura tridimensional do DNA consiste de dois filamentos polinucleotídicos 
enrolados um ao outro, formando uma dupla hélice. As ligações açúcar-fosfato estão no 
lado externo da hélice, e as bases nitrogenadas estão empilhadas no interior da molécula. 
Os dois filamentos ocorrem em sentidos opostos, eles têm polaridade inversa, o que 
significa que a ponta 5’ de um filamento é oposta a ponta 3’ do outro filamento. 
Os filamentos são mantidos juntos por duas forças moleculares. As pontes de hidrogênio 
ligam as bases nitrogenadas em filamentos opostos. Essas ligações são relativamente 
fracas em comparação às ligações fosfodiéster. Várias funções importantes do DNA 
requerem a separação de seus dois filamentos e essa separação pode ser feita devido à 
relativa facilidade em quebrar e restabelecer às pontes de hidrogênio. A natureza das 
pontes de hidrogênio impõe uma limitação aos tipos de bases nitrogenadas que podem 
parear. Adenina normalmente faz par com timina por duas pontes de hidrogênio, 
enquanto guanina faz par com citosina por três pontes de hidrogênio. A especificidade 
do pareamento das bases significa que, sempre que houver uma timina em um filamento, 
terá uma adenina no outro filamento e quando houver uma guanina em um filamento, o 
outro terá uma citosina. Os dois filamentos de DNA não são idênticos e sim filamentos 
complementares. 
A outra força que mantém unidos os filamentos de DNA é a interação dos pares de bases 
empilhados. Essas interações empilhadas contribuem para a estabilidade da molécula de 
DNA, mas não requerem que nenhuma base particular siga outra. Portanto, a sequência 
de bases da molécula de DNA está livre para variar, permitindo que o DNA carregue a 
informação genética. 
A estrutura terciária do DNA refere-se ao maior nível de dobramento que permite que o 
DNA seja embalado no pequeno espaço celular. Um tipo de estrutura terciária do DNA é 
a super-helicoidização, que ocorre quando a hélice do DNA é submetida à tensão, sendo 
hiper-helicoidizada ou sub-helicoidizada. A hiper-rotação/ sub-rotação de uma dupla 
hélice de DNA adiciona tensão na molécula, causando hiper-helicioidização. A super-
helicoidização é controlada pelas enzimas topoisomerase. A maioria do DNA celular é 
negativamente super-helicoidizado, o que facilita a separação dos filamentos de 
nucleotídeos durante a replicação e a transcrição, e permite que o DNA seja embalado 
em pequenos espaços. 
Replicação do DNA 
A partir da estrutura tridimensional do DNA proposta por Watson e Crick foi possível 
sugerir um possível mecanismo de cópia do material genético. A natureza complementar 
dos dois filamentos de nucleotídeos em uma molécula de DNA sugeriu que, durante a 
replicação, cada filamento pode servir como molde para a síntese de um novo filamento. 
A especificidade do pareamento de bases significa que apenas uma sequência de bases 
pode ser especificada por cada molde, e assim duas moléculas de DNA em um par de 
moldes serão idênticas aos originais. Esse processo é chamado replicação 
semiconservativa, porque cada um dos filamentos originais de nucleotídeos permanece 
conservado, a despeito de não serem mais combinados na mesma molécula, a molécula 
original de DNA é semiconservada durante a replicação. 
A replicação do DNA ocorre na fase S (de síntese de DNA) do ciclo celular, na qual o 
cromossomo se duplica. Existem vários modos como a replicação semiconservativa pode 
ocorrer, diferindo principalmente pela natureza do DNA molde, se ele é linear ou circular. 
A replicação inicia nas chamadas origens de replicação. Os cromossomos bacterianos 
possuem uma única origem de replicação, enquanto os cromossomos eucariotos contém 
muitas origens de replicação. 
 
Na síntese do DNA, novos nucleotídeos são unidos um de cada vez à ponta 3’ do filamento 
recém-sintetizado. As DNA polimerases, as enzimas que sintetizam o DNA, podem 
adicionar nucleotídeos apenas à ponta 3’ do filamento crescente, e assim novos filamentos 
de DNA sempre se alongam no sentido 5’ para 3’ (5’ - 3’). À medida que a dupla hélice 
de DNA se desenrola durante a replicação, um molde é exposto no sentido 5’ - 3’ e o 
outro molde é exposto no sentido 3’ - 5’. O filamento que é exposto no sentido 3’ - 5’ 
permite que um novo filamento seja sintetizado continuamente, no sentido 5‘– 3’. Esse novo 
filamento, que sofre replicação contínua, é chamado de filamento leading ou líder. O 
outro filamento é exposto no sentido 5’ – 3’ e a síntese ocorre no sentido oposto ao sentido 
da deselicoidização do filamento molde, afastando-se da forquilha de replicação, região 
onde a dupla hélice se desenrola. A natureza da maquinariade replicação demanda que 
a síntese de ambos os filamentos ocorra na região da forquilha de replicação. 
Portanto, a síntese que se move afastando-se da forquilha não pode continuar por muito 
tempo. Ela tem que ocorrer em segmentos curtos: a polimerase sintetiza um segmento e, 
então, move-se para a ponta 5’ do segmento, onde a forquilha em crescimento expôs um 
novo molde. Esses trechos curtos de DNA recém-sintetizados são chamados de fragmentos 
de Okasaki. O filamento novo que sofre replicação descontínua é chamado de filamento 
lagging. A replicação ocorre em quatro estágios: iniciação, deselicoidização, 
alongamento e término. 
Replicação do DNA bacteriano 
O cromossomo circular de bactérias tem uma única origem de replicação (oriC), região 
enriquecida com adenina e timina, em que se liga a maquinaria de iniciação da 
replicação. Uma proteína iniciadora, conhecida como DnaA liga-se à oriC e faz com que 
um curto trecho de DNA se desenrole. Essa deselicoidização permite que a DNA helicase 
e outras proteínas de ligação unifilamentar se liguem ao filamento polinucleotídico. A DNA 
helicase quebra as pontes de hidrogênio que ligam os dois filamentos de nucleotídeos. A 
helicase não pode iniciar a deselicoidização do DNA bifilamentar; o fator de iniciação 
primeiro separa os filamentos de DNA na origem, fornecendo um curto trecho de DNA 
unifilamentar ao qual se liga a helicase. A proteína helicase se liga ao molde do filamento 
lagging em cada forquilha de replicação e move-se no sentido 5’-3’ ao longo desse 
filamento, movendo também a forquilha de replicação. 
Após o DNA ter sido desenrolado pela helicase, as cadeias unifilamentares tem a 
tendência de formar pontes de hidrogênio e se relicoidizar. Para estabilizar o DNA 
unifilamentar, as proteínas de ligação ao DNA unifilamentar (SSB) ligam-se fortemente 
ao DNA unifilamentar exposto. AS proteínas SSB também protegem o DNA de nucleases 
que clivam o DNA fita simples. Assim que as duas fitas da dupla hélice são separadas, 
super torções positivas são produzidas na região de DNA à frente da forquilha de 
replicação. O acumulo de super torções positivas interfere na deselicoidização adicional 
da dupla hélice. Para resolver esse problema, existe um grupo de enzimas chamadas 
topoisomerase, responsáveis por remover as super torções da hélice. A DNA girase, uma 
topoisomerase tipo II (fazem cortes transitórios em ambas as fitas da dupla hélice), reduz 
a força torcional que ocorre na frente da forquilha de replicação como resultado da 
deselicoidização. Ela reduz o torque fazendo uma quebra bifilamentar em um segmento 
da hélice do DNA, passando outro segmento da hélice pela quebra e, então, reunindo as 
pontas quebradas do DNA. Essa ação remove um giro no DNA e reduz a super-
helicoidização. 
As DNA polimerases precisam de um nucleotídeo com um grupo 3’-OH ao qual o novo 
nucleotídeo possa se ligar. Devido a isso, as DNA polimerases necessitam de um iniciador, 
um grupo 3’-OH existente, para serem iniciadas. Uma enzima chamada primase sintetiza 
pequenos trechos de nucleotídeos, ou primers, para iniciar a replicação do DNA. A 
sintetase faz um curto trecho de nucleotídeos de RNA (cerca de 10 a 12 nucleotídeos), 
que fornece um grupo 3’-OH ao qual a DNA polimerase pode ligar nucleotídeos de DNA. 
Todas as moléculas de DNA têm primers curtos de RNA inseridos nelas; esses primers 
depois são removidos e substituídos por nucleotídeos de DNA. No filamento leading, onde 
a síntese de DNA é continua, só é necessário um primer na ponta 5’ do filamento recém-
sintetizado. No filamento lagging, onde a replicação é descontínua, um novo primer deve 
ser gerado no começo dos fragmentos de Okasaki. 
A primase forma um complexo com a helicase na forquilha de replicação e move-se ao 
longo do filamento lagging. O único primer no filamento leading é provavelmente 
sintetizado pelo complexo primase-helicase no molde do filamento lagging da outra 
forquilha de replicação, na ponta oposto da bolha de replicação. 
Após o DNA ser desenrolado e um primer ter sido inserido, as DNA polimerases alongam 
o filamento polinucleotídico catalisando a polimerização do DNA. A Escherichia coli possui 
pelo menos cinco DNA polimerases diferentes. Duas delas, a DNA polimerase I e III, fazem 
a síntese de DNA na replicação; as outras três (II, IV e V) têm funções especializadas no 
reparo do DNA. 
A DNA polimerase III é um grande complexo multiproteico que atua como o principal fator 
na replicação. Essa enzima sintetiza filamentos nucleotídicos adicionando novos 
nucleotídeos à ponta 3’ de um filamento crescente de DNA. Sua atividade de polimerase 
5’ – 3’ lhe permite adicionar novos nucleotídeos no sentido 5’ – 3’. Sua atividade de 
exonuclease 3’ – 5’ lhe permite remover nucleotídeos no sentido 3’ – 5’, permitindo-lhe 
corrigir erros. Se um nucleotídeo com uma base incorreta é inserido na molécula crescente 
de DNA, a DNA polimerase III usa sua atividade de exonuclease 3’ – 5’ para voltar e 
remover o nucleotídeo incorreto. Essas duas funções juntas permitem que a DNA 
polimerase III sintetize com eficiência e precisão novas moléculas de DNA. A DNA 
polimerase III tem alta processividade, o que significa que ela é capaz de adicionar muitos 
nucleotídeos de DNA crescente sem liberar o molde. Essa característica é garantida por 
um dos polipeptídeos que constituem a enzima. Esse polipeptídeo, chamado de 
subunidade β, serve como uma presilha para a enzima polimerase, circundando o DNA e 
mantendo a DNA polimerase ligada ao filamento molde durante a replicação. 
A DNA polimerase I também tem atividades de polimerase 5’ – 3’ e de 3’ – 5’, permitindo 
que a enzima sintetize DNA e corrija os erros. A DNA polimerase I também tem atividade 
exonuclease 5’ – 3’, que é usada para remover os primers deixados pela primase e os 
substitua com nucleotídeos de DNA sintetizando no sentido 5’ – 3’. Após a DNA pol III ligar 
um nucleotídeo de DNA ao grupo 3’-OH no último nucleotídeo do primer de RNA, cada 
novo nucleotídeo de DNA então fornece o grupo 3’-OH necessário para que o próximo 
nucleotídeo seja adicionado. Esse processo continua desde que o molde esteja disponível. 
A DNA pol I segue a DNA pol III e, usando sua atividade de exonuclease 5’-3’, remove o 
primer de RNA. Ela então usa sua atividade de polimerase 5’-3’ para substituir os 
nucleotídeos de RNA por nucleotídeos de DNA. A DNA pol I liga o primeiro nucleotídeo 
ao grupo OH na ponta 3’ do fragmento de Okasaki precedente e, então, continua, no 
sentido 5’-3’ ao longo do filamento de nucleotídeos, removendo e substituindo, um de 
cada vez, os nucleotídeos de RNA do primer. 
Após a DNA polimerase I ter substituído o último nucleotídeo do primer de RNA por um 
nucleotídeo de DNA, permanece um corte no arcabouço açúcar – fosfato do novo 
filamento de DNA. O grupo 3’-OH do último nucleotídeo a ser adicionado pela DNA pol 
I não é ligado ao grupo 5’-fosfato do primeiro nucleotídeo adicionado pela DNA pol III. 
Esse corte é fechado pela enzima DNA ligase, que catalisa a formação de uma ligação 
fosfodiéster sem adicionar outro nucleotídeo ao filamento. 
Em algumas moléculas de DNA, a replicação é terminada sempre que duas forquilhas de 
replicação se encontram; em outras, sequências específicas de término bloqueiam a 
replicação. Uma proteína de término, chamada Tus bloqueia o movimento da helicase, 
parando assim a forquilha de replicação e impedindo mais replicação de DNA. 
Replicação do DNA eucariótico 
A replicação do DNA, tanto em procariotos quanto em eucariotos, usa um mecanismo 
semiconservativo e emprega a síntese de filamentos de replicação contínua e descontínua. 
Porém, a replicação é muito mais complexa em eucariotos, por causa de seus grandes 
genomas, compactados no 
DNA com histonas. Um motivo para a complexidade adicional do replissomo eucariótico 
(complexo ‘nucleoproteico’ que coordena as atividades na forquilha dereplicação) é a 
maior complexidade do molde eucariótico. Ao contrário do cromossomo bacteriano, os 
cromossomos eucarióticos existem no núcleo como cromatina. 
A unidade básica da cromatina é o nucleossomo, que consiste em DNA enrolado ao redor 
de proteínas histonas. Assim, o replissomo precisa não apenas copiar os filamentos 
parentais, mas também desmontar os nucleossomos nos filamentos parentais e reuni-los 
nas moléculas-filas. Esse processo é feito distribuindo-se aleatoriamente as histonas 
antigas dos nucleossomos existentes para as moléculas-filhas e levando novas histonas em 
associação a uma proteína chamada fator 1 de montagem de cromatina (CAF- 
1) para o replissomo. A CAF-1 liga-se às histonas e as direciona para a forquilha de 
replicação, onde podem ser conjugadas ao DNA recém-sintetizado. A CAF-1 e sua carga 
de histonas chegam à forquilha de replicação ligando-se à versão eucariótica do grampo 
β (proteína acessória que circunda o DNA e mantém a DNA polimerase ligada à molécula 
de DNA), chamada antígeno nuclear de proliferação celular (PCNA). 
Ao contrário dos cromossomos procarióticos, cada cromossomo eucariótico possui múltiplas 
origens de replicação para replicar rapidamente os genomas eucarióticos maiores. Assim, 
nos eucariotos, a replicação evolui em ambos os sentidos a partir de múltiplos pontos de 
origem. As duplas hélices que estãosendo produzidas em cada origem de replicação 
alongam-se e, ocasionalmente, juntam-se. São necessárias três proteínas para iniciar a 
montagem do replissomo. O complexo de reconhecimento de origem (ORC) primeiro liga-
se a sequências nas origens de replicação, como a DnaA nas bactérias. O ORC na origem 
serve para recrutar duas outras proteínas, Cdc6 e Cdt1, que juntas vão recrutar a 
helicase, chamada de complexo MCM (de manutenção de mini cromossomo), e outros 
componentes do replissomo. A replicação é ligada ao ciclo celular pela disponibilidade 
de Cdc6 e Cdt1. Essas proteínas são sintetizadas durante o final da mitose e o intervalo 
1 (G1) e são destruídas por proteólise após a síntese ter começado. Desse modo, o 
replissomo pode ser montado apenas antes da fase S. 
As células eucarióticas contêm um número de DNA polimerases diferentes que funcionam 
na replicação, recombinação e reparo do DNA. A DNA polimerase α, que contém 
atividade de primase, inicia a síntese de DNA nuclear produzindo um primer de RNA, 
seguido de uma curta sequência de nucleotídeos de DNA. Após a DNA polimerase α ter 
adicionado de 30 a 40 nucleotídeos, a DNA polimerase δ completa a replicação no 
filamento lagging. A polimerase ε também atua na replicação nuclear, sintetizando o 
filamento leading. A DNA polimerase β não participa da replicação, mas está associada 
ao reparo e arecombinação do DNA nuclear. A DNA polimerase γ replica o DNA 
mitocondrial; uma polimerase tipo γ também replica o DNA de cloroplastos. 
A replicação da molécula de DNA linear em um cromossomo eucariótico ocorre em ambas 
as direções a partir de várias origens de replicação. Esse processo replica a maioria do 
DNA cromossômico, mas existe um problema inerente em replicar as duas pontas das 
moléculas de DNA lineares, as regiões chamadas de telômeros. A síntese contínua do 
filamento leading pode ocorrer até a ponta do molde. 
Entretanto, a síntese do filamento descontínuo demanda primers à frente do processo; 
logo, quando o último primer é removido, são perdidas sequências na ponta do filamento. 
Em consequência, resta uma ponta unifilamentar em uma das moléculas-filhas de DNA. Se 
o cromossomo-filho com essa molécula de 
DNA fosse replicado novamente, o filamento com sequências faltando na ponta se 
tornaria uma molécula bifilamentar encurtada após a replicação. A cada ciclo 
subsequente de replicação, o telômero continuaria a se encurtar, até que informações 
codificantes essências fossem perdidas. 
As células desenvolveram um sistema especializado para evitar essa perda. A solução 
envolve a adição de múltiplas cópias de uma sequência simples não codificadora de DNA 
das pontas dos cromossomos. Assim, sempre que um cromossomo é duplicado, ele fica mais 
curto e apenas essas sequências repetidas, que não contêm informação, são perdidas. As 
repetições perdidas são, então, acrescentadas de volta às pontas dos cromossomos. Uma 
enzima chamada telomerase é a responsável por adicionar repetições curtas às pontas 3’ 
das moléculas de DNA. 
Além de impedir a erosão do material genético após cada rodada de replicação, os 
telômeros preservam a integridade cromossômica por associação a proteínas, formando 
revestimentos protetores que sequestram o prolongamento unifilamentar 3’. Sem esse 
revestimento protetor, os filamentos bifilamentares dos cromossomos seriam confundidos 
com quebras bifilamentares pela célula e tratados como tais. As quebras bifilamentares 
são potencialmente perigosas, porque podem resultar em instabilidade cromossômica, que 
pode acarretar em câncer e em vários fenótipos associados ao envelhecimento.