Replicação Gênica do DNA

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Replicação Gênica do DNA
Padrão de Replicação do DNA 
 Cada fita de DNA serve como molde para a síntese de uma nova fita, produzindo moléculas novas do DNA, cada uma formada por uma fita recém-sintetizada e outra fita antiga. 
O experimento de Meselson- Stahl demonstra que o DNA é copiado por replicação semiconservativa. As células foram cultivadas por muitas gerações em meio contendo apenas nitrogênio N15, de modo que todo o nitrogênio do DNA era desse tipo. Quando as células foram transferidas para um meio contendo apenas nitrogênio N14, o DNA isolado após uma geração se situava em uma posição mais alta no gradiente de densidade. As outras duas hipóteses (Modelo dispersivo e conservativo) foram descartadas após a realização desse experimento. 
 As fitas parentais são desenroladas e replicadas simultaneamente e uma nova fita de DNA é sintetizada na direção 5´-3´. Logo, a fita que atua como molde está sendo lida no sentido contrário. Quimicamente, não existe impedimento algum. A explicação está no fato de que, caso a replicação ocorresse na direção 3´-5´ e fosse necessário a correção de um erro de polimerização de nucleotídeo (tautomerização da base nitrogenada), esse nucleotídeo teria de ser retirado e a fita não estaria pronta para receber outro, tornando o processo muito mais demorado e dispendioso em energia. 
 Para realizar o processo de replicação, é necessária uma série de enzimas que agem em conjunto para completar a cópia da fita molde de DNA. Um complexo multiprotéico, denominado replissomo, irá cumprir as várias tarefas, aumentando a eficiência da replicação. Pela necessidade de rapidez e simultaneidade, conclui-se que esse conjunto proteico se caracteriza pela processividade. 
 A cópia das fitas parentais ocorre ao mesmo tempo, porém uma será em sentido contínuo (fita líder) e a outra será descontínua (fita retardada). Isso se explica pelo fato de que as fitas parentais são antiparalelas, e como o processo da replicação é sempre no sentido 5´-3´, a fita retardada tem um processo mais complexo de cópia da fita molde. Foi descoberto que uma das fitas de DNA é sintetizada em pedaços pequenos, ou fragmentos de Okazaki. A fita líder é aquela em que o processo de replicação é contínuo e prossegue na direção 5´-3´, na direção da forquilha de replicação. A fita retardada é sintetizada também na direção 5´-3´, porém em pequenos pedaços, de modo descontínuo, e na direção oposta a forquilha de replicação. 
 A replicação do material genético se inicia em pontos específicos denominados origens de replicação. Os procariotos possuem apenas um sítio de replicação, enquanto os eucariotos, por terem um material genético muito mais complexo, possuem várias origens de replicação, o que possibilita uma síntese mais rápida.
 É importante ressaltar que a DNA polimerase possui uma atividade exonucleósica na direção 3´-5´para correção de possíveis erros na polimerização (tautomerização da base nitrogenada) na replicação e consertá-los. Logo, a polimerase tanto faz a ligação a ligação fosfodiéster, como a hidrolisa. Caso o erro não consiga ser corrigido e a replicação ocorra, no próximo processo desse novo DNA formado, o erro será tido como verdade, pois não se saberá mais qual é a fita correta e errada, perpetuando o erro para futuras gerações. 
Enzimas envolvidas no Replissomo
 Esse complexo multiprotéico se caracteriza pela necessidade de executar várias tarefas simultaneamente, e para isso, cada enzima desempenha uma função específica para o bom funcionamento do processo.
- RNA primase: Solução para a abertura de uma ponta 3´OH. Para que a polimerase comece a replicação que necessário que exista uma região de fita dupla com uma ponta 3´OH. Essa região é chamada de origem de replicação e será descartada posteriormente e substituída por uma correta. A RNA primase é responsável pela criação dessa região, complementar a fita molde. 
- DNA helicase: solução para abertura das fitas de DNA, utilizando a energia química do ATP.
- Proteínas ligadoras de fita simples (SSB): solução para impedir a renaturação da fita molde com a estabilização por pontes de hidrogênio. Essa renaturação ocorre com a formação de grampos em regiões onde os nucleotídeos são correspondentes e é possível haver ligações entre si. Esses grampos impediriam a replicação. 
- Cinta deslizante dimérica e montador da cinta: solução para a processividade da polimerização. Proteínas se ligam a fita de DNA e posteriormente uma DNA polimerase se liga a elas. Essas proteínas permitem a identificação de uma extremidade 3´livre.
Replicação em Procariotos
 A síntese da fita líder começa com a síntese de um RNA iniciador curto (RNA primer), complementar a fita molde, na origem da replicação. A fita contínua de somente um primer, enquanto a fita retardada precisa de vários (a adição de um RNA primer é feita sempre que um fragmento de Okazaki começar). Os nucleotídeos são, então, adicionados a esse iniciador por um outro tipo de DNA polimerase (III). A síntese da fita líder prossegue continuamente mantendo o ritmo com o desenrolamento do DNA na forquilha de replicação. 
 A síntese da fita retardada é realizada em curtos fragmentos. Primeiro, o RNA primer é sintetizado e DNA polimerase III se liga ao RNA primer, adicionando os nucleotídeos. A complexidade está na coordenação da síntese da fita líder com a retardada: ambas as fitas estão sendo produzidas por um único dímero assimétrico da DNA polimerase III. Isso é conseguido, fazendo uma alça de DNA da fita atrasada, aproximando os dois pontos de polimerização. Assim que o fragmento de Okazaki for completado, seu RNA primer é substituído por DNA pela DNA polimerase I e o corte remanescente é selado pela DNA ligase, que catalisa a formação de uma ligação fosfodiéster com entre a extremidade 3`de uma fita de DNA e o fosfafo 5´na extremidade da outra fita.
 A replicação termina quando as duas forquilhas de replicação do cromossomo circular encontram-se em uma região terminal que contém múltiplas de uma sequência de 20 pares de bases, chamada de Ter.
Replicação em Eucariotos 
As moléculas de DNA nas células eucarióticas são muito maiores. O mecanismo de replicação é essencialmente o mesmo para eucariotos e procariotos. Entretanto, há algumas diferenças: existência de múltiplas origens de replicação, fragmentos de Okazaki com bem menos resíduos, presença de enzimas diferentes, presença de histonas complexadas ao DNA e nem todas polimerases são exonucleases. 
 A replicação gera um problema de supertorção positiva que se acumula na frente da forquilha de replicação, levando a formação de super-hélices. A topoisomerase tipo I (DNA girase) é responsável por quebrar e refazer a ligação fosfodiéster. Quando a ligação é quebrada, é possível desfazer a torção já existente. Já a topoisomerase do tipo II é mais usada para eucariotos pois evita batidas de DNA, embora seja um processo mais lento. Essa enzima cria uma ligação covalente em ambas as fitas de DNA, interrompendo uma dupla-hélice e formando um portão proteico. Ela então abre e fecha esse portão, permitindo a passagem de outra dupla hélice do DNA, desfazendo a torção. 
 A terminação da replicação nos cromossomos eucarióticos lineares envolve a síntese de estruturas especiais chamadas de telômeros. Uma enzima chamada de telomerase alonga a fita retardada do DNA, que é então ampliado com o uso de dois componentes da telomerase: o pequeno RNA (como molde) e a proteína (como atividade da polimerase). Após a adição de alguns nucleotídeos ao prolongamento 3´, a RNA polimerase move-se ao longo do DNA de modo que a ponta 3´possa ser estendida por sua atividade de polimerase. A ponta 3´continua a ser ampliada pelo movimento repetido da RNA polimerase. A primase e a RNA polimerase então usam o prolongamento 3´como molde para preencher o final do outro filamento de DNA.