Replicação

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INTRODUÇÃO À REPLICAÇÃO
O processo de replicação do DNA baseia-se na natureza complementar dos filamentos que constituem as moléculas bifilamentares de DNA. Esses filamentos são mantidos unidos por ligações de hidrogênio relativamente fracas entre pares de bases específicos- A com T e G com C. Quando essas ligações se rompem, os filamentos separados sevem de molde para a síntese de novos filamentos. No entanto, como a fita dupla de DNA está disposta em forma de hélice, a replicação do DNA requer um mecanismo de deselicoidização (SNUSTAD, 2008).
Para entender o processo completo de replicação, utiliza-se de um exemplo real, a partir dos estudos realizados pela bactéria Escherichia coli. Como na maioria dos procariotos, o cromossomo de Escherichia coli é uma molécula circular de DNA. Assim como na maioria dos membros do domínio Bacteria, a síntese de DNA é iniciada a partir de um único local no cromossomo, denominado origem de replicação. À medida que a replicação avança o sítio de replicação, denominado forquilha de replicação, parece mover-se ao longo do DNA. Frequentemente, a replicação é bidirecional, movendo-se a partir da origem da replicação. Dessa maneira, são observadas duas forquilhas de replicação, que se dirigem em sentidos opostos. Em DNAs circulares, a replicação bidirecional leva à formação de estruturas características, denominadas estruturas teta. (MADIGAN, 2008).
A química do DNA, a natureza de seus precursores e as atividades das enzimas envolvidas na replicação impõem algumas restrições à maneira pela qual a nova fita é sintetizada. O precursor de cada novo nucleotídeo a ser incorporado na cadeia corresponde a um nucleosídeo 5’- trifosfato, do qual são removidos os dois fosfatos terminais, sendo o fosfato interno ligado covalentemente à desoxirribose da cadeia de crescimento. A replicação do DNA sempre ocorre a partir da extremidade 5’, em direção à extremidade 3’-hidroxila; o grupo 5’-fosfato do nucleotídeo a ser adicionado à cadeia é ligado ao grupo 3’-hidroxila do nucleotídeo previamente ligado. Como observado na Figura 1, às enzimas DNA polimerases catalisam a adição dos nucleotídeos à cadeia (MADIGAN, 2008).
Figura 1 Ligação de novos nucleotídeos
Fonte: Site do EBA[1: Disponível em: http://www.ebah.com.br/content/ABAAAgY8EAJ/replicacao-dna]
A abertura da fita é catalisada por enzimas chamadas DNA helicases, que utilizam moléculas de ATP para catalisar a reação de quebra das pontes de hidrogênio que mantém unidas as bases nitrogenadas. Entretanto, as bases nitrogenadas tendem a refazer as pontes de hidrogênio, em função da afinidade de ligação entre elas, forçando a renaturação do DNA. Então para a manutenção da forma distendida, proteínas de ligação denominadas SSB são ligadas às fitas de DNA unifilamentar, formando diversos monômeros da proteína ligados cooperativamente ao longo da forquilha de replicação, impedindo temporariamente o fechamento da molécula de fita dupla. As proteínas SSB que revestem as fitas unifilamentares de DNA, impedindo a renaturação da molécula de DNA.
Para impedir que a força contrária de superelicoidização impeça a abertura da molécula são necessárias enzimas, denominadas topoisomerases, que catalisam quebras transitórias nas ligações fosfodiester ao longo do eixo principal da molécula de DNA. Existem duas classes de topoisomerases: tipo I e tipo II.
Figura 2 Proteínas funcionando na forquilha de replicação
Fonte: (GRIFFITS, 2008).
Para que uma nova fita seja sintetizada, é necessário haver um iniciador, que corresponde a um sítio onde a DNA polimerase é agora capaz de ligar o primeiro nucleotídeo. Na maioria dos casos, deve ser iniciada por um primer, uma cadeia curta de nucleotídeos que se liga ao pequeno filamento-molde para formar um segmento de ácido nucleico dúplice. Os primers são sintetizados por um grupo de proteínas chamado primossomo, do qual um componente central é uma enzima chamada primase, um tipo de RNA polimerase (GRIFFITS, 2008).
Na fita que está sendo polimerizada a partir do 5’-fosfato em direção ao 3’-hidroxila (fita líder), a síntese de DNA pode ocorrer continuamente, uma vez que sempre há uma extremidade de 3’-OH livre na forquilha de replicação, à qual um novo nucleotídeo pode ser adicionado. Por outro lado, na fita oposta, denominada fita atrasada, a síntese de DNA deve ocorrer de maneira descontínua (porque não há, na forquilha de replicação, uma extremidade 3’OH livre que receba um novo nucleotídeo) (MADIGAN,2008).
Figura 3 Eventos que ocorrem na forquilha de replicação
Fonte: (MADIGAN, 2008).
Após a síntese do iniciador, a primase é substituída pela DNA polimerase III, havendo então a adição dos desoxirribonucleotídeos até que a enzima atinja o segmento de DNA previamente sintetizado. Cada pequeno fragmento de DNA sintetizado pela DNA polimerase III na fita atrasada é denominada fragmento de Okasaki. Em seguida, os iniciadores de RNA são excisados e substituídos por cadeias de DNA. Essa etapa é realizada pela DNA polimerase I, que apresenta atividade de exonuclease 5’-> 3”, que remove o iniciador de RNA localizado à sua frente. Após a remoção do iniciador e sua substituição por DNA, a DNA polimerase I é liberada. A última ligação fosfodiester é catalisada por uma enzima DNA ligase.
Como durante a replicação, é o DNA que se move não a DNA polimerase, é necessário um complexo de helicases, primase, duas moléculas de DNA polimerase III e outra proteínas associadas, denominado replisssomo, para que puxe o DNA molde à medida que a replicação se processa.
As extremidades dos elementos genéticos lineares apresenta um problema à maquinaria de replicação, inexistente no caso de elementos genéticos circulares. Tal problema refere-se ao final da extremidade 5’ de cada fita, como não há um DNA polimerase capaz de substituir por um DNA, já que todas as DNAS polimerases requerem um iniciador, dessa maneira a molécula de DNA ficaria gradativamente menor, a cada replicação. (MADIGAN, 2008)
Alguns elementos lineares de procariotos resolveram o problema empregando um iniciador proteico. Proteínas covalentemente ligadas as extremidades 5’ de seu DNA. (MADIGAN, 2008)
Os eucariotos solucionaram a questão utilizando uma enzima especial, denominada telomerase, que promove a extensão de uma das fitas do DNA. A replicação da molécula linear de DNA em um cromossomo eucariótico ocorre em ambas às direções a partir de várias origens de replicação. Esse processo replica na maioria do DNA cromossômico, mas há um problema inerente em replicar as duas pontas das moléculas lineares de DNA, as regiões chamadas de telômeros. A telomerase leva uma curta molécula de RNA que atua como um molde para a adição de uma sequência complementar de DNA, que é adicionada ao prolongamento em 3’. Para adicionar outra repetição, a telomerase transloca-se para a ponta de repetição que foi adicionada. O prolongamento de 3’ pode então servir como molde para a replicação convencional do DNA. (MADIGAN, 2008; GRIFFITS, 2008).
REFERÊNCIAS
GRIFFITS, A. J. F. e Col – Introdução à genética – Editora Guanabara Koogan, 9a edição, Rio de Janeiro, RJ, 2008.
MADIGAN, M.T; MARTINKO, J.M. e PARKER, J.;Microbiologia de Brock- São Paulo: Prentice Hall,2008.
SNUSTAD, D. P. – Fudamentos à Genética - Editora Guanabara Koogan, 6a edição, Rio de Janeiro, RJ, 2008.