Replicação do DNA

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Bioquímica Básica 
João Vitor Novaes | 74A 
Medicina FCM-MG 
1º período 2020.2 
 
REPLICAÇÃO DO DNA 
 
Tópicos da aula: 
 Fluxo da informação genética. 
 Mecanismo de replicação do DNA. 
 Características principais do DNA polimerase. 
 Mecanismo de replicação do DNA em procarioto e em eucarioto. 
 Função da enzima telomerase. 
 Relação entre a ação da telomerase ao processo de replicação. 
 Processos que sucedem a replicação (transcrição e tradução). 
 
 FLUXO DA INFORMAÇÃO GENÉTICA: 
 
 
 MECANISMO DE REPLICAÇÃO DO DNA: 
 
- A replicação do DNA é SEMICONSERVATIVA. 
 
Quando a fita original (azul) for replicada, serão geradas duas fitas novas 
associadas às fitas antigas. 
 
Na parte inferior da figura ao lado, vemos que as novas moléculas de DNA 
têm uma cadeia nova e uma cadeia antiga (por isso, é um processo 
semiconservativo). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 Experimento que determinou que a replicação do DNA é semiconservativa: 
 
DNA da célula foi extraído e colocado em um gradiente de 
densidade. 
Na letra (a), através de centrifugação, observamos que essas 
células (que tinham DNA original – cultivado com nitrogênio-15, 
um isótopo pesado do N) criavam uma banda (evidenciada em 
azul mais escuro). 
Na letra (b), colocaram essas células em um novo meio (de 
nitrogênio-14, mais leve que o isótopo de nitrogênio-15). A 
banda roxa refere-se às fitas de DNA que foram sintetizadas 
(uma fita azul e uma fita vermelha – gerando uma banda híbrida 
do DNA). 
Na letra (c), observamos que a fita híbrida de DNA foi mantida, 
mas, agora, temos cadeias que tem apenas o nitrogênio-14, isso 
porque a fita de nitrogênio-14 serviu como molde. 
 
 
 
 
 
 
 
- A replicação do DNA é BIDIRECIONAL. 
 
Foi feito um experimento utilizando um isótopo radioativo, 
sendo que esse isótopo entraria na fita de DNA. No processo 
de replicação, observaram qual sentido que teria. 
Na parte superior da figura: se encontrassem esse isótopo 
radioativo nas duas extremidades da forquilha, a replicação 
seria bidirecional. 
Na parte inferior da figura: se o encontrassem apenas em uma 
das extremidades, ela seria unidirecional. 
Após a realização do experimento, confirmou-se que a 
replicação do DNA é bidirecional – segue para os dois lados ao 
mesmo tempo. 
 
 
 
 
 
 
 
 
- A replicação sempre ocorre no 
sentido 5’  3’. 
 
Por isso, então, a fita (no sentido 3’ 
 5’) é replicada de maneira direta, 
pois a polimerase faz a síntese no 
sentido 5’  3’. Porém, para que a 
fita anti-senso (que está no sentido 
5’  3’) seja replicada, precisamos 
formar os Fragmentos de Okazaki. 
 
 
 
 
 
 
 DNA POLIMERASE: 
 
Para a síntese do DNA, temos a ação do DNA 
polimerase. 
Experimentos realizados na bactéria E. coli (um 
dos principais modelos experimentais), foi 
detectado que existem três tipos de polimerase 
(I, II e III), sendo que elas são geradas por genes 
diferentes. Com isso, são proteínas/enzimas 
diferentes, com diferentes tamanhos e números 
de subunidades. 
Porém, podemos observar, na tabela ao lado, 
que todas elas possuem atividade exonuclease no sentido 3’  5’, mas apenas a DNA polimerase I possui 
ação exonuclease no sentido 5’  3’. 
 
Taxa de polimerização do DNA polimerase: 
 - I: 16 a 20 nucleotídeos por segundo. 
 - II: 40 nucleotídeos por segundo. 
 - III: 250 a 1.000 nucleotídeos por segundo. 
 
Taxa de processividade: (quantos nucleotídeos são adicionados antes da enzima se dissociar da forquilha de replicação) 
 - I: 3 a 200 nucleotídeos. 
 - II: 1.500 nucleotídeos. 
 - III: > 500.000 nucleotídeos. 
 
Com isso, percebemos que a DNA polimerase III possui maior taxa de polimerização e uma maior 
processividade, sendo ela a principal enzima envolvida no processo de elongação do DNA. 
Já a DNA polimerase I (a única que possui a atividade 5’  3’) vai estar envolvida no processo de retirada 
do primer. 
 
 ATIVIDADE EXONUCLEÁSICA 3’  5’: 
 
- Essa atividade está presente nos três tipos de DNA polimerase. 
- Exonuclease = retirada do nucleotídeo (nesse caso, no sentido 3’  5’). 
- Sítio azul: atividade polimerásica (adiciona nucleotídeos). 
 Sítio rosa: atividade exonucleásica (retira nucleotídeos) 
 
Quando a citosina está em sua forma tautomérica (forma rara), 
consegue parear com a adenina. Com isso, ela é incorporada no DNA de 
maneira errada, porque a citosina pareia com a guanina. Como a forma 
tautomérica é instável, ela vai ser convertida novamente para a sua 
forma mais estável que não pareia com a adenina (fato que pode ser 
observado na terceira figura). Daí, a DNA polimerase detecta o erro da 
inexistência de um pareamento correto (só que ela já fez a ligação 
fosfodiéster). Ela para e volta no sentido 3’  5’ (lembrando que a 
polimerização acontece no sentido 5’  3’). Então, essa citosina vai estar 
no sítio de exonuclease e essa atividade vai permitir com que seja 
retirada essa última citosina da nova fita. Agora, sim, a DNA polimerase 
continua a sua replicação no sentido 5’  3’. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 ATIVIDADE EXONUCLEÁSICA 5’  3’: 
 (Substituição do iniciador) 
 
- Mesmo sentido da síntese. 
- É utilizada para substituir o iniciador. 
Para que a DNA polimerase atue, ela precisa de um iniciador (que 
deve estar pareado à fita molde). 
Esse iniciador pode ser tanto de DNA quanto de RNA e ele 
precisa ser retirado da fita. 
Quem vai retirá-lo da fita? DNA polimerase I – único que tem a 
atividade exonucleásica no sentido 5’  3’. 
O DNA polimerase I vai achar o buraco que fica entre o iniciador e 
a fita. Quando encontra esse buraco, ele começa (pela atividade 
exonucleásica) a retirar esse iniciador (representado na fita pela 
cor verde). 
Como ele também tem atividade polimerásica nesse sentido, ele 
retira o iniciador, mas já vai fazendo uma nova fita (representada 
em vermelho). 
O buraco continua (isso é função de outra enzima). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 REPLICAÇÃO EM PROCARIOTOS: 
 
- Origem de replicação em procarioto: 
 
Para que ocorra a replicação em 
procariotos, temos uma origem: feita por 3 
repetições de 13 bases (representadas em 
amarelo). Também temos o sítio de ligação para a proteína DnaA (4 repetições de 9 bases – em azul). 
 
A origem de replicação está representada pelas partes amarela e azul do 
DNA. A DnaA se liga na parte azul e promove uma torção no DNA (na origem 
de replicação). Isso faz com que a parte amarela (rica em adenina e timina) 
abra. Quando ela abrir, inicia-se a forquilha de replicação. 
 
Para ser realizado o processo de replicação, temos várias proteínas evolvidas: 
- SSB: ligação de fita simples do DNA. 
- DnaB (helicase): quebra as LH que existem entre as bases nitrogenadas. 
- Primase: síntese do iniciador. 
- DNA polimerase III: principal responsável pelo processo de elongação. 
- DNA polimerase I: substituição dos primers. 
- DNA ligase: ligação dos “buraquinhos”. 
- DNA girase: amenização da torção formada no DNA. 
 
 
 REPLICAÇÃO DE DNA: 
 
- Foi explicado em procariotos, como ocorre a 
abertura da forquilha de replicação. Assim 
que abrimos a fita de DNA, as proteínas SSB 
(que se ligam à fita simples) vão se ligar ao 
DNA – isso impede com que as fitas de DNA 
se pareiem novamente (logo se mantém 
aberta). 
- A ação da helicase é abrir a fita de DNA – 
ela vai quebrando as ligações de hidrogênio 
existentes entre as fitas de DNA. 
- Associada à DNA helicase, está a primase 
(responsável pela síntese do primer, que, 
depois, é retirado pela DNA polimerase I). 
- Além disso, temos a DNA topoisomerase 
(ou girase). Quando abrimos a fita de DNA 
(em hélice), será gerada uma torção muito 
forte – que não deixaria a helicase continuar 
abrindo a fita. Para isso, a girase vai rodando 
a fita de DNA com o objetivo de amenizar a 
torção. 
- Na figura (b), temos a fita que está seguindo 
o sentido da forquilha de replicação (no 
sentido 3’  5’). A síntese da nova fita (feita no sentido 5’  3’) é contínua. Já na parte de baixo, 
observamos que a fita que está no sentido5’  3’ vai ser sintetizada através dos fragmentos de Okazaki. 
- Na figura (c), vemos, então, que a fita que é replicada em fragmentos precisa constantemente da 
construção de um primer. 
 
 
 COMO É O FRAGMENTO DE OKAZAKI? 
 
No processo de replicação (figura a), 
temos uma fita 5’-3’ seguindo o 
sentido contínuo. Já a fita de baixo 
(sentido 5’-3’) sofre uma torção e, 
com isso, ela vai ser sintetizada 
também no sentido 5’-3’, só que ela 
está indo na direção contra o sentido 
da forquilha de replicação. Para isso, 
então, ocorre a sintetização de um 
novo primer pela primase (como 
pode ser observado na figura b). A 
cada vez que ela sintetiza um novo 
primer, essa região do primer vai se 
associar a uma subunidade beta (em 
azul + escuro – na figura c). Essa 
subunidade vai ser direcionada para 
a síntese do DNA (figura d) e o azul 
mais claro da subunidade beta se 
soltou (porque já produziu aquele 
fragmento) e entrou a subunidade 
beta mais escura para a produção 
de mais um fragmento de Okasaki. 
 
 
 
 
 
 
- Separação dos cromossomos pela DNA topoisomerase IV: 
 
 
No final do processo de replicação dos procariotos (DNA circular), essas 4 
fitas estão embaralhadas. Precisamos soltar essas 4 fitas (processo 
realizado pela DNA topoisomerase IV). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 REPLICAÇÃO EM EUCARIOTO: 
 
- SSB: ligação de fita simples do DNA. 
- DnaB (helicase): quebra as LH que existem entre as bases nitrogenadas. 
- DNA girasse (topoisomerase): amenização da torção formada no DNA. 
- Primase: síntese do iniciador. 
- DNA polimerase III: principal responsável pelo processo de elongação. 
- DNA polimerase I: substituição dos primers. 
- DNA ligase: ligação dos “buraquinhos”. 
 
 
 ENZIMA TELOMERASE: 
 
- A telomerase adiciona uma unidade repetitiva na extremidade. 
- Teremos a adição do primer e a elongação da fita de DNA. 
- Formação do telômetro (protege a informação do genoma). 
 
- Nas células adultas, a telomerase não está mais ativa. 
A cada vez que uma célula adulta se divide, temos o encurtamento do telômero. 
Marca o processo de senescência das células. 
Quando o telômero se encurta, ele dá um sinal para a célula de que ela vai morrer. 
Células tumorais = tendem a reativar a telomerase (células “imortais”). 
 
 
Síntese proteica: 
- Já falamos anteriormente que a informação genética que temos vai do DNA para o RNA (que vai ser 
convertido em proteína). 
- A síntese do RNA também ocorre no sentido 5’-3’. Então, no núcleo, há a transcrição (transformação do 
DNA em RNA). 
- Esse RNA sai do núcleo, se associa ao ribossomo, onde teremos a síntese de proteínas. 
 
Processamento da informação gênica: 
 
 
 
Há mais de um RNAt (códon) para um mesmo aminoácido. 
 
TRANSCRIÇÃO: 
 
- Processo que faz com que DNA  RNAm 
- Fita molde: fita que está no sentido 3’-5’. 
 Porque a síntese do RNAm ocorre no sentido 5’-3’. 
 
 
Bolha de transcrição: 
Assim como no processo de replicação temos a forquilha de 
replicação, na transcrição temos a bolha de transcrição – 
porque é preciso abrir o DNA para transcrever essa 
informação. 
Assim que temos a formação dessa bolha, temos a 
associação de vários fatores de transcrição e inicia-se a 
síntese de RNAm. 
Na segunda figura (elongação), houve a abertura da bolha de 
transcrição que logo em seguida começou a ter o processo de 
elongação (RNA polimerase). 
Quando isso vai se finalizar, vemos que a fita de DNA abre, 
mas volta a fechar (diferente do processo de replicação). 
Ao final do processo, teremos uma fita de RNA completa e o 
DNA volta a ser como antes. 
 
Nesse processo de elongação (5’-3’), há um pareamento 
preciso entre as bases nitrogenadas do DNA e as bases 
nitrogenadas que são adicionadas do RNA. 
U-A e C-G. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
TRADUÇÃO: 
Informação contida no RNAm  produção de proteína. 
 
RNAm se associada a subunidade 
menor do ribossomo e vai ter uma 
interação do códon de iniciação (AUG). 
Esse AUG, associado a subunidade 
menor, vai permitir que o primeiro RNAt 
se associe ao RNAm. 
Primeiro aminoácido da proteína é 
sempre a metionina. 
A partir dai, envolvemos um gasto de 
energia para que tenhamos a interação 
da subunidade maior do ribossomo. 
Conseguimos ver que temos 3 sítios na subunidade maior: A, P e E.