Resumo do Capitulo 5 do Livro de Biologia Molecular

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RESUMO DO CAPITULO 5 DO LIVRO DE BIOLOGIA MOLECULAR 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Capitulo 5: Replicação, reparo e recombinação do DNA. 
A capacidade das células de manter um alto grau de organização em um ambiente caótico 
depende da duplicação exata de grandes quantidades de informação genética armazenadas 
na forma química de DNA. Esse processo, denominado replicação do DNA, deve ocorrer 
antes da célula produzir duas células-filhas geneticamente iguais. 
A manutenção da ordem também requer a vigilância contínua e o reparo dessa informação 
genética, uma vez que o DNA contido na célula é repetidamente danificado por 
compostos químicos e radiação oriundos do ambiente, por acidentes térmicos e por 
moléculas reativas. A sobrevivência de curto prazo de uma célula depende da sua 
capacidade de prevenir alterações no seu DNA, a sobrevivência em longo prazo de uma 
espécie requer que as sequências de DNA sofram alterações ao longo de gerações, a fim 
de permitir a adaptação evolutiva a circunstâncias dinâmicas. 
 
MANUTENÇÃO DAS SEQUÊNCIAS DE DNA 
 
Quando ocorre alguma alteração na sequência do DNA denominamos tal processo como 
mutação. Existem as mutações silenciosas (p. ex., as mutações que alteram um códon, 
mas não o aminoácido codificado, ou aquelas que alteram o aminoácido, sem afetar a 
atividade da proteína codificada pelo gene). Quando as taxas de mutação de cada um são 
normalizadas para um ciclo de replicação do DNA, ambos são extremamente baixos e 
diferem entre si por um fator de três. 
As células de um animal ou planta com reprodução sexual são de dois tipos: células 
germinativas e células somáticas. As células germinativas transmitem a informação 
genética do progenitor aos seus descendentes; as células somáticas formam o corpo do 
organismo. As células germinativas devem ser protegidas contra as altas taxas de mutação 
para a manutenção da espécie. Por outro lado, as células somáticas de organismos 
multicelulares também devem ser protegidas de alterações genéticas para manter a 
estrutura do corpo organizada e correta. Algumas mortes são provocadas pelo acúmulo 
de alterações na sequência de DNA das células somáticas, germinativas), já o câncer é 
resultante de mutações nas células somáticas (estabilidade das células somáticas). 
Todos os organismos multicelulares, incluindo os humanos, dependem da admirável 
fidelidade pela qual as sequências de DNA são replicadas e mantidas. 
 
MECANISMOS DE REPLICAÇÃO DO DNA 
O pareamento de bases fundamenta a replicação e o reparo do DNA 
 
O uso de um DNA-molde é o processo pelo qual a sequência de nucleotídeos de uma fita 
é copiada em uma sequência complementar de DNA. Essas fitas-molde implicam no 
reconhecimento, de cada nucleotídeo nas fitas-molde de DNA, por um nucleotídeo 
complementar livre (não polimerizado). A separação das fitas expõe os grupos doador e 
aceptor das ligações de hidrogênio em cada base do DNA, permitindo o pareamento com 
o nucleotídeo livre a ser incorporado e alinhando-o para a polimerização catalisada pela 
enzima na nova cadeia de DNA. Quem realiza este processo é a DNA-polimerase onde 
os nucleotídeos livres servem como substratos para essa enzima são 
desoxirribonucleosídeos trifosfato, e sua polimerização requer um molde de DNA de fita 
simples. 
 
 
A forquilha de replicação de DNA é assimétrica 
Durante a replicação do DNA na célula, cada uma das duas fitas originais atua como um 
molde para a formação de uma fita inteiramente nova, por conta disso a mesma se chama 
de replicação semiconservativa, pois as informações da fita-molde são conservadas. Em 
razão da estrutura em forma de “Y”, essa região de replicação ativa é chamada de 
forquilha de replicação. Na forquilha de replicação, possui um complexo 
multienzimático que contém a DNA-polimerase que sintetiza o DNA das duas fitas novas. 
Inicialmente, o mecanismo mais simples para a replicação do DNA parecia ser o 
crescimento contínuo das duas fitas, nucleotídeo a nucleotídeo, na forquilha de 
replicação, mas devido à orientação antiparalela das duas fitas de DNA na dupla-hélice 
existe a fita líder e a fita retardada, para que o crescimento continuo de ambas as fitas 
ocorresse necessitaria que uma das fitas fosse polimerizada na direção 5’-3’ e a outra na 
direção 3’-5’. Neste caso, seria necessário duas enzimas DNA-polimerase diferentes. 
Entretanto, apesar de ser um modelo atraente, as DNA polimerases nas forquilhas de 
replicação somente podem sintetizar na direção 5’-3’. O aparecimento dos Fragmentos 
de Okazaki possibilitaram tal mecanismo, pois os mesmos são polimerizados apenas na 
cadeia de direção 5’-3’ da fita retardada. 
 
A alta fidelidade da replicação do DNA requer diversos mecanismos de correção 
 
Com pequenas alterações na geometria da hélice, duas ligações de hidrogênio podem ser 
formadas entre G e T no DNA. Além disso, formas tautoméricas raras das quatro bases 
do DNA ocorrem temporariamente em proporções de uma parte para 104 ou 105. Essas 
formas podem parear erroneamente sem alterar a geometria da hélice: a forma 
tautomérica rara de C forma par com A em vez de G, por exemplo. A alta fidelidade da 
replicação do DNA depende, dessa forma, não apenas do pareamento entre as bases 
complementares, mas também de vários mecanismos de “correção” que atuam de forma 
sequencial para corrigir qualquer pareamento incorreto que possa ter ocorrido. A DNA-
polimerase realiza a primeira etapa da correção e ocorre imediatamente antes da adição 
covalente de um novo nucleotídeo à cadeia crescente. 
Essa correção ocorre quando o nucleotídeo correto tem uma maior afinidade pela 
polimerase em movimento em comparação ao incorreto, a enzima precisa sofrer uma 
alteração conformacional que promove um ajuste desse “encaixe”. Em torno do sítio ativo 
a polimerase pode verificar novamente a geometria exata do pareamento de bases antes 
de catalisar a adição do novo nucleotídeo. Difundem-se mais prontamente no meio, antes 
que a polimerase possa adicioná-los de modo errado. 
A correção exonucleolítica, ocorre quando o nucleotídeo incorreto é covalentemente 
adicionado à cadeia crescente. Essas moléculas de DNA com um malpareamento 
(pareamento impróprio) de nucleotídeos na extremidade 3.-OH da fita iniciadora não 
servem como molde eficiente porque a polimerase tem dificuldades em alongar a fita um 
sítio catalítico. Essa exonuclease de correção de erro 3’-5’ remove qualquer nucleotídeo 
não pareado ou mal pareado na extremidade do iniciador, DNA. Dessa forma, a DNA-
polimerase atua como uma enzima de “autocorreção”, que remove seus próprios erros de 
polimerização conforme se desloca pelo DNA. As propriedades de autocorreção da DNA-
polimerase dependem da sua exigência em ter um iniciador perfeitamente pareado na 
extremidade, porque aparentemente não é possível para esse tipo de enzima iniciar uma 
síntese de novo, sem um iniciador preexistente. 
Por outro lado, as enzimas RNA-polimerases envolvidas na transcrição gênica não 
necessitam de uma atividade de correção exonucleolítica eficiente: os erros na síntese de 
RNA não são passados para a próxima geração, e as moléculas de RNA com defeitos 
ocasionais não têm maior relevância. As RNA-polimerases são capazes de iniciar novas 
cadeias polinucleotídicas sem um iniciador. Essa proporção de erros é mais de 100 mil 
vezes maior comparada à replicação de DNA, em que, como já vimos, uma série de 
mecanismos de correção torna o processo extraordinariamente preciso. 
 
Apenas a replicação do DNA na direção 5’-3’ permite correção eficiente de erros 
 
A necessidade da alta precisão provavelmente explica por que a replicação do DNA 
ocorre apenas na direção 5’-3’. Caso existisse uma DNA-polimerase capaz de adicionar 
desoxirribonucleosídeos trifosfatos na direção 3’-5’, a própria extremidade 5’ da cadeia, 
em vez do mononucleotídeo a ser incorporado, teriaque fornecer o trifosfato ativado 
necessário à ligação covalente. Nesse caso, os erros na polimerização não poderiam ser 
simplesmente hidrolisados, pois a extremidade 5’ da cadeia assim formada imediatamente 
terminaria a síntese de DNA. Portanto, a correção de uma base mal pareada é possível 
apenas se esta for adicionada à extremidade 3’da cadeia de DNA. Embora o mecanismo 
de replicação da fita retardada pareça complexo, ele preserva a direção de polimerização 
5’-3’ necessária à atividade de correção exonucleolítica. 
 
Uma enzima especial de polimerização de nucleotídeos sintetiza pequenas moléculas de 
iniciadores de RNA na fita retardada 
 
Na fita-líder, apenas um iniciador é necessário para o início da replicação: uma vez que a 
forquilha de replicação esteja estabelecida, a DNA-polimerase é continuamente 
apresentada à extremidade da cadeia com o pareamento ao qual irá adicionar novos 
nucleotídeos. No lado descontínuo da forquilha, por outro lado, cada vez que a DNA-
polimerase completa um pequeno fragmento de Okazaki (o que leva alguns segundos), 
ela deve novamente iniciar a síntese de um fragmento completamente novo em um sítio 
mais adiante na fita-molde. Um mecanismo especial produz uma fita iniciadora 
complementar necessária à DNA-polimerase. Esse mecanismo depende de uma enzima 
chamada de DNA-primase, que utiliza ribonucleosídeos trifosfato para sintetizar 
pequenos iniciadores de RNA na fita retardada DNA. Como o iniciador de RNA contém 
um nucleotídeo corretamente pareado com um grupo 3’-OH em uma extremidade, ele 
pode ser estendido pela DNA-polimerase a partir dessa extremidade, iniciando um 
fragmento de Okazaki. A cadeia contínua de DNA a partir de vários fragmentos na fita 
retardada, possui um sistema especial de reparo que atua rapidamente para retirar o 
iniciador de RNA e substituí-lo por DNA. A seguir, uma enzima chamada de DNA-ligase 
liga esses fragmentos. Os mesmos são removidos pois haveria um enorme aumento na 
taxa de mutação. Dessa forma, parece que a utilização do RNA e não do DNA como 
iniciador traz uma grande vantagem para a célula: os ribonucleotídeos do iniciador 
automaticamente marcam essas sequências como “cópias suspeitas” para que sejam de 
maneira eficiente removidas e substituídas. 
A dupla-hélice de DNA é bastante estável sob condições normais; as bases pareadas são 
unidas tão fortemente que são necessárias temperaturas altas, quase a temperatura de 
ebulição da água, para separá-las em tubos de ensaio. Por essa razão, duas proteínas de 
replicação adicionais – as DNA-helicases e as proteínas ligadoras de DNA de fita simples 
– são necessárias para promover a abertura da dupla-hélice e fornecer os moldes de DNA 
de fita simples para que a polimerase possa atuar. 
As DNA-helicases foram proteína. As DNA-helicases utilizam esse princípio para 
impulsionarem-se rapidamente sobre a fita simples de DNA. 
Uma cinta deslizante mantém a DNA-polimerase em movimento sobre o DNA 
 
Em sua maioria, as DNA-polimerases, por si só, sintetizam apenas um pequeno segmento 
de nucleotídeos e logo se dissociam do DNA-molde. A tendência à rápida dissociação da 
molécula de DNA permite que a DNA-polimerase que recém terminou a síntese de um 
fragmento de Okazaki na fita retardada seja reciclada rapidamente e possa iniciar a síntese 
do próximo fragmento de Okazaki na mesma fita. Isso ocorre graças a cinta deslizante, 
essa cinta mantém a polimerase firmemente associada ao DNA enquanto está em 
movimento, mas a libera tão logo a polimerase encontre uma região de DNA de fita dupla. 
A DNA-polimerase sobre o molde da fita retardada também utiliza a cinta, porém cada 
vez que a polimerase alcança a extremidade 5’ do fragmento de Okazaki anterior, a 
polimerase libera-se da cinta e dissocia-se do molde. 
 
Na forquilha de replicação, as proteínas cooperam para formar uma maquinaria de 
replicação 
 
A maior parte das proteínas é mantida unida em um grande complexo multienzimático 
que sintetiza o DNA rapidamente. Esse complexo pode ser comparado a uma minúscula 
máquina a frente da forquilha de replicação, a DNA-helicase abre a dupla hélice de DNA. 
Duas moléculas de DNA-polimerase trabalham na forquilha uma na fita-líder, e outra na 
fita retardada. Enquanto a molécula de DNA-polimerase na fita-líder pode operar de 
modo contínuo, a molécula de DNA-polimerase na fita retardada deve reiniciar em 
intervalos curtos, utilizando os pequenos iniciadores de RNA produzidos pela DNA-
primase. A íntima associação de todos esses componentes proteicos aumenta bastante a 
eficiência da replicação, A. Esse arranjo também facilita a formação da cinta da 
polimerase cada vez que um fragmento de Okazaki que é sintetizado. 
 
Um sistema de reparo de pareamento incorreto remove erros de replicação que escapam 
da maquinaria de replicação 
 
O sistema de reparo de pareamento incorreto detecta o potencial de distorção na hélice 
de DNA que resulta da interação incorreta entre bases não complementares. Para ser 
eficiente, esse sistema deve ser capaz de diferenciar e remover o nucleotídeo incorreto 
apenas na fita recém-sintetizada, onde o erro ocorreu. Na E. coli, o mecanismo de 
diferenciação das fitas usado pelo sistema de reparo de pareamento incorreto depende da 
metilação de determinados resíduos A no DNA. Como resultado, as únicas sequências 
GATC que não foram ainda metiladas são as fitas recém-sintetizadas atrás da forquilha 
de replicação. Esse processo, de três etapas, envolve o reconhecimento de uma fita recém-
sintetizada, a remoção da porção que contém o malpareamento, e a ressíntese do segmento 
removido, usando a fita original como molde. Um sistema semelhante de correção de 
malpareamento atua nas células eucarióticas, o DNA recém-sintetizada contém quebras 
temporárias (antes de serem unidas pela DNA-ligase), e essas quebras (também chamadas 
quebras de fita-simples) fornecem o sinal que direciona o sistema de correção de mal 
pareamento à fita correta. Essa importância da correção de pareamento incorreto em 
humanos é demonstrada em indivíduos que herdam uma cópia defeituosa de um gene de 
reparo (com uma cópia funcional do gene no outro cromossomo). 
 
As DNA-topoisomerases evitam o emaranhamento do DNA durante a replicação 
 
O deslocamento da forquilha de replicação ao longo da fita dupla de DNA cria o chamado 
“problema do enrolamento”. Em princípio, esse desenrolamento pode ser obtido pela 
rotação acelerada de todo cromossomo à frente da forquilha em movimento; contudo, isso 
é muito desfavorável energeticamente (em especial em cromossomos longos) e, pelo 
contrário, o DNA à frente da forquilha de replicação torna-se supertorcido. Ocorre o 
aliviamento por proteínas conhecidas como DNA-topoisomerases. 
Temos a topoisomerase I, que produz uma clivagem temporária na fita simples; essa 
quebra na cadeia permite que as duas porções da hélice de DNA, formadas dos dois lados 
da quebra, girem livremente uma em relação à outra, e a topoisomerase II, que forma 
uma ligação covalente com ambas as fitas da hélice de DNA ao mesmo tempo, formando 
uma quebra de fita dupla temporária na hélice. As topoisomerases do tipo II podem aliviar 
a tensão do superenrolamento formando à frente da forquilha reações: (1) clivagem 
reversível de uma dupla-hélice, criando uma “abertura” no DNA; (2) passagem da 
segunda dupla-hélice, que está próxima, pela abertura; e (3) religação da quebra e 
dissociação do DNA. Além de evitar sérios problemas de emaranhamento do DNA que 
poderiam surgir durante sua replicação. 
 
A síntese de DNA inicia na origem de replicação 
 
Para iniciar a replicação do DNA, a dupla-hélice deve primeiramente ser aberta e as duas 
fitas separadas para expor as bases não pareadas. Como veremos, o processo de replicação 
de DNA é iniciado por proteínas iniciadoras especiais que se ligam à fita dupla de DNA 
e separam as duas ligações, rompendo as ligaçõesde hidrogênio entre as bases. As 
posições onde a hélice inicialmente é aberta são chamadas de origens de replicação. Esse 
DNA contém pequenas sequências de DNA que atraem as proteínas iniciadoras e 
segmentos de DNA especialmente fáceis de separar. 
O par de base A-T é unido por menos ligações de hidrogênio do que o par G-C. Portanto, 
segmentos de DNA ricos em pares de bases A-T são relativamente mais fáceis de serem 
separados. 
 
Novos nucleossomos são formados atrás da forquilha de Replicação 
 
Cromossomos possuem uma única origem de replicação, por conta do seu tamanho, já os 
cromossomos eucarióticos possuem vários pontos de origem de replicação afim de 
realizar tal replicação de forma mais eficaz. 
A chaperonas (proteínas que ajudam na condensação do cromossomo) ajudam na 
formação de novos nucleossomos. A formação dos novos nucleossomos atrás da forquilha 
de replicação traz uma consequência importante para o próprio processo de replicação. 
Enquanto a DNA-polimerase d sintetiza a fita retardada, o comprimento de cada 
fragmento de Okazaki é determinado pelo local em que a DNA-polimerase d é bloqueada 
por um nucleossomo recém-formado. 
As sequências de DNA telomérico são reconhecidas por proteínas ligadoras de DNA que 
reconhecem uma sequência específica de DNA e atraem uma enzima, chamada de 
telomerase, que repõe essas sequências cada vez que a célula se divide. Às transcriptases 
reversas, proteínas que sintetizam DNA usando um molde de RNA. 
 
 
 
REPARO DO DNA 
 
A manutenção da estabilidade genética de um organismo necessária à sobrevivência 
requer não apenas um mecanismo extremamente preciso para replicar o DNA, mas 
também mecanismos para corrigir as diversas lesões acidentais que ocorrem 
continuamente no DNA. O restante é eliminado com uma eficiência impressionante pelo 
reparo de DNA. A importância do reparo do DNA também pode ser demonstrada pelo 
aumento da taxa de mutação que ocorre após a inativação de um gene de reparo. 
que defeitos em um gene humano cujo produto normalmente atua no reparo de pares de 
bases mal pareados, resultantes de erros na replicação do DNA, podem causar uma 
predisposição hereditária a cânceres de cólon e alguns outros órgãos, devido a uma taxa 
aumentada de mutações. DNA. O defeito no reparo do DNA resulta em um aumento na 
taxa de mutação, o que provoca graves lesões na pele e uma suscetibilidade aumentada 
ao câncer de pele. Finalmente, mutações nos genes Brca1 e Brca2 comprometem um tipo 
de reparo de DNA conhecido como recombinação homóloga e são a causa do câncer 
hereditário de mama e ovário. 
Existem duas vias que diferem na maneira pela qual a lesão é removida do DNA. A 
primeira via, denominada reparo por excisão de bases, envolve uma bateria de enzimas 
denominadas DNA-glicosilases, cada uma capaz de reconhecer um tipo específico de base 
alterada no DNA e de catalisar sua remoção hidrolítica. 
A segunda principal via de reparo é chamada de reparo por excisão de nucleotídeos. 
Esse mecanismo pode corrigir uma lesão causada por praticamente qualquer alteração 
volumosa na estrutura da dupla-hélice de DNA. 
 
Referência 
 
Alberts, Bruce. Biologia molecular da célula [recurso eletrônico] / Bruce Alberts ... [et 
al.] ; tradução: [Ardala Elisa Breda Andrade ... et al.] ; revisão técnica: Ardala Elisa Breda 
Andrade, Cristiano Valim Bizarro, Gaby Renard. – 6. ed. – Porto Alegre : Artmed, 2017.