Estrutura e replicação do DNA

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Estrutura e replicação do DNA 
➔ DNA é o material genético, e não outra molécula biológica como um carboidrato, proteína ou lipídio. O DNA 
é uma molécula simples, feita apenas por quatro bases nucleotídicas. 
➔ DNA é uma dupla hélice, composta por dois filamentos de bases nucleotídicas ligados e enrolados um em 
torno do outro. 
➔ O material genético obrigatoriamente tem conteúdo informativo 
➔ Como substância química, o DNA é bem simples. Ele contém três 
tipos de componentes químicos: (1) fosfato, (2) um açúcar chamado 
desoxirribose e (3) quatro bases nitrogenadas: adenina, guanina, 
citosina e timina 
➔ O açúcar no DNA é chamado de "desoxirribose" porque tem apenas 
um átomo de hidrogênio (H) no átomo de carbono 2', ao contrário da 
ribose (um componente do RNA), que tem um grupo hidroxila (OH) 
nessa posição. 
➔ Duas das bases, adenina e guanina, têm uma 
estrutura de dois anéis, característica de um tipo de 
substância chamada purina. As outras duas bases, 
citosina e timina, têm uma estrutura formada por 
um só anel, chamada pirimidina. 
➔ Os componentes químicos do DNA estão dispostos 
em grupos chamados nucleotídios, cada um 
composto por um grupo fosfato, uma molécula de 
açúcar desoxirribose e uma, das quatro bases 
➔ A quantidade total de nucleotídios pirimidínicos (T + 
C) é sempre igual à de nucleotídios purínicos (A+ G). 
➔ A quantidade de T é sempre igual à de A e a de C é 
sempre igual à de G. Mas a quantidade de A + T não 
é necessariamente igual à de G + C 
➔ A estrutura tinha de atender aos principais requisitos de uma molécula hereditária: a capacidade de estocar 
informação, a capacidade de replicar-se e a capacidade de sofrer mutação. 
➔ Duas cadeias lado a lado ("filamentos") de nucleotídios torcidos no formato de uma dupla hélice. Os dois 
filamentos de nucleotídios são mantidos juntos por pontes de hidrogênio entre as bases de cada filamento, 
formando uma estrutura como uma escada em espiral. 
➔ O arcabouço de cada filamento é formado por unidades alternadas de fosfato e açúcar desoxirribose, 
conectadas por ligações fosfodiéster 
➔ Uma ligação fosfodiéster conecta o átomo de carbono 5' de uma desoxirribose ao átomo de carbono 3' da 
desoxirribose adjacente. Assim, diz-se que cada ligação açúcar-fosfato tem uma polaridade, ou sentido, 5' 
para 3 ', e a compreensão dessa polaridade é essencial para entender como o DNA exerce seus papéis. Na 
molécula bifilamentar de DNA, os dois filamentos estão em orientação oposta, ou em polaridade inversa. 
➔ Cada base está ligada ao átomo de carbono 1' de um açúcar desoxirribose no arcabouço de cada filamento, e 
voltada para dentro, na direção de uma base no outro filamento. As pontes de hidrogênio entre os pares de 
bases mantêm os dois filamentos da molécula de DNA unidos. 
➔ Um único filamento de nucleotídios não tem estrutura helicoidal; a forma helicoidal do DNA depende 
totalmente do pareamento e do empilhamento das bases nos filamentos de polaridade inversa. 
➔ Tal pareamento seria responsável pela regularidade (A + G) = (T + C). 
➔ T só pareia com A, e C só pareia com G. (purina – piridina) 
➔ G-C tem três pontes de hidrogênio, enquanto o par A-T só tem duas 
➔ Os DNA com conteúdo maior de G + C podem requerer maiores temperaturas para se dissociar devido à 
maior atração do pareamento G-C 
➔ A sequência de pares de nucleotídios no DNA determina a sequência de aminoácidos na proteína 
especificada por esse gene. 
➔ Se a sequência de bases do DNA especifica a sequência de aminoácidos, então é possível uma mutação pela 
substituição de um tipo de base por outro em uma ou mais posições 
Replicação semiconservativa 
▪ Fazemos uma analogia do DNA com o zíper, a deselicoidização dos dois 
filamentos expõe as bases em cada filamento. Cada base exposta tem o 
potencial para parear com nucleotídios livres na solução. Como a estrutura 
do DNA impõe requisitos rígidos de pareamento, cada base exposta pareia 
apenas com sua base complementar, A com T e G com C. Assim, cada um 
dos dois filamentos age como um molde para direcionar a montagem de 
bases complementares, de modo a reestruturar uma dupla hélice idêntica à 
original. Então cada moléculafilha deve conter uma cadeia parental de 
nucleotídios e uma recém-sintetizada. 
▪ Na replicação semiconservativa, a dupla hélice de cada molécula-filha de 
DNA contém um filamento da molécula original de DNA e um filamento 
recém-sintetizado (MAIS COMUM) 
▪ Na replicação conservativa, a molécula de DNA parental é conservada, e 
uma única dupla hélice-filha é produzida, consistindo em dois filamentos 
recém-sintetizados 
▪ Na replicação dispersiva, as 
moléculas-filhas consistem 
em filamentos, cada um 
contendo segmentos de 
ambos, o DNA parental e o 
recém-sintetizado. 
▪ Forquilha é o local no qual a 
dupla hélice é desenrolada 
para produzir os dois filamentos únicos que servem como moldes para a 
cópia 
▪ A DNA polimerase é uma enzima que adiciona 
desoxirribonucleotídios à ponta 3' de uma cadeia de 
nucleotídios em crescimento, usando como molde um único 
filamento de DNA que foi exposto pela deselicoidização 
localizada da dupla hélice. (DNA polimerase I / DNA 
polimerase III) 
▪ O acréscimo de cada base ao polímero em crescimento é 
acompanhado pela remoção de dois dos três fosfatos na forma de pirofosfato (PPi). 
I. uma atividade de polimerase, que catalisa o crescimento da cadeia no sentido 5' para 3 ' (fita nova); 
II. uma atividade de exonuclease 3' para 5', que remove as bases incorretamente pareadas; 
III. uma atividade de exonuclease 5' para 3', que degrada os filamentos simples de DNA ou RNA (quando 
da erro) 
▪ A medida que a DNA pol III avança, a dupla hélice é 
continuamente desenrolada na frente da enzima, para 
expor mais os filamentos de DNA separados que atuarão 
como moldes. A DNA pol III atua na forquilha de replicação, 
a zona onde a dupla hélice está se desenrolando. 
Entretanto, como a DNA polimerase sempre adiciona 
nucleotídios na ponta 3' (da velha) em crescimento 
(começando a nova a partir de 5’), apenas um dos dois 
filamentos de polaridade inversa pode servir como molde 
para a replicação no sentido da forquilha de replicação. Para 
esse filamento, a síntese pode ocorrer de modo contínuo e 
ininterrupto no sentido da forquilha; o novo filamento sintetizado nesse molde é chamado de filamento 
contínuo (leading- contínuo). 
▪ A síntese do outro filamento também ocorre na extremidade em crescimento 3 ' da velha , mas essa síntese 
está no sentido "errado", pois, para esse filamento, o sentido 5' -3' da síntese da fita nova está distante da 
forquilha de replicação. Tem de ocorrer em segmentos curtos: a polimerase sintetiza um segmento sem ser 
na ponta, ou seja, no início de onde começou o desenrolamento do DNA, já que essa ponta eu tenho 5’ da 
velha e o complemento da fita nova é 3’, mas sabemos que a DNA polimerase do trabalha iniciando um ova 
fita de 5’ para 3’, então começa a sintetizar mais perto da forquilha movendo-se para a ponta 5' do 
segmento velho (ponta) , e depois vai voltando e segui ate a linha 5 de novo e assim se repetindo. DNA 
recém-sintetizado são chamados de fragmentos de Okazaki. (leagging) 
▪ Minhas palavras: quando o DNA começa a se abrir eu tenho duas pontas uma 5’ e outra 3’, no fragmento 
que começa com 5’ que precisa da síntese da fita complemento começando em 3’,não vai conseguir pois a 
DNA polimerase só trabalha formando uma nova fita de 5’ para 3’ na nova fita, logo na outra fita velha que 
inicia em 3’ vai conseguir começar uma fita nova com 5’ e ir de forma continua. 
▪ Portanto, a síntese tanto do filamento leading quanto de cada fragmento de Okazaki tem de ser iniciada por 
um primer, são sintetizados por um conjunto de proteínas chamado primossomo, do qual um componente 
central é uma enzima denominada primase, um tipo de RNA polimerase 
▪ A primase sintetiza um trecho curto (-8 a 12 nucleotídios)de RNA complementar a uma região específica do 
cromossomo. No filamento contínuo (leading), apenas um primer inicial é necessário, pois, após a ação do 
primer inicial, o filamento de DNA em crescimento serve como primer para a adição contínua. Entretanto, no 
filamento descontínuo (lagging), cada fragmento de Okazaki precisa de seu próprio primer. A cadeia de RNA 
que compõe o primer é, então, estendida como uma cadeia de DNA pela DNA pol III. 
▪ Uma DNA polimerase diferente, a pol I, remove os primers de RNA com sua atividade de exonuclease de 5' 
para 3' (nova) e preenche os espaços com sua atividade de polimerase de 5' para 3' (nova) 
▪ Outra enzima, a DNA ligase, une a ponta 3' do DNA que preencheu o espaço à ponta 5' do fragmento de 
Okazaki posterior. O novo filamento assim formado é chamado de filamento descontínuo (lagging). Uma 
DNA ligase une os fragmentos do DNA, ao catalisar a formação de uma ligação fosfodiéster entre a 
extremidade 5'-fosfato de um fragmento e o grupo 3'-0H adjacente de outro fragmento. 
 
▪ Tanto a DNA pol I quanto a DNA pol III exercem atividade de exonuclease 3' para 5', tendo uma função de 
"revisão", ao excisar bases inseridas erroneamente. 
▪ Um par de bases incorretamente pareado surge quando a atividade da polimerase 5' para 3' insere, por 
exemplo, uma A em vez de uma G para parear com uma C subsequente. O acréscimo de uma base incorreta 
costuma acontecer por um processo denominado tautomerização. Cada uma das bases no DNA pode 
ocorrer em uma de várias formas, denominadas tautômeros, ou seja, isômeros que diferem entre si nas 
posições e ligações de seus átomos. A forma ceto de cada base normalmente está presente no DNA, mas em 
casos raros uma base pode desviar-se para a forma imino ou a enol. Quando um C sofre desvio para sua 
forma rara imino, a polimerase acrescenta um A em vez de um G (e vice e versa quando tem imino de 
Adenosina, se liga uma Citosina) . Felizmente, tal erro em geral é detectado e removido pela atividade de 
exonuclease 3' para 5'. Assim que a base incorreta é removida, a polimerase tem outra chance de 
acrescentar a base G complementar correta. Também pode acontecer da forma enol de T se ligar a Guanina, 
a forma enol da Guanina se liga a Timina. 
▪ Só depois que o primer de RNA é removido, a DNA pol I catalisa a síntese de DNA para substituir o primer, o 
que evita mutações. 
REPLISSOMO – justifica a velocidade da replicação 
▪ Na forquilha de replicação, o cerne catalítico da DNA pol III é parte de um complexo muito maior, chamado 
de holoenzima polimerase III (pol III), que consiste em dois cernes catalíticos e muitas proteínas acessórias. 
Um dos cernes catalíticos lida com a síntese do filamento contínuo, enquanto o outro lida com a síntese do 
filamento descontínuo. Uma importante proteína acessória chamada grampo 13 circunda o DNA como uma 
rosca (donut) e mantém a pol III ligada à molécula de DNA. Assim, a pol III é transformada de uma enzima 
que pode adicionar apenas 10 nucleotídios antes de sair do molde (chamada de enzima distributiva) em uma 
enzima que fica na forquilha em movimento e adiciona dezenas de milhares de nucleotídios (uma enzima 
processiva). Em suma, pela ação de proteínas acessórias, a síntese de ambos os filamentos, contínuo e 
descontínuo, é rápida e altamente coordenada. 
▪ A primase, a enzima que sintetiza o primer de RNA, não toca a proteína grampo. Portanto, a primase atua 
como uma enzima distributiva; ela adiciona apenas alguns ribonucleotídios antes de se dissociar do molde. 
Esse modo de ação faz sentido porque o primer só precisa ser longo o suficiente para formar um ponto 
inicial dúplex adequado para a DNA pol III. 
▪ O replissomo (maquinário molecular) contém duas classes de proteínas que abrem a hélice e impedem a 
maior helicoidização: elas são as helicases e as topoisomerases, respectivamente. As helicases são enzimas 
que rompem as pontes de hidrogênio que mantêm os dois filamentos da dupla hélice juntos. Como a 
proteína grampo, a helicase ajusta-se como uma rosca ao redor do DNA; dessa posição, ela rapidamente 
desenrola a dupla hélice à frente da síntese de DNA. O DNA desenrolado é estabilizado por proteínas de 
ligação à fita simples (SSB), que se ligam ao DNA unifilamentar e impedem a reestruturação do dúplex. A 
DNA girase é um exemplo de topoisomerases, responsável por desenrolar e acabar com os giros da molécula 
de DNA 
▪ A montagem do replissomo é um processo ordenado que começa em locais precisos no cromossomo 
(chamados origens) e ocorre apenas em certas épocas da vida da célula. A replicação de E. coli começa em 
uma origem fixa (chamada oriC) e, então, continua em ambos os sentidos (com as forquilhas movendo-se 
em ambas as pontas 
 
❖ 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 
❖ Os componentes do replissomo procariótico e os do replissomo eucariótico sejam muito similares. 
Entretanto, à medida que a complexidade dos organismos aumenta, o número de componentes do 
replissomo também aumenta. 
❖ A replicação é muito mais complexa nos eucariotos, por causa de seus grandes genomas, compactados no 
DNA com histonas 
❖ Nucleossomo, que consiste em DNA enrolado ao redor de proteínas histonas 
❖ O replissomo precisa não apenas copiar os filamentos parentais, mas também desmontar os nucleossomos 
nos filamentos parentais e reuni-los nas moléculas-filhas, manobra feita 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 ß, chamado antígeno nuclear de proliferação celular (PCNA) 
❖ inclui uma região rica em AT que se dissocia quando uma proteína iniciadora se liga a sítios de ligação 
adjacentes. Ao contrário dos cromossomos procarióticos, cada cromossomo eucariótico tem muitas origens 
de replicação para replicar rapidamente os genomas eucarióticos maiores. 
❖ Origens de replicação em leveduras é composta de sequências similares de DNA (100 a 200 pb de 
comprimento) que são reconhecidas pelas subunidades ORC (se liga a uma região rica em A-T) 
❖ Curiosamente, embora todos os eucariotos caracterizados tenham proteínas ORC similares, as origens de 
replicação nos eucariotos superiores são maiores, possivelmente dezenas de milhares ou centenas de 
milhares de nucleotídios. Significativamente, os eucariotos têm semelhanças de sequência limitadas. Assim, 
embora o ORC de levedura reconheça sequências específicas de DNA nos cromossomos de levedura, o que 
os ORC correlatos de eucariotos superiores reconhecem ainda não está claro, mas a característica 
reconhecida provavelmente não é uma sequência específica de DNA. 
❖ Acredita-se que esses ORC interagem indiretamente com as origens por associação a outros complexos 
proteicos que se ligam aos cromossomos. Tal mecanismo de reconhecimento pode ter evoluído de modo 
que os eucariotos superiores possam regular a época da replicação do DNA durante a fase S 
❖ Sabe-se, há algum tempo, que regiões cromossômicas ricas em genes (a eucromatina) replicam-se cedo na 
fase S, enquanto as regiões pobres em genes, incluindo a heterocromatina densamente compactada, 
replicam-se tardiamente na fase S. A replicação do DNA não poderia ser regulada por região se os ORC 
estivessem ligadas a sequências relacionadas com sequências dispersas pelos cromossomos. Em vez disso, os 
ORC podem, por exemplo, ter uma afinidade maior por origens na cromatina aberta e ligar-se a essas 
origens primeiro e, então, ligar-se à cromatina condensadaapenas após as regiões ricas em genes terem se 
replicado. 
❖ Como na iniciação procariótica, as proteínas do complexo de reconhecimento de origem (ORC) ligam-se à 
origem, onde separam os dois filamentos da dupla hélice e recrutam componentes do replissomo nas duas 
forquilhas de replicação. A replicação é ligada ao ciclo celular pela disponibilidade das duas proteínas: Cdc6 e 
Cdt1 (recrutadas pela ORC). Depois recruta uma helicase formando o compleco MCM 
❖ A replicação é um processo que replica a maioria do DNA cromossômico, mas há 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 (lagging) 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. A cada ciclo subsequente de replicação, o telômero continuaria a se encurtar, até 
que informações codificantes essenciais 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 ao 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. (TTAGGG.) 
❖ A enzima telomerase* adiciona várias sequências curtas, repetitivas, para manter o tamanho. A telomerase 
leva um RNA curto que atua como molde para a síntese das repetições teloméricas. As repetições 
teloméricas não codificadoras associam-se a proteínas para formar um revestimento telomérico. Nas células 
somáticas, os telômeros encurtam com a idade, porque a telomerase não é sintetizada nessas células. As 
pessoas com telômeros defeituosos sofrem envelhecimento prematuro.