9.2: Replicação do DNA

Quando uma célula se divide, é importante que cada célula filha receba uma cópia idêntica do DNA. Isso é realizado pelo processo de replicação do DNA. A replicação do DNA ocorre durante a fase de síntese, ou fase S, do ciclo celular, antes que a célula entre na mitose ou meiose.

A elucidação da estrutura da dupla hélice forneceu uma dica de como o DNA é copiado. Lembre-se de que os nucleotídeos de adenina combinam com nucleotídeos de timina e citosina com guanina. Isso significa que os dois fios são complementares um ao outro. Por exemplo, uma fita de DNA com uma sequência nucleotídica de AGTCATGA terá uma fita complementar com a sequência TCAGTACT (Figura\(\PageIndex{1}\)).

Figura\(\PageIndex{1}\): As duas fitas de DNA são complementares, o que significa que a sequência de bases em uma fita pode ser usada para criar a sequência correta de bases na outra fita.

Devido à complementaridade das duas vertentes, ter uma vertente significa que é possível recriar a outra vertente. Esse modelo de replicação sugere que os dois fios da dupla hélice se separam durante a replicação, e cada fita serve como um modelo a partir do qual a nova fita complementar é copiada (Figura\(\PageIndex{2}\)).

Figura\(\PageIndex{2}\): O modelo semiconservador de replicação do DNA é mostrado. Cinza indica as fitas de DNA originais e azul indica DNA recém-sintetizado.

Durante a replicação do DNA, cada uma das duas fitas que compõem a dupla hélice serve como um modelo a partir do qual novas fitas são copiadas. A nova vertente será complementar à vertente parental ou “antiga”. Cada nova vertente dupla consiste em uma vertente parental e uma nova vertente filha. Isso é conhecido como replicação semiconservadora. Quando duas cópias de DNA são formadas, elas têm uma sequência idêntica de bases nucleotídicas e são divididas igualmente em duas células-filhas.

Replicação de DNA em eucariotos

Como os genomas eucarióticos são muito complexos, a replicação do DNA é um processo muito complicado que envolve várias enzimas e outras proteínas. Ela ocorre em três estágios principais: iniciação, alongamento e término.

Lembre-se de que o DNA eucariótico está ligado a proteínas conhecidas como histonas para formar estruturas chamadas nucleossomos. Durante a iniciação, o DNA é disponibilizado às proteínas e enzimas envolvidas no processo de replicação. Como o maquinário de replicação sabe por onde começar a dupla hélice do DNA? Acontece que existem sequências específicas de nucleotídeos chamadas origens da replicação nas quais a replicação começa. Certas proteínas se ligam à origem da replicação, enquanto uma enzima chamada helicase se desenrola e abre a hélice do DNA. À medida que o DNA se abre, estruturas em forma de Y chamadas garfos de replicação são formadas (Figura\(\PageIndex{3}\)). Duas bifurcações de replicação são formadas na origem da replicação e elas se estendem em ambas as direções à medida que a replicação prossegue. Existem várias origens de replicação no cromossomo eucariótico, de modo que a replicação pode ocorrer simultaneamente de vários lugares do genoma.

Durante o alongamento, uma enzima chamada DNA polimerase adiciona nucleotídeos de DNA à extremidade 3' do molde. Como a DNA polimerase só pode adicionar novos nucleotídeos no final de uma coluna vertebral, uma sequência primária, que fornece esse ponto de partida, é adicionada com nucleotídeos de RNA complementares. Esse primer é removido posteriormente e os nucleotídeos são substituídos por nucleotídeos de DNA. Uma fita, que é complementar à fita de DNA parental, é sintetizada continuamente em direção ao garfo de replicação para que a polimerase possa adicionar nucleotídeos nessa direção. Essa fita sintetizada continuamente é conhecida como a fita principal. Como a DNA polimerase só pode sintetizar DNA na direção de 5' a 3', a outra nova fita é reunida em pequenos pedaços chamados fragmentos de Okazaki. Cada fragmento de Okazaki requer um primer feito de RNA para iniciar a síntese. O fio com os fragmentos de Okazaki é conhecido como fio defasado. Conforme a síntese prossegue, uma enzima remove o primer de RNA, que é então substituído por nucleotídeos de DNA, e as lacunas entre os fragmentos são seladas por uma enzima chamada DNA ligase.

O processo de replicação do DNA pode ser resumido da seguinte forma:

1. O DNA se desenrola na origem da replicação.
2. Novas bases são adicionadas às vertentes parentais complementares. Um novo fio é feito continuamente, enquanto o outro fio é feito em pedaços.
3. Os primers são removidos, novos nucleotídeos de DNA são colocados no lugar dos primers e a espinha dorsal é selada pela DNA ligase.

CONEXÃO ARTÍSTICA

Figura\(\PageIndex{3}\): Um garfo de replicação é formado pela abertura da origem da replicação e a helicase separa as fitas de DNA. Um primer de RNA é sintetizado e alongado pela DNA polimerase. Na fita principal, o DNA é sintetizado continuamente, enquanto na fita retardada, o DNA é sintetizado em trechos curtos. Os fragmentos de DNA são unidos pela DNA ligase (não mostrada).

Você isola uma cepa celular na qual a união de fragmentos de Okazaki está comprometida e suspeita que uma mutação tenha ocorrido em uma enzima encontrada na bifurcação de replicação. Qual enzima tem maior probabilidade de sofrer mutação?

Replicação telomérica

Como os cromossomos eucarióticos são lineares, a replicação do DNA chega ao fim de uma linha nos cromossomos eucarióticos. Como você aprendeu, a enzima DNA polimerase pode adicionar nucleotídeos em apenas uma direção. Na fita principal, a síntese continua até que o final do cromossomo seja alcançado; no entanto, na fita retardada, não há lugar para que um primer seja feito para que o fragmento de DNA seja copiado no final do cromossomo. Isso representa um problema para a célula porque as extremidades permanecem desemparelhadas e, com o tempo, essas extremidades ficam progressivamente mais curtas à medida que as células continuam a se dividir. As extremidades dos cromossomos lineares são conhecidas como telômeros, que têm sequências repetitivas que não codificam um gene específico. Como consequência, são os telômeros que são encurtados a cada rodada de replicação do DNA, em vez de genes. Por exemplo, em humanos, uma sequência de seis pares de bases, TTAGGG, é repetida de 100 a 1000 vezes. A descoberta da enzima telomerase (Figura\(\PageIndex{4}\)) ajudou na compreensão de como as extremidades dos cromossomos são mantidas. A telomerase se liga ao final do cromossomo e bases complementares ao molde de RNA são adicionadas na extremidade da fita de DNA. Uma vez que o modelo da fita defasada esteja suficientemente alongado, a DNA polimerase agora pode adicionar nucleotídeos que são complementares às extremidades dos cromossomos. Assim, as extremidades dos cromossomos são replicadas.

Figura\(\PageIndex{4}\): As extremidades dos cromossomos lineares são mantidas pela ação da enzima telomerase.

Normalmente, descobriu-se que a telomerase é ativa em células germinativas, células-tronco adultas e algumas células cancerosas. Por sua descoberta da telomerase e sua ação, Elizabeth Blackburn (Figura\(\PageIndex{5}\)) recebeu o Prêmio Nobel de Medicina e Fisiologia em 2009.

Figura\(\PageIndex{5}\): Elizabeth Blackburn, ganhadora do Prêmio Nobel de 2009, foi a cientista que descobriu como a telomerase funciona. (crédito: Embaixada dos EUA, Estocolmo, Suécia)

A telomerase não é ativa em células somáticas adultas. Células somáticas adultas que sofrem divisão celular continuam tendo seus telômeros encurtados. Isso significa essencialmente que o encurtamento dos telômeros está associado ao envelhecimento. Em 2010, cientistas descobriram que a telomerase pode reverter algumas condições relacionadas à idade em camundongos, e isso pode ter potencial na medicina regenerativa. ¹ Camundongos com deficiência de telomerase foram usados nesses estudos; esses camundongos apresentam atrofia tecidual, depleção de células-tronco, falha do sistema orgânico e respostas prejudicadas a lesões teciduais. A reativação da telomerase nesses camundongos causou a extensão dos telômeros, reduziu os danos ao DNA, reverteu a neurodegeneração e melhorou o funcionamento dos testículos, baço e intestinos. Assim, a reativação dos telômeros pode ter potencial para tratar doenças relacionadas à idade em humanos.

Replicação de DNA em procariontes

Lembre-se de que o cromossomo procariótico é uma molécula circular com uma estrutura de enrolamento menos extensa do que os cromossomos eucarióticos. O cromossomo eucariótico é linear e altamente enrolado em torno de proteínas. Embora existam muitas semelhanças no processo de replicação do DNA, essas diferenças estruturais exigem algumas diferenças no processo de replicação do DNA nessas duas formas de vida.

A replicação do DNA tem sido extremamente bem estudada em procariontes, principalmente por causa do pequeno tamanho do genoma e do grande número de variantes disponíveis. A Escherichia coli tem 4,6 milhões de pares de bases em um único cromossomo circular, e tudo isso é replicado em aproximadamente 42 minutos, partindo de uma única origem de replicação e prosseguindo ao redor do cromossomo em ambas as direções. Isso significa que aproximadamente 1000 nucleotídeos são adicionados por segundo. O processo é muito mais rápido do que nos eucariotos. A tabela\(\PageIndex{1}\) resume as diferenças entre as replicações procarióticas e eucarióticas.

Tabela\(\PageIndex{1}\): Diferenças entre replicações procarióticas e eucarióticas

Propriedade	Procariontes	Eucariotos
Origem da replicação	Solteiro	Múltiplos
Taxa de replicação	1000 nucleotídeos/s	50 a 100 nucleotídeos/s
Estrutura cromossômica	circular	linear
Telomerase	Não presente	Presente

CONCEITO EM AÇÃO

Clique em um tutorial sobre replicação de DNA.

Reparação de DNA

A DNA polimerase pode cometer erros ao adicionar nucleotídeos. Ele edita o DNA revisando cada base recém-adicionada. As bases incorretas são removidas e substituídas pela base correta e, em seguida, a polimerização continua (Figura\(\PageIndex{6}\) a). A maioria dos erros é corrigida durante a replicação, mas quando isso não acontece, o mecanismo de reparo de incompatibilidade é empregado. As enzimas de reparo incompatíveis reconhecem a base incorporada incorretamente e a extirpam do DNA, substituindo-a pela base correta (Figura\(\PageIndex{6}\) b). Em outro tipo de reparo, o reparo por excisão de nucleotídeos, a fita dupla de DNA é desenrolada e separada, as bases incorretas são removidas junto com algumas bases nas extremidades 5' e 3', e estas são substituídas pela cópia do molde com a ajuda da DNA polimerase (Figura\(\PageIndex{6}\) c). O reparo por excisão de nucleotídeos é particularmente importante na correção dos dímeros de timina, que são causados principalmente pela luz ultravioleta. Em um dímero de timina, dois nucleotídeos de timina adjacentes um ao outro em uma fita estão covalentemente ligados um ao outro, em vez de suas bases complementares. Se o dímero não for removido e reparado, isso levará a uma mutação. Indivíduos com falhas em seus genes de reparo por excisão de nucleotídeos mostram extrema sensibilidade à luz solar e desenvolvem câncer de pele cedo na vida.

Figura\(\PageIndex{6}\): A revisão por DNA polimerase (a) corrige erros durante a replicação. No reparo de incompatibilidade (b), a base adicionada incorretamente é detectada após a replicação. As proteínas reparadoras de incompatibilidade detectam essa base e a removem da fita recém-sintetizada pela ação da nuclease. A lacuna agora está preenchida com a base emparelhada corretamente. A excisão de nucleotídeos (c) repara os dímeros de timina. Quando expostas aos raios UV, as timinas adjacentes umas às outras podem formar dímeros de timina. Nas células normais, elas são excisadas e substituídas.

A maioria dos erros é corrigida; se não forem, podem resultar em uma mutação — definida como uma mudança permanente na sequência de DNA. Mutações nos genes de reparo podem levar a consequências graves, como câncer.

Resumo

O DNA se replica por um método semiconservador no qual cada uma das duas fitas de DNA parental atua como um modelo para a síntese de um novo DNA. Após a replicação, cada DNA tem uma fita parental ou “antiga” e uma fita filha ou fita “nova”.

A replicação em eucariotos começa em várias origens de replicação, enquanto a replicação em procariontes começa em uma única origem de replicação. O DNA é aberto com enzimas, resultando na formação do garfo de replicação. A primase sintetiza um primer de RNA para iniciar a síntese pela DNA polimerase, que pode adicionar nucleotídeos em apenas uma direção. Um fio é sintetizado continuamente na direção do garfo de replicação; isso é chamado de fio principal. A outra fita é sintetizada em uma direção distante da bifurcação de replicação, em pequenos trechos de DNA conhecidos como fragmentos de Okazaki. Esse fio é conhecido como fio atrasado. Quando a replicação é concluída, os primers de RNA são substituídos por nucleotídeos de DNA e o DNA é selado com DNA ligase.

As extremidades dos cromossomos eucarióticos representam um problema, pois a polimerase é incapaz de estendê-las sem um primer. A telomerase, uma enzima com um modelo de RNA embutido, estende as extremidades copiando o molde de RNA e estendendo uma extremidade do cromossomo. A DNA polimerase pode então estender o DNA usando o primer. Dessa forma, as extremidades dos cromossomos são protegidas. As células têm mecanismos para reparar o DNA quando ele é danificado ou erros são cometidos na replicação. Esses mecanismos incluem reparo de incompatibilidade para substituir nucleotídeos emparelhados com uma base não complementar e reparo por excisão de nucleotídeos, que remove bases danificadas, como dímeros de timina.

Conexões artísticas

Figura\(\PageIndex{3}\): Você isola uma cepa celular na qual a união de fragmentos de Okazaki está comprometida e suspeita que uma mutação tenha ocorrido em uma enzima encontrada na bifurcação de replicação. Qual enzima tem maior probabilidade de sofrer mutação?

Resposta

Ligase, à medida que essa enzima une fragmentos de Okazaki.

Notas de pé

1. 1 Mariella Jaskelioff, et al., “A reativação da telomerase reverte a degeneração tecidual em camundongos idosos com deficiência de telomerase”, Nature, 469 (2011) :102—7.

Glossário

DNA ligase

a enzima que catalisa a união de fragmentos de DNA

DNA polimerase

uma enzima que sintetiza uma nova fita de DNA complementar a uma fita modelo

helicase

uma enzima que ajuda a abrir a hélice do DNA durante a replicação do DNA, quebrando as ligações de hidrogênio

fio atrasado

durante a replicação da fita de 3' a 5', a fita que é replicada em fragmentos curtos e longe do garfo de replicação

vertente principal

a fita que é sintetizada continuamente na direção 5' a 3' que é sintetizada na direção do garfo de replicação

reparo de incompatibilidade

uma forma de reparo de DNA na qual nucleotídeos não complementares são reconhecidos, excisados e substituídos por nucleotídeos corretos

mutação

uma variação permanente na sequência nucleotídica de um genoma

reparo por excisão de nucleotídeos

uma forma de reparo de DNA na qual a molécula de DNA é desenrolada e separada na região do dano nucleotídico, os nucleotídeos danificados são removidos e substituídos por novos nucleotídeos usando a fita complementar, e a fita de DNA é selada novamente e deixada se juntar novamente ao seu complemento

Fragmentos de Okazaki

os fragmentos de DNA que são sintetizados em trechos curtos na fita defasada

primer

um pequeno trecho de nucleotídeos de RNA que é necessário para iniciar a replicação e permitir que a DNA polimerase se ligue e inicie a replicação

garfo de replicação

a estrutura em forma de Y formada durante o início da replicação

replicação semiconservadora

o método usado para replicar o DNA no qual a molécula de fita dupla é separada e cada fita atua como um modelo para uma nova fita a ser sintetizada, então as moléculas de DNA resultantes são compostas por uma nova fita de nucleotídeos e uma antiga fita de nucleotídeos

telomerase

uma enzima que contém uma parte catalítica e um modelo de RNA embutido; funciona para manter os telômeros nas extremidades dos cromossomos

telômero

o DNA no final dos cromossomos lineares

Contribuidores e atribuições

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