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11.2: Replicação do DNA

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    Objetivos de

    • Explicar o significado da replicação semiconservadora do DNA
    • Explicar por que a replicação do DNA é bidirecional e inclui uma fita dianteira e uma cadeia atrasada
    • Explique por que os fragmentos de Okazaki são formados
    • Descreva o processo de replicação do DNA e as funções das enzimas envolvidas
    • Identifique as diferenças entre a replicação do DNA em bactérias e eucariotos
    • Explicar o processo de replicação circular

    A elucidação da estrutura da dupla hélice por James Watson e Francis Crick em 1953 forneceu uma dica de como o DNA é copiado durante o processo de replicação. A separação das fitas da dupla hélice forneceria dois modelos para a síntese de novas fitas complementares, mas ainda não estava claro exatamente como as novas moléculas de DNA foram construídas. Em um modelo, replicação semiconservadora, as duas fitas da dupla hélice se separam durante a replicação do DNA, e cada fita serve como um modelo a partir do qual a nova fita complementar é copiada; após a replicação, cada DNA de fita dupla inclui uma fita parental ou “antiga” e uma fita “nova”. Também foram sugeridos dois modelos concorrentes: conservador e dispersivo, que são mostrados na Figura\(\PageIndex{1}\).

    Diagrama mostrando 3 modelos de replicação de DNA. No modelo conservador, a dupla hélice original produz duas hélices duplas; uma das quais tem duas das cadeias parentais e uma das quais tem duas das novas. Outra rodada produz 4 hélices; uma das quais tem dois dos fios originais e três dos quais têm todos os novos fios. Na replicação semiconservadora, a primeira rodada leva a duas hélices duplas, cada uma com uma corda antiga e uma nova. A próxima rodada leva a quatro hélices duplas; duas delas têm uma corda antiga e uma nova e duas têm todas as novas. Na replicação dispersiva, cada nova rodada de replicação resulta em cadeias com bits aleatórios da fita principal e bits aleatórios de novas cadeias.
    Figura\(\PageIndex{1}\): Foram sugeridos três modelos para replicação de DNA. No modelo conservador, as fitas de DNA parental (azul) permaneceram associadas em uma molécula de DNA, enquanto as novas fitas filhas (vermelhas) permaneceram associadas às moléculas de DNA recém-formadas. No modelo semiconservador, as cadeias parentais se separaram e direcionaram a síntese de uma fita filha, com cada molécula de DNA resultante sendo um híbrido de uma fita parental e uma fita filha. No modelo dispersivo, todas as fitas de DNA resultantes têm regiões de DNA parental de fita dupla e regiões de DNA filho de fita dupla.

    Matthew Meselson (1930—) e Franklin Stahl (1929—) criaram um experimento em 1958 para testar qual desses modelos representa corretamente a replicação do DNA (Figura\(\PageIndex{2}\)). Eles cultivaram E. coli por várias gerações em um meio contendo um isótopo “pesado” de nitrogênio (15 N) que foi incorporado às bases nitrogenadas e, eventualmente, ao DNA. Isso rotulou o DNA dos pais. A cultura de E. coli foi então transferida para um meio contendo 14 N e deixada crescer por uma geração. As células foram colhidas e o DNA foi isolado. O DNA foi separado por ultracentrifugação, durante a qual o DNA formou bandas de acordo com sua densidade. Espera-se que o DNA cultivado em 15 N forme uma banda em uma posição de maior densidade do que a cultivada em 14 N. Meselson e Stahl observaram que após uma geração de crescimento em 14 N, a banda única observada era intermediária na posição entre o DNA das células cultivadas exclusivamente em 15 N ou 14 N. Isso sugeriu um modo de replicação semiconservador ou dispersivo. Foi permitido que algumas células crescessem por mais uma geração em 14 N e girassem novamente. O DNA colhido de células cultivadas por duas gerações em 14 N formou duas bandas: uma banda de DNA estava na posição intermediária entre 15 N e 14 N e a outra correspondia à banda de 14 N de DNA. Esses resultados só poderiam ser explicados se o DNA se replicar de maneira semiconservadora. Portanto, os outros dois modelos foram descartados. Como resultado desse experimento, agora sabemos que, 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”. As moléculas de DNA resultantes têm a mesma sequência e são divididas igualmente nas duas células-filhas.

    Um diagrama explicando o experimento de Meselson Stahl. Na primeira parte do experimento, o DNA é replicado na presença de meio pesado de 15N. Isso produz todas as cadeias pesadas de DNA. Em seguida, eles moveram as células para um meio leve de 14N. Se o DNA fosse replicado de forma conservadora, seria de se esperar ver uma banda pesada e uma banda leve. No entanto, eles viram apenas uma banda de tamanho médio. Isso é consistente com a replicação semiconservadora e dispersiva. Finalmente, eles permitiram que a bactéria passasse por outra rodada de replicação no meio leve. Se o DNA fosse replicado de forma dispersiva, seria de esperar apenas uma banda de tamanho médio. No entanto, eles viram uma banda média e uma banda leve. O único mecanismo que explica esses resultados é a replicação semiconservadora.
    Figura\(\PageIndex{2}\): Meselson e Stahl experimentaram E. coli cultivada primeiro em nitrogênio pesado (15 N) e depois em 14 N. O DNA cultivado em 15 N (banda azul) era mais pesado do que o DNA cultivado em 14 N (faixa vermelha) e sedimentado a um nível mais baixo na ultracentrifugação. Após uma rodada de replicação, o DNA sedimentou a meio caminho entre os níveis de 15 N e 14 N (banda roxa), descartando o modelo conservador de replicação. Após uma segunda rodada de replicação, o modelo dispersivo de replicação foi descartado. Esses dados apoiaram o modelo de replicação semiconservador.

    Exercício\(\PageIndex{1}\)

    Qual teria sido a conclusão do experimento de Meselson e Stahl se, após a primeira geração, eles tivessem encontrado duas bandas de DNA?

    Replicação de DNA em bactérias

    A replicação do DNA tem sido bem estudada em bactérias, principalmente por causa do pequeno tamanho do genoma e dos mutantes disponíveis. E. coli tem 4,6 milhões de pares de bases (Mbp) em um único cromossomo circular e tudo isso é replicado em aproximadamente 42 minutos, começando de uma única origem de replicação e prosseguindo ao redor do círculo bidirecionalmente (ou seja, em ambas as direções). Isso significa que aproximadamente 1000 nucleotídeos são adicionados por segundo. O processo é bastante rápido e ocorre com poucos erros.

    A replicação do DNA usa um grande número de proteínas e enzimas (Tabela\(\PageIndex{1}\)). Um dos principais atores é a enzima DNA polimerase, também conhecida como DNA pol. Nas bactérias, três tipos principais de DNA polimerases são conhecidos: DNA pol I, DNA pol II e DNA pol III. Sabe-se agora que o DNA pol III é a enzima necessária para a síntese de DNA; DNA pol I e DNA pol II são necessários principalmente para reparo. O DNA pol III adiciona desoxirribonucleotídeos, cada um complementar a um nucleotídeo na fita modelo, um a um ao grupo 3'-OH da cadeia de DNA em crescimento. A adição desses nucleotídeos requer energia. Essa energia está presente nas ligações de três grupos fosfato ligados a cada nucleotídeo (um nucleotídeo trifosfato), semelhante à forma como a energia é armazenada nas ligações fosfatadas do trifosfato de adenosina (ATP) (Figura\(\PageIndex{3}\)). Quando a ligação entre os fosfatos é quebrada e o difosfato é liberado, a energia liberada permite a formação de uma ligação fosfodiéster covalente por síntese de desidratação entre o nucleotídeo entrante e o grupo 3'-OH livre na fita de DNA em crescimento.

    Diagrama do dGTP. No centro está a desoxirribose, que é um açúcar em forma de pentágono. O ponto superior tem um oxigênio. Em seguida, movendo-se pela forma estão os carbonos 1, 2, 3 e 4; o carbono 5 está ligado ao carbono 4, mas não no anel. Ligada ao carbono 1 está uma estrutura feita de 2 anéis de carbono e nitrogênio presos ao longo de suas extremidades; isso é guanina. Carbon 2 tem apenas Hs ligado a ele. Carbon 3 tem um H e um OH. Carbon 4 tem N e Carbon 5. O carbono 5 está ligado a 3 grupos de fosfato em uma fileira (denominados trifosfato). Cada grupo fosfato é feito de fósforo ligado a 4 átomos de oxigênio.
    Figura\(\PageIndex{3}\): Essa estrutura mostra o desoxirribonucleotídeo de trifosfato de guanosina que é incorporado a uma fita de DNA em crescimento, clivando os dois grupos fosfato extremos da molécula e transferindo a energia para a ligação açúcar-fosfato. Os outros três nucleotídeos formam estruturas análogas.

    Iniciação

    O início da replicação ocorre em uma sequência específica de nucleotídeos chamada origem da replicação, onde várias proteínas se ligam para iniciar o processo de replicação. A E. coli tem uma única origem de replicação (assim como a maioria dos procariontes), chamada ORIC, em seu único cromossomo. A origem da replicação tem aproximadamente 245 pares de bases e é rica em sequências de adenina-timina (AT).

    Algumas das proteínas que se ligam à origem da replicação são importantes para tornar as regiões de fita simples do DNA acessíveis para replicação. O DNA cromossômico é normalmente enrolado em torno de histonas (em eucariotos e arquéias) ou proteínas semelhantes a histonas (em bactérias) e é superenrolado ou extensivamente envolto e torcido sobre si mesmo. Essa embalagem torna as informações na molécula de DNA inacessíveis. No entanto, enzimas chamadas topoisomerases alteram a forma e o superenrolamento do cromossomo. Para que a replicação do DNA bacteriano comece, o cromossomo superenrolado é relaxado pela topoisomerase II, também chamada de DNA girase. Uma enzima chamada helicase então separa as cadeias de DNA quebrando as ligações de hidrogênio entre os pares de bases nitrogenadas. Lembre-se de que as sequências AT têm menos ligações de hidrogênio e, portanto, têm interações mais fracas do que as sequências de guanina-citosina (GC). Essas enzimas requerem hidrólise de ATP. À medida que o DNA se abre, estruturas em forma de Y chamadas garfos de replicação são formadas. Dois garfos de replicação são formados na origem da replicação, permitindo a replicação bidirecional e a formação de uma estrutura que parece uma bolha quando vista com um microscópio eletrônico de transmissão; como resultado, essa estrutura é chamada de bolha de replicação. O DNA próximo a cada garfo de replicação é revestido com proteínas de ligação de fita simples para evitar que o DNA de fita simples se rebobine em uma dupla hélice.

    Uma vez que o DNA de fita simples esteja acessível na origem da replicação, a replicação do DNA pode começar. No entanto, o DNA pol III é capaz de adicionar nucleotídeos somente na direção 5' a 3' (uma nova fita de DNA só pode ser estendida nessa direção). Isso ocorre porque a DNA polimerase requer um grupo 3'-OH livre ao qual ela pode adicionar nucleotídeos formando uma ligação fosfodiéster covalente entre a extremidade 3'-OH e o fosfato 5' do próximo nucleotídeo. Isso também significa que ele não pode adicionar nucleotídeos se um grupo 3'-OH livre não estiver disponível, o que é o caso de uma única fita de DNA. O problema é resolvido com a ajuda de uma sequência de RNA que fornece a extremidade livre de 3'-OH. Como essa sequência permite o início da síntese de DNA, ela é apropriadamente chamada de primer. O primer tem de cinco a 10 nucleotídeos e é complementar ao DNA parental ou modelo. É sintetizado pela RNA primase, que é uma RNA polimerase. Ao contrário das DNA polimerases, as RNA polimerases não precisam de um grupo 3'-OH livre para sintetizar uma molécula de RNA. Agora que o primer fornece o grupo 3'-OH livre, a DNA polimerase III agora pode estender esse primer de RNA, adicionando nucleotídeos de DNA, um por um, que são complementares à fita modelo (Figura\(\PageIndex{1}\)).

    Alongamento

    Durante o alongamento na replicação do DNA, a adição de nucleotídeos ocorre em sua taxa máxima de cerca de 1000 nucleotídeos por segundo. A DNA polimerase III só pode se estender na direção de 5' a 3', o que representa um problema na bifurcação de replicação. A dupla hélice do DNA é antiparalela; ou seja, uma fita é orientada na direção 5' a 3' e a outra é orientada na direção 3' a 5' (veja Estrutura e Função do DNA). Durante a replicação, uma fita, que é complementar à fita de DNA parental de 3' a 5', é sintetizada continuamente em direção ao garfo de replicação porque a polimerase pode adicionar nucleotídeos nessa direção. Essa fita sintetizada continuamente é conhecida como a fita principal. A outra fita, complementar ao DNA parental de 5' a 3', cresce longe do garfo de replicação, então a polimerase deve voltar para o garfo de replicação para começar a adicionar bases a um novo primer, novamente na direção longe do garfo de replicação. Ele faz isso até esbarrar no fio previamente sintetizado e, em seguida, voltar novamente (Figura\(\PageIndex{4}\)). Essas etapas produzem pequenos fragmentos de sequência de DNA conhecidos como fragmentos de Okazaki, cada um separado por primer de RNA. Os fragmentos de Okazaki receberam o nome da equipe de pesquisa japonesa e do casal Reiji e Tsuneko Okazaki, que os descobriram pela primeira vez em 1966. O fio com os fragmentos de Okazaki é conhecido como fio defasado, e sua síntese é considerada descontínua.

    O fio principal pode ser estendido a partir de um único primer, enquanto o fio atrasado precisa de um novo primer para cada um dos fragmentos curtos de Okazaki. A direção geral do fio defasado será de 3' a 5', e a do fio principal de 5' a 3'. Uma proteína chamada pinça deslizante mantém a DNA polimerase no lugar enquanto continua adicionando nucleotídeos. A pinça deslizante é uma proteína em forma de anel que se liga ao DNA e mantém a polimerase no lugar. Além de seu papel na iniciação, a topoisomerase também evita o enrolamento excessivo da dupla hélice do DNA à frente da bifurcação de replicação quando o DNA se abre; ela faz isso causando cortes temporários na hélice do DNA e depois selando-a novamente. Conforme a síntese prossegue, os primers de RNA são substituídos pelo DNA. Os primers são removidos pela atividade da exonuclease da DNA polimerase I e as lacunas são preenchidas. Os cortes que permanecem entre o DNA recém-sintetizado (que substituiu o primer de RNA) e o DNA sintetizado anteriormente são selados pela enzima DNA ligase que catalisa a formação da ligação fosfodiéster covalente entre a extremidade 3'-OH de um fragmento de DNA e a extremidade de fosfato 5' do outro fragmento, estabilizando a espinha dorsal de açúcar-fosfato da molécula de DNA.

    Diagrama da replicação do DNA. Uma pequena inserção na parte superior mostra uma fita dupla de DNA separada no centro formando uma bolha; o DNA é de fita dupla em cada lado da bolha. A origem da replicação está no ponto médio da bolha. No fio superior, uma seta sólida aponta para a esquerda a partir da origem; este é o fio principal. À direita da origem da replicação estão setas curtas apontando para a esquerda; esse é o fio atrasado. No fio inferior, uma seta sólida apontando para a direita a partir da origem é rotulada como fio principal e setas curtas apontando para a direita do outro lado da origem são rotuladas como fios atrasados. Uma imagem maior mostra apenas a metade esquerda da bolha. O DNA de fita dupla está na extremidade esquerda e é rotulado como 5' para a fita superior e 3' para a fita inferior. Uma enzima na extremidade esquerda I é chamada de topoisomerase/girase. No ponto em que as regiões de fita dupla se dividem, há uma forma de triângulo chamada de helicase. Além disso, há formas menores rotuladas como proteínas de ligação de fita simples. O fio superior mostra a síntese contínua do fio principal; isso é mostrado como uma seta sólida sob o fio superior. A seta tem um 5' na extremidade direita e um 3' na extremidade esquerda. O fio do modelo na parte superior tem um 3' à direita e um 5' à esquerda. No final da seta (perto de onde o DNA está sendo recém-separado pela helicase) está a DNA polimerase 3 e uma pinça deslizante que abrange as duas fitas. A cadeia inferior do DNA tem mais componentes. Logo após as proteínas de ligação de fita simples está a RNA primase, que se liga ao primer de RNA (mostrado como uma seta verde). Mais abaixo, no modelo de fita defasada, há um primer de RNA existente com DNA polimerase III e um primer de extensão de grampo deslizante e a fita modelo. A polimerase está construindo uma nova fita de DNA do lado esquerdo (5') para o lado direito (3'). Mais à direita está um longo pedaço feito de primer de RNA, depois novo DNA, depois primer de RNA e, em seguida, novo DNA, tudo conectado. Cada uma das combinações de DNA/RNA são fragmentos de okazaki feitos na síntese descontínua da fita defasada. A DNA polimerase I está ligada ao primer de RNA no centro e o substitui por nucleotídeos de DNA. A DNA ligase então une as fitas individuais do novo DNA. Isso é mostrado em um close-up como duas hélices duplas que têm todas as letras corretas no lugar, mas falta uma conexão entre dois dos nucleotídeos (isso é chamado de lacuna de fita simples). A DNA ligase forma essa última ligação e a lacuna é selada.
    Figura\(\PageIndex{4}\): Na origem da replicação, a topoisomerase II relaxa o cromossomo superenrolado. Dois garfos de replicação são formados pela abertura do DNA de fita dupla na origem, e a helicase separa as fitas de DNA, que são revestidas por proteínas de ligação de fita simples para manter as fitas separadas. A replicação do DNA ocorre em ambas as direções. Um primer de RNA complementar à fita parental é sintetizado pela RNA primase e é alongado pela DNA polimerase III por meio da adição de nucleotídeos à extremidade 3'-OH. Na fita principal, o DNA é sintetizado continuamente, enquanto na fita retardada, o DNA é sintetizado em trechos curtos chamados fragmentos de Okazaki. Os primers de RNA dentro da fita retardada são removidos pela atividade da exonuclease da DNA polimerase I, e os fragmentos de Okazaki são unidos pela DNA ligase.

    Rescisão

    Uma vez que o cromossomo completo tenha sido replicado, o término da replicação do DNA deve ocorrer. Embora se saiba muito sobre o início da replicação, menos se sabe sobre o processo de encerramento. Após a replicação, os genomas circulares completos resultantes dos procariontes são concatenados, o que significa que os cromossomos circulares de DNA estão interligados e devem ser separados uns dos outros. Isso é feito por meio da atividade da topoisomerase IV bacteriana, que introduz quebras de fita dupla nas moléculas de DNA, permitindo que elas se separem umas das outras; a enzima então fecha novamente os cromossomos circulares. A resolução dos concatêmeros é um problema exclusivo da replicação do DNA procariótico por causa de seus cromossomos circulares. Como a DNA girase bacteriana e a topoisomerase IV são distintas de suas contrapartes eucarióticas, essas enzimas servem como alvos para uma classe de medicamentos antimicrobianos chamados quinolonas.

    Tabela\(\PageIndex{1}\): A maquinaria molecular envolvida na replicação do DNA bacteriano
    Enzima ou fator Função
    Pesquisa de DNA I A atividade da exonuclease remove o primer de RNA e o substitui por DNA recém-sintetizado
    Pesquisa de DNA III Enzima principal que adiciona nucleotídeos na direção 5' a 3'
    Helicase Abre a hélice do DNA quebrando as ligações de hidrogênio entre as bases nitrogenadas
    Ligase Sela as lacunas entre os fragmentos de Okazaki na fita defasada para criar uma fita contínua de DNA
    Primase Sintetiza os primers de RNA necessários para iniciar a replicação
    Proteínas de ligação de fita simples Lige-se ao DNA de fita simples para evitar a ligação de hidrogênio entre fitas de DNA, reformando o DNA de fita dupla
    Braçadeira deslizante Ajuda a manter o DNA pol III no lugar quando nucleotídeos estão sendo adicionados
    Topoisomerase II (DNA girase) Relaxa o cromossomo superenrolado para tornar o DNA mais acessível para o início da replicação; ajuda a aliviar o estresse no DNA ao se desenrolar, causando quebras e depois selando novamente o DNA
    Topoisomerase IV Introduz a quebra de fita simples em cromossomos concatenados para liberá-los uns dos outros e, em seguida, revela o DNA

    Exercício\(\PageIndex{2}\)

    1. Qual enzima quebra as ligações de hidrogênio que mantêm as duas fitas de DNA juntas para que a replicação possa ocorrer?
    2. É o fio atrasado ou o fio principal que é sintetizado na direção da abertura do garfo de replicação?
    3. Qual enzima é responsável pela remoção dos primers de RNA no DNA bacteriano recém-replicado?

    Replicação de DNA em eucariotos

    Os genomas eucarióticos são muito mais complexos e maiores do que os genomas procarióticos e são normalmente compostos por vários cromossomos lineares (Tabela\(\PageIndex{2}\)). O genoma humano, por exemplo, tem 3 bilhões de pares de bases por conjunto haplóide de cromossomos, e 6 bilhões de pares de bases são inseridos durante a replicação. Existem várias origens de replicação em cada cromossomo eucariótico (Figura\(\PageIndex{5}\)); o genoma humano tem 30.000 a 50.000 origens de replicação. A taxa de replicação é de aproximadamente 100 nucleotídeos por segundo — 10 vezes mais lenta do que a replicação procariótica.

    Um diagrama mostrando duas cadeias de DNA parental. Em seguida, uma seta mostrando várias bolhas de replicação com uma origem de replicação em cada uma. As setas apontam para a esquerda e para a direita de cada origem da replicação. Novas fitas de DNA são mostradas sendo formadas. Uma das bolhas tem a metade esquerda da bolha em uma caixa chamada garfo de replicação. A imagem a seguir mostra as bolhas de replicação ficando mais longas. A imagem final mostra duas novas fitas de DNA, cada uma com uma fita antiga e uma nova fita.
    Figura\(\PageIndex{5}\): Os cromossomos eucarióticos são tipicamente lineares e cada um contém várias origens de replicação.

    As etapas essenciais de replicação em eucariotos são as mesmas dos procariontes. Antes que a replicação possa começar, o DNA precisa ser disponibilizado como um modelo. O DNA eucariótico é altamente superenrolado e empacotado, o que é facilitado por muitas proteínas, incluindo histonas (consulte Estrutura e função dos genomas celulares). Na origem da replicação, um complexo de pré-replicação composto por várias proteínas, incluindo a helicase, forma e recruta outras enzimas envolvidas no início da replicação, incluindo topoisomerase para relaxar o superenrolamento, proteína de ligação de fita simples, RNA primase e DNA polimerase. Após o início da replicação, em um processo semelhante ao encontrado nos procariontes, o alongamento é facilitado pelas DNA polimerases eucarióticas. A fita principal é sintetizada continuamente pela enzima polimerase eucariótica pol δ, enquanto a fita defasada é sintetizada por pol ε. Uma proteína de pinça deslizante mantém a DNA polimerase no lugar para que ela não caia do DNA. A enzima ribonuclease H (RNase H), em vez de uma DNA polimerase como nas bactérias, remove o primer de RNA, que é então substituído por nucleotídeos de DNA. As lacunas que permanecem são seladas pela DNA ligase.

    Como os cromossomos eucarióticos são lineares, pode-se esperar que sua replicação seja mais direta. Como nos procariontes, a DNA polimerase eucariótica pode adicionar nucleotídeos somente na direção 5' a 3'. Na cadeia principal, a síntese continua até atingir o final do cromossomo ou outra bifurcação de replicação progredindo na direção oposta. Na fita defasada, o DNA é sintetizado em trechos curtos, cada um dos quais é iniciado por um primer separado. Quando a bifurcação de replicação atinge o final do cromossomo linear, não há lugar para fazer um primer para que o fragmento de DNA seja copiado no final do cromossomo. Essas extremidades, portanto, permanecem desemparelhadas e, com o tempo, podem ficar progressivamente mais curtas à medida que as células continuam a se dividir.

    As extremidades dos cromossomos lineares são conhecidas como telômeros e consistem em sequências repetitivas não codificantes. Os telômeros protegem as sequências de codificação de serem perdidas à medida que as células continuam a se dividir. Em humanos, uma sequência de seis pares de bases, TTAGGG, é repetida 100 a 1000 vezes para formar o telômero. A descoberta da enzima telomerase (Figura\(\PageIndex{6}\)) esclareceu nossa compreensão de como as extremidades dos cromossomos são mantidas. A telomerase contém uma parte catalítica e um modelo de RNA embutido. Ele se liga ao final do cromossomo e bases complementares ao modelo de RNA são adicionadas na extremidade 3' da fita de DNA. Uma vez que a extremidade de 3 pés do modelo de fita defasada é suficientemente alongada, a DNA polimerase pode adicionar nucleotídeos complementares às extremidades dos cromossomos. Dessa forma, as extremidades dos cromossomos são replicadas. Em humanos, a telomerase é tipicamente ativa em células germinativas e células-tronco adultas; não é ativa em células somáticas adultas e pode estar associada ao envelhecimento dessas células. Micróbios eucarióticos, incluindo fungos e protozoários, também produzem telomerase para manter a integridade cromossômica. Por sua descoberta da telomerase e sua ação, Elizabeth Blackburn (1948—) recebeu o Prêmio Nobel de Medicina ou Fisiologia em 2009.

    Diagrama da telomerase. A imagem superior mostra uma longa fita de DNA com 5' à esquerda e 3' à direita. O fio complementar é muito mais curto e mostra 3' à esquerda e 5' à direita. Um círculo chamado telomerase contém um fio complementar que corresponde à extremidade de 3 pés da fita superior e também se estende além da extremidade de 3 pés do fio superior. Legenda: A telomerase tem um RNA associado que complementa a saliência de 3' no final do cromossomo. Em seguida, a fita superior do DNA se replica usando a saliência da fita dentro da telomerase. Legenda: O modelo de RNA é usado para sintetizar a fita complementar. Em seguida, a telomerase se move para a nova extremidade de 3 pés da fita superior. Legenda: A telomerase muda e o processo se repete. Finalmente, a fita de DNA superior tem várias extensões. O primer de RNA se liga perto da extremidade 3' e constrói uma nova fita de DNA para a esquerda até se encontrar com a fita existente. Legenda: Primase e DNA polimerase sintetizam a fita complementar.
    Figura\(\PageIndex{6}\): Nos eucariotos, as extremidades dos cromossomos lineares são mantidas pela ação da enzima telomerase.
    Tabela\(\PageIndex{2}\): Comparação da replicação bacteriana e eucariótica
    Propriedade Bactérias Eucariotos
    Estrutura do genoma Cromossomo circular único Vários cromossomos lineares
    Número de origens por cromossomo Solteiro Múltiplos
    Taxa de replicação 1000 nucleotídeos por segundo 100 nucleotídeos por segundo
    Telomerase Não presente Presente
    Remoção de primer de RNA Pesquisa de DNA I RNase H
    Alongamento do fio Pesquisa de DNA III pol δ, pol ε

    Exercício\(\PageIndex{3}\)

    1. Como a origem da replicação difere entre eucariotos e procariontes?
    2. Quais enzimas da polimerase são responsáveis pela síntese de DNA durante a replicação eucariótica?
    3. O que é encontrado nas extremidades dos cromossomos nos eucariotos e por quê?

    Replicação de DNA de elementos extracromossômicos: plasmídeos e vírus

    Para copiar seus ácidos nucléicos, plasmídeos e vírus freqüentemente usam variações no padrão de replicação do DNA descrito para genomas de procariontes. Para obter mais informações sobre a ampla variedade de estratégias de replicação viral, consulte O ciclo de vida viral.

    Replicação em círculo rol

    Enquanto muitos plasmídeos bacterianos (veja Características Únicas das Células Procarióticas) se replicam por um processo semelhante ao usado para copiar o cromossomo bacteriano, outros plasmídeos, vários bacteriófagos e alguns vírus de eucariotos usam replicação em círculo contínuo (Figura\(\PageIndex{7}\)). A natureza circular dos plasmídeos e a circularização de alguns genomas virais na infecção tornam isso possível. A replicação do círculo rolante começa com o corte enzimático de uma fita da molécula circular de fita dupla no local de origem de fita dupla (dso). Nas bactérias, a DNA polimerase III se liga ao grupo 3'-OH da fita cortada e começa a replicar unidirecionalmente o DNA usando a fita não cortada como molde, deslocando a fita cortada à medida que o faz. A conclusão da replicação do DNA no local do corte original resulta no deslocamento total da fita cortada, que pode então se recircularizar em uma molécula de DNA de fita simples. A RNA primase então sintetiza um primer para iniciar a replicação do DNA no local de origem de fita simples (sso) da molécula de DNA de fita simples (ssDNA), resultando em uma molécula de DNA de fita dupla (dsDNA) idêntica à outra molécula circular de DNA.

    Diagrama da replicação do DNA. Um círculo de DNA de fita dupla tem uma região chamada SSO perto de uma região chamada DSO. Um nick se forma no DSO e na DNA polimerase III começa a copiar e deslocar a fita cortada. Isso forma um novo anel feito de uma fita de DNA antiga e uma nova; a segunda fita antiga de DNA está fora desse anel, mas eventualmente se junta novamente à fita cortada. A DNA ligase então separa o dsDNA (síntese da primeira fita) e o ssDNA solitário. O ssDNA então tem a segunda fita sintetizada e também se torna um DNA ds.
    Figura\(\PageIndex{7}\): O processo de replicação circular em círculo resulta na síntese de uma única cópia nova da molécula circular de DNA, conforme mostrado aqui.

    Exercício\(\PageIndex{4}\)

    Existe uma vertente atrasada na replicação de círculos ondulantes? Por que ou por que não?

    Conceitos principais e resumo

    • O processo de replicação do DNA é semiconservador, o que resulta em duas moléculas de DNA, cada uma com uma fita parental de DNA e uma fita recém-sintetizada.
    • Nas bactérias, o início da replicação ocorre na origem da replicação, onde o DNA superenrolado é desenrolado pela DNA girase, feito de fita simples pela helicase e ligado por proteína de ligação de fita simples para manter sua única estado encalhado. A Primase sintetiza um primer de RNA curto, fornecendo um grupo 3'-OH livre ao qual a DNA polimerase III pode adicionar nucleotídeos de DNA.
    • Durante o alongamento, a fita principal do DNA é sintetizada continuamente a partir de um único primer. A fita defasada é sintetizada de forma descontínua em pequenos fragmentos de Okazaki, cada um exigindo seu próprio primer. Os primers de RNA são removidos e substituídos por nucleotídeos de DNA pela DNA polimerase I bacteriana, e a DNA ligase sela as lacunas entre esses fragmentos.
    • O término da replicação em bactérias envolve a resolução de concatêmeros circulares de DNA pela topoisomerase IV para liberar as duas cópias do cromossomo circular.
    • Os eucariotos normalmente têm vários cromossomos lineares, cada um com várias origens de replicação. No geral, a replicação em eucariotos é semelhante à dos procariontes.
    • A natureza linear dos cromossomos eucarióticos requer telômeros para proteger os genes próximos ao final dos cromossomos. A telomerase estende os telômeros, impedindo sua degradação, em alguns tipos de células.
    • A replicação em círculo rolante é um tipo de síntese rápida de DNA unidirecional de uma molécula de DNA circular usada para a replicação de alguns plasmídeos.