Replicação de DNA: mecanismos, em procariotos e eucariotos - Ciência - 2023

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o replicação de DNA (ácido desoxirribonucléico) consiste em copiar o genoma, ou seja, toda a informação genética contida no DNA de um organismo, para produzir duas cópias idênticas. O genoma possui as informações necessárias para construir um organismo completo.

Antes da divisão celular, ocorre a replicação do DNA. Por meio da meiose, os gametas são produzidos para a reprodução sexuada. Por meio da mitose, ocorre a substituição celular (por exemplo, pele e sangue) e o desenvolvimento (por exemplo, tecidos e órgãos).

Conhecer a estrutura do DNA nos permite entender a maneira como ocorre sua replicação. A estrutura do DNA consiste em uma dupla hélice, composta por duas cadeias antiparalelas de nucleotídeos sucessivos, cujas bases nitrogenadas se complementam de maneira específica.

Durante a replicação, cada fita da fita dupla de DNA atua como um modelo para a biossíntese de uma nova fita. As duas cadeias recentemente sintetizadas têm bases que são complementares às bases da cadeia molde: adenina (A) com timina (T) e citosina (C) com guanina (G).

Várias enzimas e proteínas estão envolvidas na replicação do DNA. Por exemplo, abrir a dupla hélice do DNA, manter o DNA aberto e adicionar desoxirribonucleosídeos-5′-trifosfato (dNTP) para formar a nova fita.

A replicação do DNA é semi-conservadora

Com base na estrutura do DNA, Watson e Crick propuseram que a replicação do DNA ocorre de forma semi-conservadora. Isso foi demonstrado por Meselson e Stahl rotulando o DNA de Escherichia coli com o isótopo pesado de nitrogênio, ¹⁵N, seguindo o padrão de distribuição por várias gerações em um meio de cultura com nitrogênio leve, ¹⁴N.

Meselson e Stahl descobriram que, na primeira geração, as duas moléculas filhas de DNA tinham cada molécula marcada com uma cadeia com o isótopo pesado de nitrogênio e outra com o isótopo leve. Ao contrário da molécula de DNA original, que tinha ambas as fitas marcadas com o isótopo pesado, ¹⁵N.

Na segunda geração, 50% das moléculas de DNA eram como as da primeira geração e os outros 50% tinham apenas nitrogênio leve. A interpretação desse resultado é que a dupla hélice filha tem uma cadeia pai (que funciona como um modelo) e uma nova cadeia.

O mecanismo de replicação semiconservativo envolve a separação das fitas de DNA e o pareamento de bases complementares por meio de pares sucessivos de nucleotídeos, produzindo duas hélices duplas filhas.

Replicação de bateria

Iniciação da replicação do DNA em bactérias

O DNA bacteriano consiste em um cromossomo circular e possui apenas um local de origem de replicação. A partir deste local, a biossíntese das duas cadeias filhas ocorre bidirecionalmente, formando duas forquilhas de replicação que se movem em direções opostas à origem. No final, os grampos se encontram, completando a replicação.

A replicação começa com a ligação das proteínas DnaA ao local de origem. Essas proteínas, por sua vez, formam um complexo. Em seguida, as proteínas HU e IHF, entre outras, se unem, que juntas dobram o DNA, causando a separação das duas fitas de DNA em uma região rica em timina e adenina.

Em seguida, as proteínas DNaC se ligam, o que faz com que as helicases de DNA se liguem. Eles ajudam a desenrolar o DNA e quebrar as ligações de hidrogênio, formadas entre pares de bases. Assim, as duas cadeias se separam ainda mais, formando duas cadeias simples.

A topoisomerase II, ou DNA girase, move-se na frente da DNA helicase, diminuindo as supercoils positivas. As proteínas de ligação ao DNA de fita simples (SSB) mantêm as fitas de DNA separadas. Assim, a biossíntese da cadeia filha pode começar.

Biossíntese de filamentos de DNA em bactérias

A enzima primase é responsável por sintetizar cadeias curtas de RNA chamadas primers, que têm 10-15 nucleotídeos de comprimento. A DNA polimerase começa a adicionar 5'-trifosfato deoxinucleosídeos (dNTPs) à extremidade 3'-OH do açúcar primer, após o que a fita continua a crescer a partir da mesma extremidade.

Como as fitas de DNA são antiparalelas, um primer é sintetizado na fita líder e muitos primers na fita lag. Por causa disso, a biossíntese da cadeia retardada é descontínua. Embora as fitas de DNA sejam antiparalelas, a forquilha de replicação se move em apenas uma direção.

A DNA polimerase é responsável pela formação de ligações covalentes entre os nucleotídeos adjacentes das cadeias recentemente sintetizadas, na direção 5'®3 '. No E. coliExistem cinco DNA polimerases: DNA polimerases I e III realizam a replicação do DNA; e DNA polimerases II, IV e V são responsáveis por reparar e replicar DNA danificado.

A maior parte da replicação é feita pela DNA polimerase III, que é uma holoenzima que possui 10 subunidades diferentes com várias funções na replicação do DNA. Por exemplo, a subunidade alfa é responsável por fazer ligações entre os nucleotídeos.

Um complexo de enzimas é responsável pela replicação do DNA em bactérias

A helicase e a primase de DNA unem-se para formar um complexo denominado primossoma. Este se move ao longo do DNA, agindo de forma coordenada para separar as duas fitas parentais, sintetizando os primers a cada certo intervalo na fita atrasada.

O primossoma se liga fisicamente à DNA polimerase III e forma o replissoma. Duas DNA polimerases III são responsáveis por replicar o DNA das cadeias guia e retardada. Com relação à DNA polimerase III, a fita retardada forma uma alça externa, que permite que a adição de nucleotídeos a essa fita ocorra na mesma direção da fita líder.

A adição de nucleotídeos à cadeia líder é contínua. Enquanto no retardado, é descontínuo. Fragmentos de 150 nucleotídeos de comprimento são formados, chamados de fragmentos de Okazaki.

A atividade de exonuclease 5 ′ -> 3 of da DNA polimerase I é responsável pela eliminação de primers e preenchimento, adicionando nucleotídeos. Uma enzima ligase sela as lacunas entre os fragmentos. A replicação termina quando os dois ganchos de replicação se encontram em uma sequência de terminação.

A proteína Tus se liga à sequência de terminação, interrompendo o movimento da bifurcação de replicação. A topoisomerase II permite a separação dos dois cromossomos.

Trifosfatos desoxirribonucleotídicos são usados pela DNA polimerase

O trifosfato de desoxinucleosídeo (dNTP) contém três grupos fosfato ligados ao carbono 5 of da desoxirribose. Os dNTPs (dATP, dTTP, dGTP e dCTP) ligam-se à cadeia modelo seguindo a regra AT / GC.

A DNA polimerase catalisa a seguinte reação: O grupo 3 ′ hidroxila (–OH) do nucleotídeo da fita em crescimento reage com o alfa fosfato do dNTP de entrada, liberando pirofosfato inorgânico (PPi). A hidrólise do PPi produz a energia para a formação da ligação covalente, ou ligação fosfodiéster, entre os nucleotídeos da cadeia em crescimento.

Mecanismos que garantem a fidelidade da replicação do DNA

Durante a replicação do DNA, a DNA polimerase III comete um erro de 100 milhões de nucleotídeos. Embora a probabilidade de erro seja muito baixa, existem mecanismos que garantem a fidelidade na replicação do DNA. Esses mecanismos são:

1) Estabilidade no emparelhamento de bases. A energia da ligação de hidrogênio entre AT / GC é maior do que em pares de bases errados.

2) Estrutura do sítio ativo da DNA polimerase. A DNA polimerase catalisa preferencialmente as junções de nucleotídeos com as bases corretas na fita oposta. O pareamento deficiente de bases resulta em uma distorção da dupla hélice do DNA, evitando que o nucleotídeo errado ocupe o sítio ativo da enzima.

3) Teste de leitura. A DNA polimerase identifica nucleotídeos errôneos incorporados e os remove da fita filha. A atividade de exonuclease da DNA polimerase quebra as ligações fosfodiéster entre os nucleotídeos na extremidade 3 'da nova fita.

Replicação de DNA em eucariotos

Ao contrário da replicação em procariotos, onde a replicação começa em um único local, a replicação em eucariotos começa em vários locais de origem e a bifurcação de replicação se move bidirecionalmente. Mais tarde, todos os grampos de cabelo da replicação se fundem, formando duas cromátides irmãs unidas no centrômero.

Os eucariotos possuem muitos tipos de DNA polimerase, cujos nomes usam letras gregas. Polimerase de DNA α forma um complexo com primase. Este complexo sintetiza primers curtos que consistem em 10 nucleotídeos de RNA seguidos por 20 a 30 nucleotídeos de DNA.

Então DNA polimerase ε ou δ catalisa o alongamento da fita filha do primer. Polimerase de DNA ε está envolvido na síntese da cadeia líder, enquanto a DNA polimerase δ sintetiza a cadeia retardada.

Polimerase de DNA δ ele alonga o fragmento de Okazaki à esquerda até atingir o primer de RNA à direita, produzindo uma pequena aba do primer. Ao contrário dos procariotos, em que uma DNA polimerase remove o primer, nos eucariotos uma enzima de endonuclease Flap remove o primer de RNA.

Em seguida, uma DNA ligase sela os fragmentos de DNA adjacentes. A conclusão da replicação ocorre com a dissociação das proteínas do garfo de replicação.

o Replicação de DNA em eucariotos e o ciclo celular

A replicação em eucariotos ocorre na fase S do ciclo celular. As moléculas de DNA replicadas são secretadas em duas células-filhas durante a mitose. As fases G1 e G2 separam a fase S e a mitose. A progressão em cada fase do ciclo celular é altamente regulada por quinases, fosfatases e proteases.

Na fase G1 do ciclo celular, o complexo de reconhecimento de origem (OCR) se liga ao local de origem. Isso induz a ligação de helicases MCM e outras proteínas, como Cdc6 e Cdt1, para formar um complexo de pré-replicação (preRC). A helicase MCM liga-se à cadeia guia.

Na fase S, o preRC se torna um local de replicação ativo. As proteínas OCR, Cdc6 e Cdt1 são liberadas e a helicase MCM se move na direção 3 ′ a 5 ′. Uma vez concluída a replicação, ela será reiniciada no próximo ciclo celular.

Replicação das extremidades dos cromossomos em eucariotos

As extremidades dos cromossomos são conhecidas como telômeros, que consistem em sequências repetidas em tandem e uma região 3 'que se projeta, com 12 a 16 nucleotídeos de comprimento.

A DNA polimerase é incapaz de replicar a extremidade 3 'das fitas de DNA. Isso ocorre porque a DNA polimerase só pode sintetizar DNA na direção 5'-3 ', e só pode estender fitas pré-existentes, sem ser capaz de sintetizar um primer nesta região. Consequentemente, os telômeros encurtam a cada rodada de replicação.

A enzima telomerase impede o encurtamento dos telômeros. A telomerase é uma enzima que possui subunidades de proteínas e RNA (TERC). Este último se liga às sequências repetidas de DNA e permite que a telomerase se ligue à extremidade 3 'do telômero.

Uma sequência de RNA atrás do sítio de junção funciona como um molde para a síntese de uma sequência de seis nucleotídeos (polimerização) no final da fita de DNA. O alongamento do telômero é catalisado por subunidades da telomerase, denominada transcriptase reversa da telomerase (TERT).

Após a polimerização, ocorre a translocação, que consiste no movimento da telomerase para uma nova extremidade da cadeia do DNA, unindo outros seis nucleotídeos até o final.

As funções de outras DNA polimerases em eucariotos

Polimerase de DNA β tem um papel importante na remoção de bases incorretas do DNA, mas não está envolvido na replicação do DNA.

Muitas polimerases de DNA descobertas pertencem ao grupo das polimerases de "replicação de translesão". Essas polimerases são responsáveis pela síntese de fitas complementares em uma região de DNA danificado.

Existem vários tipos de polimerases de "replicação de translesão". Por exemplo, DNA polimerase η ele pode se replicar em dímeros de timina, que são produzidos pela luz ultravioleta.

Replicação de DNA em arqueobactérias

A replicação do DNA em arqueobactérias é semelhante à dos eucariotos. Isso se deve ao seguinte: 1) as proteínas envolvidas na replicação são mais semelhantes às dos eucariotos do que às dos procariotos; e 2) embora haja apenas um local de replicação, como nos procariotos, sua sequência é semelhante ao local de origem dos eucariotos.

A semelhança na replicação entre Archea e eucariotos apóia a ideia de que ambos os grupos são filogeneticamente mais relacionados entre si do que com procariotos.

Referências

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