21.11: Replicação do DNA

A replicação do DNA envolve a separação das duas cadeias da hélice dupla, com cada uma a servir como modelo a partir do qual a nova cadeia complementar é copiada.  Após a replicação, cada DNA de cadeia dupla inclui uma cadeia parental ou “velha” e uma cadeia “nova”. Isto é conhecido como replicação semiconservativa. As moléculas de DNA resultantes têm a mesma sequência e são divididas igualmente para as duas células filhas.

Replicação em Procariotas

A replicação do DNA utiliza um grande número de proteínas e enzimas. A enzima helicase separa as duas cadeias do DNA. À medida que a helicase se move ao longo do DNA, separa as duas cadeias para formar uma estrutura em forma de Y conhecida como o garfo de replicação. Em seguida, a enzima primase adiciona porções curtas de RNA conhecidas como primers para iniciar a síntese de DNA pela DNA polimerase, a enzima responsável pela síntese de DNA. Em bactérias, são conhecidos três tipos principais de DNA polimerases: DNA pol I, DNA pol II, e DNA pol III. A DNA pol III é a enzima necessária para a síntese de DNA; a DNA pol I e a DNA pol II são principalmente necessárias para a reparação. A DNA pol III adiciona desoxirribonucleótidos, cada um complementar a um nucleótido na cadeia modelo, um a um ao grupo 3’-OH da cadeia de DNA crescente. A DNA polimerase III só se pode estender na direção de 5’ a 3’. A adição destes nucleótidos requer energia. Essa energia está presente nas ligações de três grupos fosfato ligados a cada nucleótido, semelhante ao modo como a energia é armazenada nas ligações de fosfato do trifosfato de adenosina (ATP). Quando a ligação entre os fosfatos é quebrada e o difosfato é libertado, a energia libertada permite a formação de uma ligação fosfodiéster covalente por síntese de desidratação.

A dupla hélice do DNA é antiparalela; isto é, uma das cadeias está orientada na direção de 5’ a 3’ e a outra está orientada na direção de 3’ a 5’. Durante a replicação, uma cadeia, que é complementar à cadeia de DNA 3’ a 5’ parental, é sintetizada continuamente no sentido do garfo de replicação, uma vez que a polimerase pode adicionar nucleótidos nesta direcção. Esta cadeia continuamente sintetizada é conhecida como a cadeia líder. A outra cadeia, complementar ao DNA parental de 5’ a 3’, cresce afastando-se do garfo de replicação, pelo que a polimerase tem de voltar para o garfo de replicação para começar a adicionar bases a um novo primer, novamente na direção oposta ao garfo de replicação. Ela faz isto até encontrar a cadeia previamente sintetizada, e move-se depois novamente para trás. Estes passos produzem pequenos fragmentos de sequências de DNA conhecidos como fragmentos de Okazaki, cada um separado por um primer de RNA. A cadeia com os fragmentos de Okazaki é conhecida como a cadeia atrasada, e diz-se que a sua síntese é descontínua.

Após a síntese pela DNA polimerase III, os primers são removidos pela atividade de 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 previamente sintetizado são selados pela enzima DNA ligase que catalisa a formação de uma ligação fosfodiéster covalente entre a extremidade 3’-OH de um fragmento de DNA e a extremidade 5’ fosfato do outro fragmento, estabilizando o esqueleto açúcar-fosfato da molécula de DNA.

Replicação em Eucariotas

Os genomas eucarióticos são muito mais complexos e maiores do que os genomas procarióticos e são tipicamente compostos por múltiplos cromossomas lineares. O genoma humano, por exemplo, tem 3 mil milhões de pares bases por conjunto haplóide de cromossomas, e 6 mil milhões de pares bases são inseridos durante a replicação. Há múltiplas origens de replicação em cada cromossoma eucariótico; o genoma humano tem 30.000 a 50.000 origens de replicação. A velocidade de replicação é de aproximadamente 100 nucleótidos por segundo—10 vezes mais lenta do que a replicação procariótica.

Os passos essenciais da replicação em eucariotas são os mesmos que em procariotas. Antes que a replicação possa começar, o DNA tem de ser disponibilizado como um modelo. O DNA eucariótico está altamente superenrolado e empacotado, o que é facilitado por muitas proteínas, incluindo histonas. Após o início da replicação, em um processo semelhante ao encontrado em procariotas, o alongamento é facilitado por DNA polimerases eucarióticas. A cadeia líder é continuamente sintetizada pela enzima polimerase eucariótica pol δ, enquanto que a cadeia atrasada é sintetizada pela pol ε. A enzima ribonuclease H (RNase H), em vez de uma DNA polimerase como em bactérias, remove o primer de RNA, que é então substituído por nucleótidos de DNA. As lacunas que permanecem são seladas pela DNA ligase.

Tal como nos procariotas, a DNA polimerase eucariótica pode adicionar nucleótidos apenas na direção de 5’ a 3’. Na cadeia líder, a síntese continua até atingir o final do cromossoma ou outro garfo de replicação que progride na direção oposta. Na cadeia atrasada, o DNA é sintetizado em porções curtas, cada uma das quais iniciada por um primer separado. Quando o garfo de replicação atinge o final do cromossoma linear, não há lugar para fazer um primer para que o fragmento de DNA seja copiado na extremidade do cromossoma. Estas extremidades permanecem assim sem par, e, com o tempo, podem começar a ficar progressivamente mais curtas à medida que as células se continuam a dividir.

Este texto é adaptado de Openstax, Microbiology, Chapter 11.2: DNA Replication.

A replicação de ADN ocorre através de sintetização de novos fios de ADN utilizando vertentes existentes como um modelo. Cada uma das duas novas hélices duplas contém um modelo original e uma nova derivada sintetizada, e é por isso que este processo é conhecido como replicação semi-conservadora. Para começar a replicação, uma enzima, helicase, desenrola a hélice de ADN e quebra as ligações de hidrogénio entre as duas vertentes.

Em seguida, separa as vertentes individuais formando uma estrutura em forma de Y, conhecido como o garfo de replicação, onde os cordões do modelo podem ser acedidas por enzimas adicionais. Outra enzima, primase, adiciona pequenos fragmentos de RNA chamadas primários em cada fio do modelo. Estes primários são essenciais para a síntese de ADN como a DNA polimerase pode adicionar apenas nucleotídeos a um cordão existente.

A DNA polimerase acrescenta às derivadas em crescimento em ambas as vertentes do ADN modelo. A adição dos nucleotídeos são guiados pela sequência da fita de ADN original de acordo com as regras de emparelhamento do ADN. Síntese de uma das vertentes Derivadas, a vertente principal, ocorre na direção do movimento do garfo de replicação.

A outra vertente, a vertente de atraso, é sintetizada na direção oposta. Isto leva a I a vertente principal seja sintetizada como um polímero contínuo, enquanto que a vertente de retardamento é sintetizada como fragmentos curtos. Isto ocorre porque o ADN pode ser sintetizado apenas na direção do 5'a 3'Antes da sua adição ao polímero em crescimento, os nucleotídeos existem como trifosfatos deoxirribonucleósidos, com três fosfatos anexados ao quinto carbono sobre o açúcar.

Este nucleotídeo livre o trifosfato reage com os 3'grupos de hidroxila. Este é o OH que é anexado ao terceiro carbono do açúcar no final da vertente de crescimento. A reação provoca a libertação de pirofosfato e a formação de uma ligação fosfodiesterase entre os dois nucleotídeos.

Após a síntese de novos fios, RNase H ou variantes adicionais de ADN polimerase, removemos os primários e sintetizamos o ADN no seu lugar. As lacunas entre os fragmentos são então selados por ligase de ADN para gerar um cordão contínuo. A adição de nucleotídeos continuam até que os dois garfos de replicação se encontrem um ao outro resultando na replicação completa.