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.