Replicação do DNA

Replicação do Material Genético Humano

A replicação do DNA é um processo vital para o surgimento de uma nova célula com os mesmos genes, mantendo o funcionamento das novas células exatamente como funciona na célula mãe. Portanto, o material genético deve ser capaz de armazenar a informação genética e transmitir essa informação fielmente dos pais para os descendentes, de geração após geração. 

QUANDO OCORRE A REPLICAÇÃO DO DNA?

A replicação do DNA ocorre num momento preciso do ciclo celular denominado fase S, que sucede outra fase denominada G1. Ainda não são claros os processos que atuam na transição da fase G1 e S. A consequência da replicação do DNA é a divisão celular, quando são geradas novas células-filhas com o mesmo conteúdo genômico da célula precursora.

COMPONENTES ESSENCIAIS PARA INICIAR UM PROCESSO REPLICATIVO

A enzima DNA polimerase catalisa a adição covalente de nucleotídeos a cadeias preexistentes de DNA. Essa enzima só é ativada apenas na presença de íons Mg++ e DNA preexistente. Esse DNA deve fornecer dois componentes essenciais para o processo, um para a função de iniciador (primer) e outro para a função de molde (template).

DNA iniciador: A DNA polimerase não pode iniciar a síntese da cadeia de DNA de novo. Tem uma necessidade absoluta de um 3'-hidroxil livre em uma cadeia preexistente. A DNA polimerase catalisa a formação da ligação fosfodiéster entre a extremidade 3'-OH do último nucleotídeo da cadeia do DNA e o 5'-fosfato do deoxinucleotídeo trifosfatado subsequente. A direção da síntese é sempre 5'→3'. A energia para essa reação é proveniente da quebra do trifosfato.

DNA molde: A DNA polimerase não possui especificidade de sequência, isto é, a enzima requer uma cadeia de DNA molde cuja sequência, por meio das regras do pareamento de bases, dirige a síntese de uma sequência complementar de bases na cadeia sintetizada. O pareamento incorreto causa diminuição da atividade catalítica da DNA polimerase, que também consegue distinguir os deoxinucleotídeos e os ribonucleotídeos trifosfatados.

Todas as DNA polimerases até hoje identificadas atuam no sentido 5'→3'. A presença de íons metálicos é imprescindível para a atividade da enzima. 

INÍCIO DA REPLICAÇÃO

Como dito anteriormente, todas as DNA polimerases conhecidas têm uma necessidade absoluta de uma extremidade 3'-OH, um primer e uma cadeia molde apropriada para a sua atividade. Assim, não existe nenhuma DNA polimerase conhecida que possa iniciar a síntese de uma nova cadeia de DNA. Visto que a síntese de cada fragmento de Okazaki requer um evento de iniciação, um mecanismo eficiente de iniciação de cadeia é essencial para a replicação do DNA. A RNA polimerase, uma enzima complexa que catalisa a síntese de moléculas de RNA a partir de moldes de DNA, é capaz de iniciar a síntese de novas cadeias de RNA em locais específicos do DNA. Quando isso ocorre, é formado um híbrido RNA-DNA no qual o RNA nascente é ligado por pontes de hidrogênio ao DNA. Desde que as DNA polimerases foram capazes de estender cadeias polinucleotídicas contendo um iniciador de RNA (primer) com uma extremidade 3'-OH livre, cientistas em diversos laboratórios começaram a testar a ideia de que a síntese de DNA é iniciada por primers de RNA. 

Atualmente existem evidências definitivas apoiando a proposta de que a síntese de DNA é iniciada por pequenos segmentos de RNA. Esses primers de RNA são substituídos posteriormente por DNA, para isso uma enzima com atividade de exonuclease, a RNAse H, degrada o RNA que está pareado com o DNA, exceto o último nucleotídeo que está ligado ao primeiro deoxinucleotídeo, que é removido por outra exonuclease. A seguir as lacunas são preenchidas pela DNA polimerase completando a fita do DNA. Os fragmentos resultantes são unidos por uma ligação covalente pela DNA ligase (veja a Figura 2.10). A síntese dos primers de RNA é catalisada por enzimas denominadas primases, que apresentam atividades distintas das demais RNA polimerases. Nos procariotos, os primers de RNA possuem 10-60 nucleotídeos de tamanho. Em eucariotos são menores, com aproximadamente 10 nucleotídeos. O uso de primers de RNA é o mecanismo mais comum utilizado para iniciar a síntese de DNA. No entanto, alguns vírus parecem utilizar mecanismos diferentes para o início da síntese de DNA.

Veja na imagem abaixo:

Inicialmente, as cadeias da dupla hélice parental precisam se separar de forma que cada uma sirva de molde para a síntese de uma nova cadeia. A separação das cadeias e o movimento da forquilha de replicação ocorrem progressivamente com as cadeias sendo temporariamente separadas adiante da forquilha de replicação, enquanto esta se move ao longo do cromossomo. Três proteínas diferentes estão envolvidas na separação das cadeias da dupla hélice: 

1. proteínas separadoras de DNA ou helicases − diretamente envolvidas na catálise da separação das duplas hélices; 

2. proteínas ligantes de cadeias simples de DNA (SSBP − Single Strand Binding Proteins) − se ligam fortemente às regiões de DNA de fita simples produzidas pela ação das helicases e ajudam a estabilização necessária para a polimerização. As SSBP se ligam ao DNA como tetrâmeros. O DNA complexado com as SSBP se replica in vitro 100 vezes mais rapidamente que o DNA não complexado. Provavelmente, as cadeias simples não complexadas formam estruturas secundárias que interferem no movimento das DNA polimerases e de outros componentes do complexo de replicação ao longo da molécula; 

3. DNA girases (um tipo de topoisomerase) que catalisam a formação de enrolamentos negativos no DNA, são essenciais para a replicação e supõe-se que desempenham um papel fundamental no processo de desenrolamento, mas seu funcionamento não é conhecido. O superenrolamento é decorrente do processo de separação das fitas

As cadeias de DNA nascentes são iniciadas pelo uso de primers de RNA. A síntese dos primers de RNA é catalisada por uma classe especial de enzimas denominadas primases. A atividade das primases requer a formação de um complexo de primase e ao menos outras seis proteínas, esse complexo é chamado primossomo. O primossomo realiza a primeira reação iniciadora na cadeia leading (contínua) e a seguir a iniciação repetitiva na síntese dos fragmentos de Okazaki na cadeia lagging (interrompida). A extensão covalente das cadeias de DNA durante a replicação do cromossomo da E. coli é realizada pela DNA polimerase III. Subseqüentemente à extensão pela DNA polimerase III na forquilha de replicação, a DNA polimerase I catalisa a remoção dos primers de RNA pela ação conjunta de ação das atividades de exonuclease 3'→5' e polimerase 5'→3', e a DNA ligase catalisa a ligação covalente dos fragmentos de cadeia simples resultantes.

TÉRMINO DA REPLICAÇÃO

Na replicação do DNA, a remoção do último primer acarreta encurtamento da sequência telomérica. Isto acarreta uma limitação quanto ao número de divisões celulares possíveis para uma célula. Quando a perda dessa sequência é significativa, ocorre erosão dos telômeros, causando instabilidade cromossômica na célula. Esse fenômeno está associado à senescência celular. No entanto, algumas células possuem a capacidade de replicar os telômeros, não ocorrendo perda destas sequências. Isto se deve a uma enzima celular denominada telomerase. Essa enzima possui tanto componentes protéicos quanto RNA. Esse componente de RNA serve de molde para a replicação da sequência telomérica na extremidade 3'. Essa DNA polimerase, extraordináriamente, utiliza o RNA como molde, característica presente em uma classe de enzimas denominada transcriptase reversa. Para separar o molde do produto, há um componente da enzima com atividade de RNA-DNA helicase. O controle da atividade da telomerase se dá por proteínas que se ligam à região de fita dupla do telômero.

REFERÊNCIA:

- ALBERTS, B. et al. Molecular Biology of the Cell. 4th. ed. New York: Garland Pub. Inc., 2002.

- GRIFFITHS, a. j. f. et al. Introdução à Genética. 8. ed. Rio de Janeiro: Guanabara-Koogan, 2006.

- LewinEWIN, B. Genes VII. Porto Alegre: Editora Artmed, 2001.

- PURVES, W. K. et al. Vida: a ciência da Biologia. Célula e hereditariedade. 6. ed. Porto Alegre: Artmed, 2002. v. I.

- STRACHAN,T.; READ, A. P. Genética molecular humana. 2. ed. Porto Alegre: Artmed, 2002.