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Replicação do DNA

Última atualização em 19 de agosto de 2022

Definição

A replicação do DNA é um processo que ocorre durante a divisão celular, onde duas moléculas idênticas de DNA são criadas a partir de uma única molécula de DNA. Como um processo semiconservador, uma única molécula contendo dois fios de DNA na formação de hélice dupla é separada, onde cada fita serve como modelo para as novas moléculas de DNA. Como a hélice dupla é anti-paralela e a polimerase de DNA sintetiza apenas o novo DNA de 5′-3 ‘, a fita de modelo Reading 3′-5′ resulta em uma fita contínua e principal, enquanto a fita de modelo Reading 5’-3 ‘Resultados em um fio descontínuo e atrasado. Sendo um processo altamente regulamentado, várias proteínas são necessárias durante e após a replicação para corrigir rapidamente erros e danos.

Fundo

O ácido desoxirribonucleico, conhecido simplesmente como DNA, é o plano de todos os seres vivos. O DNA contém genes que codificam as informações físicas e metabólicas expressas em um indivíduo, enquanto têm o potencial de serem transmitidas para futuros filhos. Quase todas as células têm DNA, que geralmente é armazenado no núcleo. As células notáveis que não possuem DNA incluem células anucleadas (ou células que não possuem núcleo, como glóbulos vermelhos). Além disso, algumas células ainda podem ter DNA, apesar de não terem um núcleo, como nas células bacterianas.

Nucleotídeos de DNA

O DNA é composto por quatro monômeros de bloco de construção que são conhecidos como nucleotídeos. Os nucleotídeos consistem em três grupos:

Todos os nucleotídeos têm o mesmo grupo de açúcar e grupo fosfato, mas diferentes bases nitrogenadas. As bases nitrogenadas no DNA são adenina, guanina, citosina e timina. A adenina e a guanina são classificadas como purinas, enquanto a citosina e a timina são classificadas como pirimidinas. As purinas têm dois anéis em suas estruturas básicas, enquanto as pirimidinas têm um único anel em suas estruturas de base.

(Dica útil: um simples pneumônico para lembrar a adenina e a guanina como purinas é “pura como ouro”!)

Estrutura de DNA

Os nucleotídeos são dispostos em cadeias que se tornam fios individuais de DNA, que é metade de uma molécula completa de DNA. Cada fita possui um esqueleto de açúcar-fosfato que é criado quando o fosfato de um nucleotídeo se liga ao açúcar do próximo usando uma ligação covalente de fosfodiester. Especificamente, o fosfato é encontrado no carbono 5 ‘de um nucleotídeo, enquanto um grupo hidroxila (-OH) é encontrado no carbono 3’ do próximo grupo de açúcar do nucleotídeo. O -OH do carbono 3 ‘é removido, onde o grupo fosfato no carbono 5’ agora também se liga ao carbono 3 ‘.

As bases nitrogenadas se destacam dessa espinha dorsal. Uma segunda fita de DNA é compatível com esta primeira fita com base no emparelhamento de bases de cortesia, onde um único pares de purina com uma única pirimidina. Especificamente, os pares de adenina com pares de timina e guanina com citosina. As ligações de hidrogênio conectam os pares de bases complementares, onde um par de adenina-timina possui duas ligações de hidrogênio e um par de guanina-citosina possui três ligações de hidrogênio. Uma única molécula de DNA resulta em formação de hélice dupla quando duas fios de DNA são correspondentes e ligados.

O DNA possui direcionalidade que pode executar 3′-5 ‘ou 5′-3’ com base nos carbonos no grupo de açúcar. Os dois fios de DNA na hélice dupla devem correr em frente um ao outro de maneira anti-paralela. Portanto, se a primeira fita começar na extremidade 3 ‘e termina na extremidade 5’, a segunda fita deve correr oposta, começando na extremidade 5 ‘e terminando na extremidade 3’.

Exemplo:

3′- atcga -5 ‘

5′- Tagcatt -3 ‘

A replicação do DNA é semiconservadora

O DNA deve ser totalmente replicado antes que as células se dividam via mitose para garantir que todas as células filhas tenham DNA idêntico. Foi descoberto que a replicação do DNA é semiconservadora. Na replicação semiconservadora, a dupla hélice se divide em dois fios separados. Durante o processo de replicação, uma fita totalmente nova de DNA é criada usando a fita de modelo original e correspondendo às bases complementares.

Processo de replicação do DNA

Proteínas na replicação do DNA

A replicação do DNA é altamente regulada e requer que várias proteínas sejam executadas com eficiência. A maioria dessas proteínas atua como estabilizadores e enzimas, com enzimas sendo proteínas que se comportam como catalisadores para criar e acelerar as reações bioquímicas.

Algumas das principais proteínas da replicação do DNA incluem o seguinte:

Helicase: Uma enzima que abre a hélice dupla quebrando as ligações de hidrogênio entre pares de bases complementares

Proteínas de ligação ao DNA de fita única (SSBPs): Essas proteínas estabilizam as cadeias individuais do DNA para impedir que elas se reconectem.

Topoisomerase: Como o desenrolar do DNA pela helicase cria tensão mais abaixo na fita, essa enzima alivia a tensão fazendo cortes no DNA e juntando -os antes que o garfo de replicação chegue.

Primase: Uma enzima que adiciona um primer (que é um segmento curto de ácido ribonucleico, conhecido como RNA) onde a DNA polimerase III se conectará

DNA Polimerase III: Uma enzima que cria a nova fita de DNA adicionando nucleotídeos que são complementares à fita de modelo

DNA polimerase I: uma enzima que substitui o iniciador de RNA por DNA

DNA Ligase: Uma enzima que conecta os fragmentos de Okazaki no fio atrasado fechando o backbone do fosfato de açúcar, criando um único fio de DNA

Grampo deslizante: uma proteína que mantém a DNA polimerase III no lugar

A bolha de replicação

Quando o DNA começa a replicar, é formada uma bolha de replicação que pode ser detectada visualmente por microscopia eletrônica. Uma sequência específica de bases- conhecida como a origem da replicação- determina onde começa essa bolha de replicação. Dentro da bolha, dois garfos de replicação em forma de Y, onde o DNA é replicado ativamente em ambos os lados da região. Os garfos de replicação são formados, pois os fios duplos do DNA são separados pela helicase em ambas as direções da origem da replicação. É no garfo de replicação que as proteínas de replicação de DNA se ligam para cumprir suas funções.

Replicar o fio principal

Como mencionado anteriormente, os fios de DNA têm uma natureza anti-paralela, onde uma fita funcionará 3′-5 ‘e o outro correr em frente a 5′- 3’. A polimerase de DNA pode sintetizar apenas novos fios de DNA na direção 5′-3 ‘. Para que a polimerase de DNA faça isso, ela deve ler a fita de modelo de 3’-5 ‘. Portanto, replicar a fita de modelo que executa 3’-5 ‘resulta na síntese da fita principal. A fita principal é uma nova fita de DNA que é sintetizada em uma única cadeia contínua que começa na extremidade 5 ‘e termina na extremidade 3’.

A replicação do DNA da fita principal quando a fita de modelo de 3′-5 ‘é usada é a seguinte:

Replicar o fio de atraso

A polimerase de DNA pode criar apenas novos fios de DNA a partir de 5′-3 ‘. Portanto, quando a fita de modelo 5’-3 ‘está sendo replicada- onde a nova fita deve correr oposta na direção 3′-5′- a nova fita não pode ser sintetizada de maneira contínua como a fita principal era. Para superar esse desafio, são necessárias etapas adicionais para replicar a fita de modelo 5’-3 ‘, onde essa fita recém-sintetizada é conhecida como a fita atrasada.

Para que a fita atrasada seja sintetizada, o DNA precisa ser dividido em segmentos menores conhecidos como fragmentos de Okazaki. Devido a esses múltiplos segmentos, a fita atrasada também é conhecida como fita descontínua. Ao criar esses múltiplos segmentos, a DNA polimerase III é capaz de sintetizar uma pequena porção da nova fita de DNA do garfo de replicação na direção correta 5′-3 ‘. À medida que o garfo de replicação continua na hélice dupla na direção 3 ‘da fita do modelo, outro fragmento de Okazaki pode ser criado mais próximo do garfo. A DNA polimerase III se liga novamente para sintetizar outra parte da nova fita de DNA do garfo até atingir a parte anterior já sintetizada. Esses fragmentos são então conectados, resultando em uma única fita de DNA. Esse processo continua por todo o comprimento do DNA.

A replicação do DNA da fita atrasada quando a fita de modelo 5′-3 ‘é usada é a seguinte:

Prokaryotes vs. Eucaryotes

A replicação do DNA em geral é bastante conservada ao longo da vida. No entanto, existem diferenças gerais nas enzimas e mecanismos utilizados, bem como o tempo necessário entre as espécies. As maiores diferenças estão entre os domínios dos procariotos (bactérias e archaea) e eucariotos (todas as outras células vegetais e animais).

Pequenas diferenças entre esses grupos incluem tempo de replicação mais rápido em procariontes e fragmentos mais curtos de Okazaki nos eucariotos. Além disso, os procariontes têm apenas uma única origem de replicação, enquanto os eucariotos têm várias origens de replicação. A diferença mais notável entre esses grupos, no entanto, é que os procariontes têm DNA circular, enquanto os eucariotos têm DNA linear. O DNA eucariótico linear cria um desafio adicional que deve ser regulamentado. Isso nos leva aos telômeros.

Telômeros

Como o DNA eucariótico é linear, eles têm fins que criam um desafio. Para a fita principal, a DNA polimerase III pode continuar por todo o comprimento do DNA. No entanto, na fita atrasada, um primer deve ser adicionado na frente do fragmento de Okazaki sendo sintetizado antes que a DNA polimerase III possa anexar e sintetizar a nova fita de DNA oposta ao garfo de replicação. Uma vez que o último fragmento de Okazaki é sintetizado, um pequeno segmento de DNA é restante na ponta da fita. Este segmento não pode ser deixado sem vigilância. Se esse DNA não for replicado, o material genético será perdido toda vez que ocorre a replicação. Após vários ciclos de replicação, isso pode resultar em informações perdidas que podem ser críticas para o indivíduo sobreviver.

Para resolver esse problema, os telômeros estão presentes nos eucariotos. Os telômeros são curtos, segmentos repetidos de DNA encontrados no final de cada cromossomo e não contêm nenhuma sequência de codificação. Esses telômeros são sintetizados pela telomerase, que é uma enzima que contém um modelo de RNA curto usado para estender o comprimento da fita atrasada. Os iniciadores são colocados no telômer, onde a DNA polimerase III pode se conectar para sintetizar a parte final do DNA sobera na fita atrasada.

A replicação dos telômeros na fita atrasada é a seguinte:

Os telômeros afetam a idade celular

A telomerase é mais comumente ativa em tipos de células que se dividem rapidamente, como com células embrionárias, células -tronco, células espermáticas e células imunes. Na maioria dos outros tipos de células, a atividade da telomerase é desligada e os telômeros ficam mais curtos a cada replicação do DNA. Isso significa que as células têm um número limitado de vezes que são capazes de se dividir por mitose antes que os sinais sejam enviados para evitar mais divisões e danos ao DNA. Como resultado, as células têm idade.

A pesquisa descobriu que o aumento do comprimento dos telômeros também pode aumentar a vida útil da célula. Embora isso ofereça um tratamento potencial para doenças celulares limitando o crescimento, infelizmente também ajuda a persistência e a sobrevivência do câncer. Aproximadamente 90% das células cancerígenas têm mutação para ativar a atividade da telomerase em tipos de células, onde deve ser desligada. Isso causa outro mecanismo no qual as células cancerígenas podem continuar se dividindo sem controle e se tornar imortalizadas. A pesquisa está em andamento para determinar se/como a atividade desativada da telomerase pode diminuir ou interromper a progressão do câncer.

Reparo e dano ao DNA

Replicação incorreta

A replicação do DNA deve ser rápida, mas também deve ser extremamente precisa. A replicação do DNA ocorre trilhões de vezes em um único humano. Mesmo se houvesse apenas um erro em cada replicação, isso somaria trilhões de erros que poderiam ser prejudiciais à vida do indivíduo. Então, como os erros são regulados?

A primeira maneira que isso é feito é pela revisão de DNA polimerase seu próprio trabalho. Cada par de nucleotídeos complementares tem uma forma distinta. Portanto, quando a base errada é colocada, a forma é diferente o suficiente para que a polimerase de DNA possa reconhecer seu próprio erro. A polimerase de DNA pode então cortar essa correspondência errada e substituí -la pela base correta.

Enquanto a polimerase de DNA é capaz de revisar seu próprio trabalho, às vezes os erros ainda ficam errados. Uma vez que a polimerase de DNA continue no comprimento da fita, as proteínas de reparo de incompatibilidade são capazes de editar erros adicionais. Usando marcadores na antiga fita do DNA, as proteínas de reparo de incompatibilidade podem distinguir erros de sequência na nova fita. Eles então removem o nucleotídeo incompatível e o substituem de acordo. Com a revisão da polimerase de DNA e as proteínas de reparo de incompatibilidade corrigindo erros adicionais, há aproximadamente um erro para cada 1 bilhão de nucleotídeos sintetizados.

Dano ambiental

Fatores ambientais- tal radiação UV, raios-X e exposição química- podem danificar o DNA. Por exemplo, a radiação UV encontrada na luz solar e nas cabines de bronzeamento pode criar um dímero de timina onde duas bases de timina próximas uma da outra formam uma ligação covalente. Assim, isso cria uma colisão na fita de DNA que impede que a polimerase de DNA sintetize além desse ponto. Essas circunstâncias podem se tornar prejudiciais e os sistemas devem ser implementados para reparar danos como esse.

No caso da radiação UV, as células eucarióticas adaptaram um sistema de reparo de excisão de nucleotídeos capazes de detectar deformidades na forma da hélice do DNA. Pelo menos 18 proteínas diferentes trabalham juntas para remover essa deformidade, usando a fita não danificada como modelo para reparar a fita danificada. As células procarióticas têm um sistema de reparo de excisão de nucleotídeos mais simples, mas semelhante, que requer apenas três proteínas. No entanto, para a radiação UV especificamente, os procariontes usam uma enzima conhecida como fotolase para detectar esse dano e fazer reparos.

Conclusão

A replicação do DNA é um processo molecular altamente regulado, onde uma única molécula de DNA é duplicada para resultar em duas moléculas de DNA idênticas. Como processo semiconservador, a dupla hélice é dividida em dois fios, onde cada fita serve como modelo para a fita recém -sintetizada, combinando bases complementares. Como a DNA polimerase III pode sintetizar apenas os novos fios de 5′-3 ‘, isso resulta em uma fita principal que é continuamente sintetizada e uma fita atrasada que requer o uso de fragmentos de Okazaki. Enquanto isso, como os eucariotos têm DNA linear, são necessários telômeros para garantir que as informações genéticas não sejam perdidas durante a replicação. Como o DNA é fundamental para a vida, a pesquisa continua a entender e tratar melhor as doenças causadas por mutações e danos no DNA de um indivíduo.

Questionário

1. No DNA de fita dupla, com qual nucleotídeo a adenina combina?

2. Que direção a DNA polimerase sintetiza novos fios de DNA?

3. Quando a fita principal está sendo sintetizada, em que direção é a fita do modelo?

4. Quando a fita atrasada está sendo sintetizada, que direção é a fita do modelo?

5. O DNA polimerase sintetiza novos fios, combinando pares de bases complementares de uma fita de modelo de DNA externa. No entanto, não há um modelo externo para a telomerase usar ao sintetizar os telômeros. Como a telomerase reconhece quais bases adicionar à fita atrasada e por onde começar?

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Bibliografia

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Freeman, S., Quillin, K., Allison, L. A., Black, M., Podgorski, G., Taylor, E., & Carmichael, J. (2017). “Ciência biológica (sexta edição.).” Boston: Pearson Learning. Miesfeld, R. & McEvoy, M. (2017). “Bioquímica (edição preliminar).” Nova York: W.W. Norton & Company. Srinivas, N., Rachakonda, S., & Kumar, R. (2020). “Telômeros e comprimento dos telômeros: uma visão geral.” Câncer, 12 (3), 558.

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