A Replicação do DNA

Já sabemos quem é o DNA e para quê ele serve. Porém, para entendermos bem a evolução, necessita-se compreender este mecanismo para posteriormente ser discutida a mutação.

Duplicação ou replicação do DNA, como sugere-se, é fazer uma nova molécula a partir de um molde. Quando ocorre a cariogênese (fusão do núcleo dos gametas masculino e feminino), temos a formação de um zigoto (uma única célula com o conjuntos diploide de cromossomos).  Porém, como no nosso caso, somos seres compostos por trilhões de células, cujo todas com a mesma sequência de DNA. Portanto, o zigoto sofrerá sucessivas divisões, passar por diferenciação celular e crescer até se tornar um indivíduo adulto. E antes de dividirem-se, as células duplicam o DNA, bem como outras estruturas. Já se questionou como que todas as células do nosso indivíduo hipotético possuem a mesma sequência nucleotídica? É isto que veremos a seguir.

O zigoto e as clivagens. Fonte: https://oimedicina.files.wordpress.com/2012/02/clivagem.jpg?w=714

Conceitos importantes:

• O DNA é uma molécula dupla-fita helicoidal: o pareamento adenina-timina e citosina-guanina unem duas cadeias formadas por fosfatos, açúcares desoxirribose e os nucleotídeos já citados. 
• As fitas são antiparalelas: em uma extremidade temos um fosfato associado ao carbono 5'do açúcar pentose e na outra tem-se uma hidroxila (OH^-) no carbono 3' do açúcar. Diz-se então que o DNA as fitas são antiparalelas, pois uma corre no sentido 5'-3' e outra no sentido 3'-5'. 
• Ligações de hidrogênio permite que os nucleotídeos se anelem: antigamente chamadas de pontes de hidrogênios, são interações intermoleculares muito fortes que unem os nucleotídeos. A adenina é complementar à timina pois nelas é possível ter duas ligações de hidrogênio. A citosina é complementar à guanina pois nelas é possível ter três ligações de hidrogênio.
• As duas fitas do DNA são utilizadas como molde: logo, é bidirecional. 
• Forquilha de replicação: quando as duas fitas se desassociam numa região, forma-se uma espécie de bolha, conhecida como forquilha de replicação.
• A replicação é semi-conservativa: as duas fitas se abrem e formam duas moléculas, onde em cada molécula tem uma fita antiga e uma fita nova.
• Enzimas: proteínas que aceleram as reações bioquímicas sem alterar os produtos.

A replicação e as suas enzimas. Fonte: http://www.biorede.pt/page.asp?id=1160

Primeiro passo - separar momentaneamente as fitas para formar a forquilha de replicação: A helicase é a enzima envolvida na separação, desestabilizando as ligações de hidrogênio dos nucleotídeos. Porém, a tendência é que as ligações se restabeleçam para entrarem em equilíbrio, mas pequenas proteínas chamadas de SSB's (single strand binding) mantém as duas fitas separadas estabilizadas. A enzima Topoisomerase alivia a tensão do DNA, destorcendo-a. Imagine que o DNA é um barbante enrolado sobre um carretel, a Topoisomerase desenrolará o DNA do carretel para que seja possível manuseá-lo.

O modelo de replicação semi-conservativo. Fonte: http://members.tripod.com/never_clone_alone/at2/at2.htm

Segundo passo - adicionar o primer: Primer é uma pequena sequência de nucleotídeos de RNA: Ué, mas RNA? Sim, RNA. Trata-se de DNA, mas o primer é de RNA, e é considerado um fóssil molecular, todavia não é o assunto discutido hoje. O primer é necessário para iniciar a síntese da nova molécula, pois a enzima DNA-polimarease precisa de uma extremidade OH^- para adicionar os nucleotídeos. O primer é adicionado pela Primase.

Terceiro passo - Adicionar nucleotídeos: Não havia comentado antes aqui no blog, mas proteínas, carboidratos e ácidos nucleicos são classificados como polímeros. Suas subunidades são monômeros (aminoácido - proteína, monossacarídeos - polissacarídeos e nucleotídeos - ácidos nucleicos). Pela etimologia, entendemos que a DNA-polimerase forma o polímero de DNA adicionando nucleotídeos na nova cadeia a ser formada. Para ela funcionar, precisa de dois sinais: a extremidade hidroxila OH^-  livre, por isso necessita-se do primer, para disponibilizar esse sinal; a escolha do nucleotídeo para adicionar da reação, o reconhecimento é feito pelo pareamento A-T e C-T possível pela quantidade de ligações de hidrogênio que os nucleotídeos podem fazer. A DNA-ligase faz a ligação dos nucleotídeos adicionados pela DNA-polimerase.

Representação da replicação. Destaque para os fragmentos de Okasaki. Fonte: http://members.tripod.com/never_clone_alone/at2/at2.htm

Quarto passo - Terminar a reação: Em eucariotos, quando o DNA está no seu mais alto grau de compactação, temos os cromossomos. Nas extremidades dos cromossomos, estão localizados os telômeros que são uma sequência repetitiva de nucleotídeos, que varia entre as espécies. Essas sequências são um sinal para terminar a reação.

Cromossomos e a região telomérica. Fonte: http://www.biorede.pt/page.asp?id=1160

Fragmentos de Okasaki

Devido a necessidade da extremidade 3' livre na hidroxila, o crescimento do DNA é 5-'3'. Mas as duas fitas são antiparalelas, pois uma fita ocorre neste sentido enquanto a outra no sentido 3'-5'. A solução é a formação dos fragmentos de Okasaki. Okasaki foi o pesquisador que descreveu este processo. A alternativa é ter vários primers pareados no DNA molde com uma certa distância, permitindo que a DNA-polimerase vá "costurando" a fita. Desta forma, a replicação é semi-descontinua, pois na fita de sentido 5'-3' é contínua (sem fragmentos) e na fita de sentido 3'-5' é descontinua.

Informações adicionais

A DNA-polimerase em eucariotos adiciona 2.000 nucleotídeos/minuto. Já em procariotos, o processo é mais veloz, alcançando a marca de 50.000 nucleotídeos/minuto.

Em eucariotos, para amplificar a replicação, tem-se várias origens de replicação, que são os locais onde formam-se as forquilhas de replicação. Em procariotos, só há uma origem de replicação, mas como o seu genoma é muito menor e circular, é extremamente rápido.

A DNA-polimerase erra na taxa de 1 para 1010 nucleotídeos. Porém, além da capacidade de polimerização, ela também possui um sistema de reparo. Mas até mesmo este sistema de reparo falha, que é o que conhecemos como mutação.

Na região telomérica da fita descontínua fica faltando uma porção a ser replicada devido a ausência do primer. Existe uma enzima conhecida como Telomerase, que compensa esse pedaço. Em células somáticas tem muito pouca ou nenhuma telomerase. Em células germinativas por razões óbvias é o contrário. Imagine o teu gameta formando um zigoto com um pedaço do DNA faltando. E é por isso que existe o telômero: uma sequência repetitiva de nucleotídeos que não são codificados, que permite que ocorram várias replicações para que se chegue no DNA que precisa ser codificado. 

Posted in: ácidos nucleicos, biologia molecular, bioquímica, duplicação, evolução, genética, material genético