Replicação do DNA

Já mostrei aqui que o DNA codifica todas as proteínas necessárias à sobrevivência e desenvolvimento de qualquer organismo. Mas como é que ele é mantido de pais para filhos?

Para responder a esta pergunta é necessário saber que praticamente todas as células se dividem, até as do nosso corpo. Nos não somos um sistema constante em que nada muda. Para além de estarmos constantemente a trocar substâncias com o ambiente (receber nutrientes e oxigénio e libertar os produtos da digestão pelas fezes e urina e através dos pulmões) como as nossas células estão constantemente a ser renovadas. As células do nosso corpo estão constantemente a morrer e a dividir-se, mantendo o número de células necessárias ao organismo. A maior parte das células morre por um processo chamado de morte celular programada, mais conhecida por apoptose. Este processo serve principalmente para manter o número de células no organismo (há um equilíbrio entre a taxa de divisão e a taxa de morte celular) e para o organismo eliminar células desnecessárias (por exemplo no desenvolvimento fetal, em que se dá a apoptose de muitas células para dar a forma a estruturas como as mãos). Por exemplo, se houver um aumento da divisão celular (com a administração de determinadas drogas, por exemplo), a taxa de morte celular aumenta para manter o tamanho, forma e estrutura dos órgãos. [1]

Resumindo, as nossas células estão em constante processo de divisão e morte.

O que leva a que o DNA tenha de ser passado da célula mãe para as células-filhas, de uma forma a que se mantenha mais ou menos constante no organismo. Para isto, tem que ser feita uma cópia do genoma completo de cada célula, sempre que ela se divide. A este processo chama-se replicação do DNA.

O processo de replicação do DNA dá-se de forma semelhante ao da transcrição, ou seja, através da complementaridade dos pares de bases. De forma análoga à síntese proteica, cada uma das cadeias de DNA serve de “molde” para a criação das cadeias novas, resultando em duas duplas cadeias completas, cada uma com uma das cadeias que as originaram e, por isso, diz-se que a replicação é semi-conservativa (Figura 1). [2]

Figura 1 – Representação da semi-conservação do DNA. Imagem de [3].
Figura 1 – Representação da semi-conservação do DNA. Imagem de [2].

A replicação dá-se sempre de 3’ para 5’, desde a origem de replicação aos telómeros (“pontas” dos cromossomas, constituídos por sequências repetidas de nucleótidos).

As origens de replicação são sequências específicas de nucleótidos reconhecidos por proteínas específicas para a iniciação da replicação, que se ligam a estes. Em eucariotas mais simples como as leveduras, são sequências de nucleótidos específicas, enquanto que nos humanos têm sido difíceis de identificar. Estes locais são, também, mais ricos em adenina e timina que, como fazem apenas duas pontes de hidrogénio entre si que fazem com que as cadeias de DNA sejam mais fáceis de separar. [3]

Às proteínas de iniciação liga-se uma enzima chamada helicase, que separa as duas cadeias em ambas as direções, formando “garfos” de replicação (Figura 2), e permitindo que outra enzima, chamada primase se ligue ao DNA, que vai produzir uma pequena cadeia complementar de RNA, chamada primer. Esta cadeia de RNA é necessária para que a DNA polimerase (a enzima que junta novos nucleótidos à cadeia que esta a ser formada) possa iniciar a sua função, dando inicio à fase de elongação.

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Figura 2 – Garfos de replicação. A Cadeia parental corresponde à cadeia original de DNA e a Cadeia-filha corresponde à cadeia emergente, nova, de DNA. Está, também, representada a direção da replicação, pelas setas azuis. No centro (não representada) está a origem de replicação. Imagem de [2].
Figura 2 – Garfos de replicação. A Cadeia parental corresponde à cadeia original de DNA e a Cadeia-filha corresponde à cadeia emergente, nova, de DNA. Está, também, representada a direção da replicação, pelas setas azuis. No centro (não representada) está a origem de replicação. Imagem de [4].

A DNA polimerase apenas pode acrescentar nucleótidos a uma cadeia já existente, mas não consegue pôr nucleótidos onde ainda não existe nenhuma cadeia de ácidos nucleicos (ou seja, não consegue fazer a síntese do DNA de novo – expressão que significa de raiz). A dada altura, estes primers de RNA são eliminados e substituídos por DNA pela ação de uma enzima RNase, que degrada o RNA dos híbridos de DNA e RNA, e pela ação de outra DNA polimerase (de ambas estas enzimas há vários tipos, que têm funções diferentes). [5]

Então, mas a replicação ocorre sempre de 3’ para 5’, certo? Ora, uma das cadeias é sempre aberta de 5’ para 3’. Como é que a replicação pode ocorrer de 3’ para 5’ nesta cadeia?

Uma das cadeias de DNA é formada de forma contínua, enquanto que a outra é de forma descontínua (Figura 3). Ou seja, uma inicia-se num único primer (formado junto à origem de replicação) e é sempre adicionado um nucleótido a seguir ao outro, formando uma cadeia sempre contínua, sem interrupções (é a cadeia líder ou contínua).

Figura 3 – Vista geral da replicação do DNA. Em baixo pode-se ver a formação da cadeia atrasada em todas as suas fases desde a formação do primer à ligação do mesmo à cadeia nascente (entre 2 e 1). Imagem de [1].
Figura 3 – Vista geral da replicação do DNA. Em baixo pode-se ver a formação da cadeia atrasada em todas as suas fases desde a formação do primer à ligação do mesmo à cadeia nascente (entre 2 e 1). Imagem de [6].

Na outra cadeia (a cadeia atrasada), os primers vão sendo adicionados à medida que as cadeias são separadas. Estes primers são estendidos pela DNA polimerase, formando os fragmentos de Okazaki (Figura 4), que são ligados uns aos outros por uma DNA ligase depois dos primers serem substituídos por desoxirribonucleótidos (nucleótidos do DNA, em oposição aos ribonucleótidos do RNA). [2, 5]

Figura 4 – Formação e ligação dos fragmentos de Okazaki, e formação da cadeia atrasada. Imagem de [3].
Figura 4 – Formação e ligação dos fragmentos de Okazaki, e formação da cadeia atrasada. Imagem de [2].

Este processo decorre até se chegar aos telómeros. A DNA polimerase não é capaz de replicar os extremos 5’ da molécula de DNA, pelo que é necessário outro mecanismo. Para este efeito existe a telomerase, uma enzima capaz de alongar a ponta 5’ do DNA sem que seja necessária uma cadeia molde. No entanto, esta enzima apenas é capaz de adicionar sequencias repetidas de nucleótidos servindo para manter os telómeros e, assim, manter as pontas dos cromossomas intactas. [2]

Todo este processo é acompanhado por uma série de mecanismos de revisão e correção do DNA, para evitar que se incorporem mutações nas cadeias novas e, assim, evitar a alteração da informação nelas contida. Assim, o DNA pode ser passado de célula para célula com o mínimo de modificações.

 

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Referências

  1. Alberts, B., A. Johnson, and J. Lewis, Programmed Cell Death (Apoptosis), in Molecular Biology of the Cell. 2002, Garland Science: New York.
  2. Alberts, B., A. Johnson, and J. Lewis, DNA Replication Mechanisms, in Molecular Biology of the Cell. 2002, Garland Science: New York.
  3. Alberts, B., A. Johnson, and J. Lewis, The Initiation and Completion of DNA Replication in Chromosomes, in Molecular Biology of the Cell. 2002, Garland Science: New York.
  4. DNA REPLICATION AND REPAIR. [cited 2016; Available from: http://www.sparknotes.com/biology/molecular/dnareplicationandrepair/section1.rhtml.
  5. Cooper, G., DNA Replication, in The Cell: A Molecular Approach. 2000, Sinauer Associates: Sunderland (MA).
  6. MIT alumni. DNA Replication. 2015; Available from: http://crosslinks.mit.edu/topic/dna-replication/.

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