Principais princípios e etapas do processo
A replicação baseia-se em um mecanismo matricial. Isso significa que uma molécula de DNA atua como um molde (matriz), com base no qual é sintetizada outra molécula com uma estrutura absolutamente complementar. O processo é semiconservativo: cada espiral filha consiste em uma fita intacta (conservativa), herdada da molécula parental, e uma recém-sintetizada.
De forma global, distinguem-se três etapas da replicação:
- Iniciação. Montagem do complexo enzimático em locais específicos de início do DNA. É principalmente nessa etapa que ocorre a regulação de toda a replicação.
- Elongação. O alongamento direto da cadeia polinucleotídica.
- Terminação. A conclusão do processo de duplicação.
Estrutura da forquilha de replicação e síntese assimétrica
Para iniciar a síntese, as proteínas iniciadoras ligam-se ao DNA, a dupla hélice é desenrolada e as ligações de hidrogênio entre as bases nitrogenadas são rompidas. Forma-se a forquilha de replicação, uma estrutura em forma de Y que se move sequencialmente ao longo do DNA. Como as enzimas só conseguem construir uma nova fita em uma única direção (da extremidade 5' para a 3'), a síntese ocorre de maneira assimétrica e é semidescontínua:
- Fita líder (Leading strand). É sintetizada de forma contínua, pois sua direção coincide com a direção do movimento da forquilha de replicação. Requer apenas um evento inicial de iniciação.
- Cadeia retardada (Lagging strand). É sintetizada de forma descontínua em pequenos fragmentos (chamados de fragmentos de Okazaki), uma vez que a direção da síntese aqui é oposta ao movimento da forquilha. O comprimento desses fragmentos em procariotos é de 1000–2000 pares de nucleotídeos, e em eucariotos, de 100–200 pares de nucleotídeos.
Aparelho enzimático
O modelo semiconservativo é assegurado pelo trabalho bioquímico complexo de todo um complexo de enzimas (com gasto de energia de ATP):
- DNA-helicase. Desenrola a dupla hélice, quebrando as ligações de hidrogênio entre as fitas.
- Proteínas SSB (proteínas desestabilizadoras). Ligam-se ao DNA monocatenário resultante. Elas não cobrem as bases nitrogenadas, mas evitam o reanelamento das fitas.
- DNA-topoisomerase. Alivia a supertorção (tensão mecânica à frente da forquilha). A enzima faz um corte de uma única fita, permite que a fita gire e a ressolda novamente.
- RNA-primase. Sintetiza um pequeno iniciador de RNA (primer). Isso é necessário porque a principal enzima de síntese não pode começar a trabalhar "do zero" — ela precisa de uma extremidade 3'-OH livre.
- DNA-polimerase. A principal enzima que alonga a cadeia polinucleotídica (estritamente 5' → 3'). Também possui atividade nuclease: a atividade 5'-3'-endonucleásica é necessária para remover os primers de RNA, enquanto a 3'-5'-endonucleásica exerce uma função corretiva (remove nucleotídeos errôneos).
- DNA-ligase. Elimina as lacunas entre os fragmentos de Okazaki na fita tardia, restaurando uma ligação fosfodiéster forte.
Características da replicação em procariotos e eucariotos
Os procariotos (por exemplo, E. coli) possuem um mecanismo monoreplicônico. Eles têm apenas um ponto de início de replicação (ori, do inglês origin), consistindo em sequências tandem altamente conservadas. A partir desse ponto, a síntese prossegue em duas direções com a mesma velocidade até a duplicação completa do cromossomo. São conhecidos 5 tipos de DNA-polimerases (I, II, III, IV, V) responsáveis pela replicação e reparo.
Os eucariotos distinguem-se por um mecanismo polireplicônico. A replicação inicia-se de forma bidirecional em vários pontos simultaneamente — ARS (sequências autonomamente replicantes). A região entre pontos vizinhos é chamada de replicon (centenas de replicons participam do processo). À medida que a síntese ocorre, eles formam "olhos de replicação", que posteriormente se fundem. Nos eucariotos, funcionam 7 tipos de polimerases: $\alpha, \beta, \gamma, \delta, \epsilon, \zeta, \eta$, localizadas no núcleo, mitocôndrias e plastídios.
Resumo: perguntas e respostas sobre o tema
Quais funções específicas os diferentes tipos de DNA-polimerases desempenham nos eucariotos (alfa, delta, épsilon, etc.)?
Nos eucariotos, as DNA-polimerases garantem a síntese de novas fitas e participam da replicação e do reparo do material genético. São conhecidos 7 tipos dessas enzimas ($\alpha, \beta, \gamma, \delta, \epsilon, \zeta, \eta$), localizadas no núcleo, mitocôndrias e plastídios.
Funções das polimerases descritas nas fontes:
- DNA-polimerase $\alpha$ — possui atividade de primase, sintetiza o primer de RNA (iniciador) para dar início à síntese de DNA.
- DNA-polimerase $\delta$ — atua como a principal enzima replicativa, catalisando a síntese da fita líder, bem como a elongação da fita tardia.
- DNA-polimerase $\beta$ — participa dos processos de reparo.
As funções específicas das polimerases $\epsilon, \gamma, \zeta$ e $\eta$ não são detalhadas nos materiais fornecidos.
Para memorizar as enzimas da forquilha em ordem: Helicase "Acelera" (desenrola), Primase "Convida" (coloca o iniciador), Polimerase "Imprime" (constrói a cadeia), Ligase "Modela" (une os fragmentos).
Questões de aulas e exames
Por que a síntese na fita atrasada ocorre de forma descontínua?
A DNA polimerase é capaz de adicionar nucleotídeos em apenas uma direção — da extremidade 5' para a 3'. Como as fitas de DNA são antiparalelas e a forquilha de replicação se abre em uma única direção, a síntese na fita atrasada é forçada a ocorrer de trás para frente em curtos trechos (fragmentos de Okazaki).
Para que servem os primers de RNA se o que está sendo sintetizado é DNA?
A DNA-polimerase não sabe iniciar a síntese da fita por conta própria; ela definitivamente precisa de uma extremidade 3'-OH livre para fixar o primeiro nucleotídeo. A RNA-primase não tem essa desvantagem e pode criar um iniciador inicial em um molde vazio.
O que acontece com os primers de RNA no final da replicação?
Eles não permanecem como parte do DNA maduro. As enzimas (por meio da atividade 5'-3'-endonucleásica) removem os primers, as lacunas formadas são preenchidas com desoxirribonucleotídeos e a DNA-ligase une as rupturas restantes.
O que mais estudar sobre o tema
- O mecanismo de remoção da supertorção por meio da DNA-topoisomerase
- A função corretiva das DNA-polimerases (atividade 3'-5'-endonucleásica)
- Pontos de início da replicação: estrutura das regiões ori e ARS
- Funções específicas de vários tipos de DNA-polimerases (I–V em E. coli e α–η em eucariotos)
- Fusão de replicons e a configuração espacial do olho de replicação
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