Iniciação da replicação e preparação do molde
A duplicação do cromossomo bacteriano não pode começar em um local aleatório. O local de ancoragem do complexo de replicação é uma região estritamente definida — origin (origem de replicação). A sequência específica de nucleotídeos nessa zona promove o desenrolamento inicial da dupla hélice. A partir dessa região, uma ou duas forquilhas de replicação podem iniciar o movimento, e o processo continuará até a duplicação completa de toda a molécula.
Para a separação bem-sucedida das fitas de DNA parental, atua todo um conjunto de proteínas:
- Helicase — enzima que desenrola fisicamente a dupla hélice no ponto de ramificação. Esse processo requer um gasto significativo de energia.
- Topoisomerase (girase) — alivia a tensão estrutural e previne a formação de voltas secundárias (superenovelamento) à frente da forquilha em movimento.
- Proteínas SSB (Single-Strand Binding proteins) — ligam-se imediatamente às regiões de fita simples expostas. Impedem que o DNA volte a se fechar em hélice e protegem de forma confiável as fitas vulneráveis contra a degradação por nucleases.
Mecanismo bioquímico de síntese e o papel do primer
A síntese direta das novas fitas é realizada pela enzima DNA polimerase. No entanto, essa enzima possui uma limitação bioquímica importante: ela é capaz de adicionar novos nucleotídeos exclusivamente ao grupo 3'-hidroxila (extremidade 3') de uma cadeia já existente. A DNA polimerase não consegue iniciar a síntese «do zero».
Para começar, ela precisa de uma escorva especial — o primer. Essa função é assumida por uma curta cadeia de RNA que é totalmente complementar ao molde de DNA. Essa escorva é sintetizada pela enzima DNA primase (ou RNA primase). A exclusividade da primase é que ela consegue iniciar a síntese de RNA em um DNA de fita simples sem qualquer suporte prévio. Como resultado, na extremidade 5' de cada nova fita sempre há ribonucleotídeos inicialmente presentes, e somente após a inserção deles é que a DNA polimerase pode prosseguir com a extensão completa da fita.
Assimetria da forquilha de replicação
Como as duas fitas na molécula de DNA são antiparalelas entre si e a síntese só pode ocorrer na direção de 5' para a extremidade 3', os processos nas duas fitas ocorrem de maneira fundamentalmente diferente. Na forquilha de replicação, distinguem-se duas fitas:
- Fita líder (Leading strand). Aqui, a direção da síntese coincide totalmente com o vetor de desenrolamento da hélice. Portanto, a DNA polimerase move-se logo atrás da helicase de forma contínua, montando uma fita longa e íntegra.
- Fita retardada (Lagging strand). Nesta fita, a direção da síntese é oposta à direção do movimento da forquilha de replicação. A síntese é forçada a ocorrer de maneira descontínua, em pequenos trechos separados que foram denominados fragmentos de Okazaki.
Maturação da fita retardada e divisão celular
Para que a fita retardada se transforme em uma molécula contínua completa, ela deve passar pelo estágio de maturação. Primeiro, todos os primers de RNA utilizados para iniciar cada fragmento de Okazaki são removidos dela. As lacunas vazias resultantes são preenchidas com alta precisão pela DNA polimerase. Na etapa final, a enzima DNA ligase une os fragmentos dispersos em uma única cadeia covalente.
A conclusão do ciclo de replicação cromossômica é o sinal para o início da divisão da célula bacteriana. Nas bactérias, a segregação (separação) do nucleoide ocorre sem a participação do fuso mitótico característico dos eucariotos. As fitas de DNA recém-sintetizadas fixam-se à membrana citoplasmática. Existe uma forte correlação espacial entre esses pontos de fixação e a zona de crescimento ativo da parede celular. Conforme a membrana cresce, ela «separa» fisicamente as duas cópias do genoma ancoradas em direção aos polos das futuras células-filhas. Essa divisão binária garante, em última análise, o crescimento da população bacteriana em progressão geométrica.
Resumo: perguntas e respostas sobre o tema
Quais tipos de DNA polimerase são encontrados em bactérias e quais são suas principais funções?
Nas bactérias (usando E. coli como exemplo), existem 5 tipos de DNA polimerase (I, II, III, IV, V). Em várias combinações, essas enzimas são responsáveis pela replicação e reparo do DNA.
- DNA polimerase I — remove os primers de RNA através da atividade exonucleásica e preenche as lacunas resultantes com desoxirribonucleotídeos.
- DNA polimerase III — estende a cadeia de DNA a partir do primer, formando os fragmentos de Okazaki na fita retardada.
As funções dos demais tipos (II, IV, V) não são detalhadas especificamente, mas, no geral, elas garantem os processos de síntese e restauração do material genético.
Qual enzima é responsável pela remoção dos primers de RNA na fita retardada em bactérias?
A remoção dos primers de RNA na fita retardada é realizada por enzimas que possuem atividade de nuclease.
- DNA polimerase I — remove os primers de RNA devido à atividade exonucleásica e preenche as lacunas resultantes com desoxirribonucleotídeos.
- 5'-3' endonuclease — participa da remoção da escorva de RNA (primer).
Após a remoção das escorvas de RNA, as lacunas resultantes são preenchidas pela DNA polimerase, e os fragmentos de Okazaki individuais são unidos pela DNA ligase em uma única fita.
Helicase — Hacker (invade e desenrola a hélice). Topoisomerase — Freio (freia o superenovelamento, alivia a tensão). Primase — Primeiro (coloca o primeiro primer). Polimerase — Mestre de obras (constrói a cadeia principal). Ligase — Fita adesiva (cola os fragmentos de Okazaki).
Questões de aulas e exames
Por que a DNA polimerase não pode iniciar a síntese por conta própria?
O mecanismo bioquímico de ação da DNA polimerase requer a presença de uma extremidade 3' livre (grupo 3'-hidroxila) para a adição de um novo nucleotídeo. Portanto, ela sempre precisa de uma plataforma de início na forma de um primer de RNA sintetizado pela primase.
O que são os fragmentos de Okazaki?
Estes são trechos curtos de DNA novo que são sintetizados na fita retardada. Sua formação descontínua ocorre porque a síntese prossegue na direção 5'→3', o que é oposto à direção de desenrolamento da forquilha de replicação.
Como as cópias do cromossomo se separam entre as células se as bactérias não têm fuso de divisão?
As cópias de DNA sintetizadas fixam-se à membrana citoplasmática. Devido ao crescimento ativo da membrana e da parede celular entre os pontos de fixação do cromossomo, estes são fisicamente separados em direções opostas das células-filhas em formação.
O que mais estudar sobre o tema
- Características estruturais e sequência de nucleotídeos da região origin
- Composição detalhada do complexo de mais de 20 enzimas que garantem a duplicação
- Mecanismo de remoção das escorvas de RNA durante a maturação da fita retardada
- Dinâmica do movimento de duas forquilhas de replicação em direção uma à outra no cromossomo circular
- Aspectos matemáticos da progressão geométrica na divisão binária da população
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