Como ocorre a replicação do DNA?
A replicação do DNA é fundamental para o crescimento, a reprodução e a substituição de células. Ela assegura que as células-filhas recebam uma cópia praticamente idêntica da informação genética presente na célula original.
Esse processo é denominado semiconservativo, porque cada molécula formada conserva uma cadeia do DNA original e apresenta uma cadeia nova. A duplicação depende da atuação coordenada de enzimas como helicase, primase, DNA polimerase, topoisomerase e DNA ligase.
Por que o DNA precisa de ser replicado?
O DNA contém os genes e outras informações necessárias ao desenvolvimento e ao funcionamento dos organismos. Antes de uma célula se dividir, esse material genético precisa de ser duplicado para que possa ser distribuído entre as células-filhas.
Nas células eucarióticas, como as células animais e vegetais, a replicação acontece durante a fase S da interfase, antes da mitose ou da meiose. Nas células procarióticas, como as bactérias, também ocorre antes da divisão celular.
Se o DNA não fosse replicado corretamente, as novas células poderiam receber informação genética incompleta ou alterada, comprometendo o seu funcionamento.
O que é replicação semiconservativa?
A molécula de DNA é formada por duas cadeias complementares. Durante a replicação, essas cadeias separam-se e cada uma passa a funcionar como molde para a síntese de uma nova cadeia.
Ao final do processo são formadas duas moléculas de DNA. Cada molécula resultante contém:
- uma cadeia proveniente da molécula original;
- uma cadeia nova, sintetizada durante a replicação.
Por essa razão, o processo é chamado de semiconservativo: cada molécula resultante conserva metade da molécula original.
Onde começa a replicação do DNA?
A replicação começa em regiões específicas da molécula chamadas origens de replicação. Nesses locais, proteínas iniciadoras reconhecem o DNA e recrutam as enzimas necessárias para abrir a dupla hélice.
A abertura origina uma estrutura denominada bolha de replicação. Nas extremidades dessa bolha encontram-se as forquilhas de replicação, onde as novas cadeias são sintetizadas.
Nos procariontes, o cromossoma circular geralmente possui uma origem principal de replicação. Nos eucariontes, os cromossomas são maiores e apresentam várias origens, permitindo que diferentes regiões sejam copiadas simultaneamente.
Principais enzimas envolvidas na replicação
Helicase
A helicase abre a dupla hélice ao romper as ligações de hidrogénio estabelecidas entre as bases nitrogenadas complementares. Isso separa as duas cadeias e permite que sejam utilizadas como moldes.
Proteínas de ligação ao DNA de cadeia simples
Depois da separação, proteínas específicas ligam-se às cadeias simples e impedem que elas voltem a unir-se antes da síntese das novas cadeias.
Topoisomerase
A abertura da dupla hélice produz tensão nas regiões do DNA que ainda não foram separadas. A topoisomerase alivia essa tensão por meio de cortes temporários e controlados na molécula.
Primase
A DNA polimerase não consegue iniciar sozinha uma nova cadeia. A primase produz um pequeno fragmento de RNA chamado iniciador ou primer. Esse iniciador fornece uma extremidade 3′-OH livre, a partir da qual a DNA polimerase pode trabalhar.
DNA polimerase
A DNA polimerase sintetiza a nova cadeia ao acrescentar nucleótidos complementares ao molde. O emparelhamento obedece às seguintes relações:
- adenina liga-se à timina: A–T;
- citosina liga-se à guanina: C–G.
A nova cadeia é sempre sintetizada no sentido 5′ para 3′. Isso significa que os nucleótidos são acrescentados à extremidade 3′ da cadeia em crescimento.
DNA ligase
A DNA ligase une os fragmentos produzidos na cadeia tardia. Ela sela as interrupções existentes na estrutura açúcar-fosfato, formando uma cadeia contínua.
| Enzima ou proteína | Função principal |
|---|---|
| Helicase | Separa as duas cadeias da molécula de DNA. |
| Proteínas de ligação | Mantêm as cadeias separadas e estabilizadas. |
| Topoisomerase | Reduz a tensão provocada pela abertura da dupla hélice. |
| Primase | Produz os iniciadores de RNA. |
| DNA polimerase | Sintetiza as novas cadeias e participa da correção de erros. |
| DNA ligase | Une os fragmentos de Okazaki. |
Cadeia líder e cadeia tardia
As duas cadeias do DNA são antiparalelas, isto é, estão orientadas em sentidos opostos. Como a DNA polimerase sintetiza DNA somente no sentido 5′ para 3′, as duas novas cadeias não podem ser produzidas exatamente da mesma maneira.
Cadeia líder
A cadeia líder é sintetizada continuamente, acompanhando o movimento de abertura da forquilha de replicação. Em cada unidade de replicação, normalmente necessita apenas de um iniciador.
Cadeia tardia
A cadeia tardia é sintetizada de maneira descontínua, formando pequenos segmentos denominados fragmentos de Okazaki.
Cada fragmento começa com um iniciador. Posteriormente, esses iniciadores são removidos, as lacunas são preenchidas com DNA e a ligase une os fragmentos.
Etapas da replicação do DNA
1. Iniciação
As proteínas iniciadoras reconhecem as origens de replicação. A helicase separa as cadeias, as proteínas de ligação mantêm-nas abertas e a topoisomerase reduz a tensão gerada pelo desenrolamento.
2. Alongamento
A primase produz os iniciadores e a DNA polimerase começa a acrescentar nucleótidos complementares. A cadeia líder cresce continuamente, enquanto a cadeia tardia é formada em fragmentos.
3. Remoção dos iniciadores e ligação
Os iniciadores de RNA são removidos e substituídos por DNA. A DNA ligase sela as interrupções entre os fragmentos, completando as novas cadeias.
4. Terminação
A replicação termina quando as forquilhas encontram regiões de finalização ou se encontram com outras forquilhas. O resultado são duas moléculas de DNA com informação genética praticamente idêntica à da molécula original.
Fidelidade e correção de erros
A replicação precisa ser muito rigorosa, pois alterações permanentes no DNA podem afetar o funcionamento celular. Muitas DNA polimerases possuem capacidade de revisão, conhecida como proofreading.
Quando um nucleótido incorreto é inserido, a enzima pode removê-lo e substituí-lo pelo nucleótido correto. Outros sistemas de reparação corrigem erros que escapam à revisão inicial.
Apesar desses mecanismos, alguns erros podem permanecer e transformar-se em mutações. Dependendo da região afetada, uma mutação pode ser neutra, prejudicial ou, em determinadas condições, vantajosa.
Replicação nas extremidades dos cromossomas
Os cromossomas eucarióticos são lineares e apresentam extremidades chamadas telómeros. A maquinaria de replicação não consegue copiar completamente a extremidade da cadeia tardia, o que pode provocar o encurtamento progressivo dos telómeros.
Em determinados tipos celulares, a enzima telomerase acrescenta sequências repetitivas às extremidades dos cromossomas. Essa enzima apresenta atividade importante em células germinativas, em algumas células-tronco e em muitas células cancerígenas.
Resumo essencial
- A replicação duplica o DNA antes da divisão celular.
- O processo é semiconservativo.
- Cada cadeia original funciona como molde.
- A helicase abre a dupla hélice.
- A topoisomerase reduz a tensão no DNA.
- A primase produz iniciadores de RNA.
- A DNA polimerase sintetiza no sentido 5′ para 3′.
- A cadeia líder é sintetizada continuamente.
- A cadeia tardia forma fragmentos de Okazaki.
- A DNA ligase une os fragmentos.
- A revisão e os sistemas de reparação reduzem os erros.
Exercícios resolvidos
Exercício 1: Por que a DNA polimerase não inicia sozinha uma nova cadeia?
Resolução: a DNA polimerase necessita de uma extremidade 3′-OH livre para acrescentar nucleótidos.
Resposta: a primase precisa produzir primeiro um iniciador de RNA.
Exercício 2: Em qual cadeia são encontrados os fragmentos de Okazaki?
Resolução: devido à orientação antiparalela das cadeias, uma das novas cadeias precisa ser sintetizada de forma descontínua.
Resposta: os fragmentos de Okazaki encontram-se na cadeia tardia.
Exercício 3: O que existe em cada molécula depois de uma ronda de replicação?
Resolução: as cadeias originais separam-se e cada uma orienta a formação de uma cadeia complementar.
Resposta: cada molécula resultante contém uma cadeia original e uma cadeia recém-sintetizada.
Perguntas frequentes
Replicação e transcrição são iguais?
Não. A replicação produz uma cópia do DNA, enquanto a transcrição utiliza uma região específica do DNA para produzir RNA.
Em que momento ocorre a replicação?
Nas células eucarióticas, ocorre durante a fase S da interfase, antes da divisão celular.
Todo o DNA é replicado ao mesmo tempo?
Nos eucariontes, a replicação começa em várias origens distribuídas pelos cromossomas. Diferentes regiões podem ser copiadas simultaneamente, mas nem todas começam exatamente no mesmo momento.
Qual é a principal enzima da replicação?
A DNA polimerase sintetiza as novas cadeias, mas depende da atuação coordenada de helicases, primases, topoisomerases, ligases e outras proteínas.
Todo erro de replicação causa uma doença?
Não. Muitos erros são corrigidos e algumas alterações não produzem efeitos significativos. Contudo, determinadas mutações podem comprometer genes importantes e contribuir para o desenvolvimento de doenças.
A replicação ocorre nos dois sentidos?
Em muitas origens, o processo avança de forma bidirecional, formando duas forquilhas que se deslocam em sentidos opostos.
Conclusão
A replicação do DNA é indispensável para a continuidade da vida. Ela assegura que o material genético seja duplicado e transmitido às células-filhas antes da divisão celular.
O processo envolve a abertura da dupla hélice, a produção de iniciadores, a síntese das novas cadeias, a união dos fragmentos e a correção de possíveis erros. A atuação coordenada da helicase, primase, DNA polimerase, topoisomerase e DNA ligase torna a duplicação eficiente e altamente precisa.
Compreender esse mecanismo ajuda a explicar fenómenos relacionados com crescimento, hereditariedade, mutações, envelhecimento celular e desenvolvimento de determinadas doenças.
Referências
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