O que é a replicação do DNA , como funciona em eucariotos e procariontes e quais enzimas estão envolvidas? Você vai aprender isso aqui.
Replicação do DNA explicada de forma simples
Quando nossas células se dividem devido ao crescimento ou reprodução (= citocinese), o núcleo da célula também deve se dividir ( mitose ). A informação genética ali contida deve ser repassada a outras células na forma de DNA .
Antes que a divisão nuclear ocorra, uma cópia idêntica do DNA deve ser feita primeiro. Você também pode chamar esse processo de duplicação de DNA ou replicação de DNA .
Numerosas enzimas (incluindo DNA polimerase ) são necessárias para isso. O DNA, que normalmente ocorre como uma dupla hélice, deve ser desenrolado e as respectivas ligações de hidrogênio entre os pares de bases de DNA individuais devem ser quebradas. Pense nisso como abrir um zíper. As duas fitas simples expostas representam um molde (modelo) para uma nova fita de DNA a ser produzida.Um bloco de construção de DNA ( nucleotídeo ) com a base adequada (complementar) correspondente pode se ligar a cada base separada .
Isso cria duas fitas duplas idênticas de DNA, metade das quais vem do DNA original e metade das quais é recém-criada. Portanto, você também pode falar de uma replicação semi -conservativa (latim semi “meio” e conservare “preservado”) .Definição de replicação de DNA
A replicação do DNA (reduplicação) é a duplicação idêntica do material genético (DNA). É dividido em 3 fases (iniciação, alongamento e término) e começa em um ponto de partida definido (origem, origem de replicação).
Deseja obter uma visão geral do processo de replicação do DNA? Então nosso pequeno post sobre os fundamentos da replicação é para você!
Princípio de replicação semiconservativo
Os pesquisadores concordaram que o DNA tem que dobrar para passar a informação genética. No entanto, não ficou claro qual princípio essa replicação idêntica deveria seguir. Três possibilidades diferentes eram concebíveis: dispersiva , totalmente conservadora ou semiconservadora .
No caso de duplicação conservadora, uma fita dupla de DNA seria completamente preservada e uma completamente nova seria criada. Sob a duplicação dispersiva, você pode entender que pedaços antigos e novos de DNA são distribuídos ao longo de todas as 4 fitas.
No chamado experimento de Meselson Stahl , no entanto, pode ser claramente comprovado que a duplicação do DNA é uma replicação semiconservativa . Duas moléculas são criadas a partir de um DNA original, cada uma composta por metade de uma fita completamente “antiga” e metade de uma fita completamente “nova”.
Existem, no entanto, algumas exceções : a replicação idêntica no DNA mitocondrial ocorre de acordo com um mecanismo diferente, o chamado processo D-loop (loop de deslocamento). O mesmo se aplica à duplicação da informação genética em vírus e plasmídeos , nos quais o DNA de fita simples em forma de anel (ssDNA) está presente. Um mecanismo completamente diferente ocorre aqui: a replicação do círculo rolante .
Processo de replicação do DNA em resumo
Mas vamos dar uma olhada no processo de replicação do DNA semiconservativo de relance. Um grande número de enzimas está envolvido aqui, que discutiremos com mais detalhes posteriormente.
Antes que a duplicação do DNA possa começar, a dupla hélice deve primeiro ser desenrolada e as ligações de hidrogênio entre os respectivos pares de bases devem ser quebradas. Apenas as bases de DNA adenina com timina e guanina com citosina ( = pareamento de bases complementares; pareamento de bases Watson Crick) pareiam aqui .
Após a abertura do DNA, as duas fitas individuais (modelos) são separadas uma da outra. Agora novos nucleotídeos (= açúcar + base + grupo fosfato), que são produzidos no citoplasma , podem se ligar às fitas simples. Obviamente, o princípio do pareamento de bases complementares também se aplica aqui.
Como você já aprendeu, agora temos 2 fitas duplas de DNA idênticas, que são compostas por uma fita simples “antiga” e uma “nova”.
Cadeias de DNA antiparalelas
Para entender a replicação do DNA, é importante lembrar uma propriedade da estrutura do DNA : a direção antiparalela das fitas individuais entre si. Eles são, portanto, dispostos em direções opostas, o que também significa que a direção de leitura dos dois fios individuais difere.
Um fio vai da extremidade 5′ (leia-se: 5 traço) até a extremidade 3′ , a outra da extremidade 3′ até a extremidade 5′ . A extremidade 5′ é o 5º átomo de carbono do açúcar com seu grupo fosfato livre e a extremidade 3′ é o 3º átomo de carbono com o grupo hidroxila livre (OH-).
Novos nucleotídeos só podem ser adicionados na extremidade 3′ , pois somente neste ponto existe um grupo OH livre que pode se ligar ao grupo fosfato de um novo nucleotídeo. Você deve ter isso em mente ao fazer a duplicação de DNA!
Processo de replicação do DNA em detalhes
Agora vamos dar uma olhada passo a passo no mecanismo molecular de replicação do DNA. Você pode dividir a replicação do DNA em 3 fases :
- Iniciação
- Alongamento
- Terminação
Em seguida, ocorre uma correção de DNA , que corrige quaisquer erros que possam ter ocorrido nas cópias de DNA. Isto é para prevenir a formação de mutações .
O processo geral de replicação é muito semelhante em procariontes ( bactérias e archaea ) e eucariotos. No entanto, também existem algumas diferenças devido ao tamanho e complexidade dos respectivos genomas (= DNA como um todo). Mas entraremos em mais detalhes sobre isso em uma seção posterior.
Aqui explicamos detalhadamente o processo das fases de replicação individuais :
Iniciação
Na primeira fase – a iniciação (lat. initare = começar) – a replicação começa. Ela começa em pontos definidos que você pode chamar de origem de replicação . Um replicon (replicon) pode ser entendido como um trecho de DNA que contém uma única origem de replicação.
Passo 1: Desenrolando a dupla hélice
Primeiro, uma enzima chamada topoisomerase faz com que a dupla hélice do DNA se desenrole. Com isso você pode entender que a forma helicoidal é convertida em uma forma de escada de corda. Importante: Ainda estamos lidando com uma dupla fita aqui!
Passo 2: Abertura da fita dupla de DNA
Para obter as duas fitas simples que servirão como molde (modelo) para as novas fitas de DNA, as ligações de hidrogênio entre os pares de bases individuais devem primeiro ser quebradas. Você também pode chamar isso de desnaturação . A enzima DNA helicase é responsável por isso, que abre a dupla fita sob consumo de energia ( ATP ) como uma espécie de zíper.
Você também pode chamar o ponto em forma de Y onde o queijo de cura quebra as ligações de hidrogênio como um garfo de replicação . De cada origem de replicação, uma forquilha de replicação migra para a direita e outra para a esquerda (= replicação bidirecional ).
Para estabilizar as fitas separadas e evitar que as duas fitas se unam novamente, proteínas especiais (proteínas de ligação a fita simples, proteínas SSB) se ligam às respectivas seções.
Etapa 3: Recozimento de um primer de RNA
Para que a replicação comece, são necessários os chamados primers (“moléculas iniciadoras”), que são produzidos pela enzima primase . Este é um pequeno pedaço de RNA que consiste em alguns nucleotídeos. Cada um deles está ligado à extremidade 3′ dos fios da matriz.
O RNA (ácido ribonucleico) contém a base uracila em vez da base timina. Portanto, é absolutamente essencial que ocorra um mecanismo de correção posterior que substitua a base uracila pela base timina novamente.
Alongamento
Após a iniciação, o alongamento, ou seja, a síntese de novas fitas individuais (fitas filhas) pode começar. A enzima responsável pela ligação de cada base complementar de DNA é a DNA polimerase .
Ele adiciona novos nucleotídeos à extremidade 3′ do primer porque, como já sabemos, a extensão da cadeia (polimerização) só é possível ali. A DNA polimerase, portanto, só funciona na direção 5′ -> 3′ em relação às novas fitas de DNA a serem produzidas.
fio líder após fio
Uma fita é orientada de tal forma que sua extremidade 3′ pode ser estendida sem interrupção, pois a DNA polimerase funciona na mesma direção que a helicase. Você também pode se referir a este fio como o fio guia . Portanto, há uma extensão contínua aqui.
A outra fita emergente – a fita atrasada – por outro lado, está disposta de tal forma que sua extremidade 3′ acessível está se afastando da forquilha de replicação e surgiria uma lacuna cada vez maior. A DNA polimerase e a helicase trabalham em direções opostas aqui.
Mas há uma solução: a primase ( RNA polimerase ) continua a adicionar primers à fita subsequente. Isso significa que a DNA polimerase sempre pode trabalhar na direção 5′ para 3′. Ele continua acrescentando novos nucleotídeos até atingir o primer da seção anterior. Aqui, então, há um alongamento descontínuo (parcial) com lacunas.
Você também pode chamar as seções curtas de DNA resultantes de fragmentos de Okazaki .
Os nucleotídeos de RNA do primer agora também podem ser trocados: eles são primeiro removidos pela RNase H. Outra DNA polimerase então substitui os nucleotídeos de RNA por nucleotídeos de DNA complementares.
Na última etapa, a enzima DNA ligase fecha as lacunas entre os respectivos fragmentos de Okazaki como uma espécie de “cola”.
Terminação
A terminação , ou seja, o fim da replicação do DNA, é anunciada em procariontes em uma sequência de terminação especial.
Em eucariotos, que possuem moléculas de DNA lineares, a replicação ou a polimerase geralmente só para assim que a fita de DNA chega ao fim.
Enzimas de replicação de DNA
Aqui nós compilamos as enzimas mais importantes envolvidas na replicação do DNA e suas funções em uma tabela para você:
| enzima | função |
|---|---|
| topoisomerase | Desenrolamento da dupla hélice |
| Helikase | Abertura das fitas duplas pela quebra das ligações de hidrogênio entre as bases complementares do DNA |
| Primase | Síntese de uma seção de RNA para começar (primer) |
| DNA Polimerase | Síntese de DNA na extremidade 3′ pela adição de nucleotídeos complementares às respectivas fitas simples |
| RNase H | Remoção do primer de RNA do DNA recém-preparado |
| DNA Ligase | “Enzima de cola”: ligação das fitas formadas |
Eucariotos de replicação de DNA
O mecanismo de replicação do DNA em eucariotos e procariontes é muito semelhante. No entanto, você deve considerar que o DNA dos eucariotos no núcleo da célula é embalado muito mais densamente com proteínas (incluindo histonas). Para a replicação do DNA, mas também para a leitura dos genes ( biossíntese de proteínas ), essa embalagem deve ser afrouxada.
Além disso, como você aprendeu anteriormente, os eucariotos têm genomas muito mais complexos do que os procariontes, exigindo mais origens de replicação . Isso permite que você trabalhe nos cromossomos que ocorrem linearmente em vários pontos ao mesmo tempo. Por exemplo, o DNA humano tem dezenas de milhares de origens de replicação, mas provavelmente nem todas são ativadas.
Além disso, a replicação do DNA é mais lenta em eucariotos do que em procariontes porque as DNA polimerases só podem ligar cerca de 50-100 nucleotídeos por segundo . (Para comparação: nos procariontes, as DNA polimerases criam mais de 1.000 nucleotídeos por segundo.) Essas diferenças ocorrem, entre outras coisas, porque os eucariotos têm várias proteínas de ligação ao DNA.
Enzimas envolvidas
Além disso, as enzimas envolvidas na replicação em eucariotos e procariontes geralmente têm a mesma funcionalidade, mas uma estrutura diferente. As DNA polimerases eucarióticas são nomeadas com letras gregas (α, β, ..). As polimerases alfa (α), delta (δ) e épsilon (ε) são responsáveis pela extensão da cadeia em organismos eucarióticos.
A primase também não ocorre como uma enzima separada em eucariotos, mas está ligada à polimerase α.
Os telômeros protegem as extremidades dos cromossomos
Como os genomas dos eucariotos consistem em moléculas de DNA lineares, surge um problema nas extremidades da fita atrasada. Ou seja, não pode ser sintetizado até o fim se o primer terminal for removido. Como resultado, a DNA polimerase também não possui extremidade 3′ livre disponível para extensão da cadeia.
Para proteger contra a perda de material genético, os cromossomos eucarióticos têm sequências repetidas em suas extremidades – os telômeros. Eles não codificam nenhuma proteína e são produzidos pela enzima telomerase.
Procariotos de Replicação de DNA
Como você já aprendeu, a maior diferença entre os genomas de eucariotos e procariontes é que eles são menores e circulares em procariontes. Por esta razão, apenas uma origem de replicação pode ser encontrada aqui. A bactéria intestinal E. Coli, por exemplo, é uma sequência longa de 250 pares de bases que consiste principalmente em adenina e timina.
Como já mencionado, a replicação em procariontes é muito mais rápida do que em eucariotos.
Os procariontes têm uma seção de DNA definida que anuncia o fim ( terminação ) da duplicação do DNA. Fica em frente ao ponto de partida. No final da replicação, surgem duas fitas idênticas em forma de anel. Eles geralmente permanecem emaranhados no ponto terminal por um tempo antes que a enzima topoisomerase separe os dois anéis de DNA um do outro.
As DNA polimerases em procariontes são classificadas de acordo com algarismos romanos (I – V). A polimerase III é responsável pela síntese de DNA.
resumo
- A replicação do DNA é a duplicação idêntica do genoma e sempre ocorre antes da divisão nuclear ( mitose )
- É (quase sempre) um mecanismo semiconservador (cada fita simples de DNA atua como molde para a síntese de uma nova fita)
- A síntese de DNA pode ser dividida em 3 fases (iniciação, alongamento e término) e sempre começa na origem da replicação
- A enzima DNA polimerase une novos nucleotídeos na direção 5′ -> 3′; isso cria uma vertente secundária e uma principal
Para obter mais informações sobre a DNA polimerase e seu papel na biotecnologia, consulte nossos artigos DNA polimerase e reação em cadeia da polimerase (PCR) .