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Replicação de DNA

O DNA inteiro de uma célula é replicado durante a fase S (síntese) do ciclo celular. O princípio da replicação é baseado no emparelhamento de pares de bases de nucleótidos complementares: a adenina forma pontes de hidrogénio com a timina (ou uracilo no RNA) e a guanina forma pontes de hidrogénio com a citosina. A replicação ocorre antes da divisão celular, na fase S do ciclo celular. Este processo permite a formação de 2 conjuntos de cromossomas durante a metáfase da mitose, sendo depois igualmente divididos em 2 novas células durante a separação (anáfase).

Última atualização: Apr 7, 2022

Responsibilidade editorial: Stanley Oiseth, Lindsay Jones, Evelin Maza

Preparação e Pré-requisitos para a Replicação

  • A replicação ocorre durante a fase S (síntese) do ciclo celular.
  • A duração destas fases do ciclo celular varia consideravelmente de acordo com os diferentes tipos de células. Para uma típica célula humana em proliferação rápida com um tempo de ciclo total de 24 horas, a fase G1 (crescimento) pode durar cerca de 11 horas, a fase S cerca de 8 horas, a G2 (crescimento e preparação para mitose) cerca de 4 horas e a M (mitose) cerca de 1 hora.
  • O DNA de uma célula humana existe na sua maioria sob a forma de 46 cromossomas (23 pares = 2n) no interior do núcleo. Uma pequena fração está presente como DNA mitocondrial, com cerca de 16.500 pares de bases contendo 37 genes, todos essenciais para uma função mitocondrial normal.
Cell cycle, consisting of g1, s, g2, and m phases

Ciclo celular, constituído pelas fases G1, S, G2 e M

Imagem pro Lecturio.

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Iniciação

  • Origens da replicação: Certas proteínas reconhecem secções de DNA(ricas em AT) a partir das quais a replicação pode começar.
    • Os procariontes possuem apenas uma única origem de replicação.
    • Os eucariontes têm múltiplas origens de replicação. No DNA humano, existem mais de 30.000 origens de replicação, sem as quais a fase S duraria cerca de 40 vezes mais.
  • Em procariontes, uma proteína chamada DnaA liga-se a uma origem de replicação. Em eucariontes, isto é realizado pelo complexo de reconhecimento de origem (ORC, pela sigla em inglês), um complexo de 6 unidades de ligação ao DNA.
  • A helicase DnaB dependente de ATP (procariontes): desdobra a dupla hélice do DNA, que separa as 2 cadeias e expõe 2 cadeias simples.
    • Helicase (em eucariontes): move-se ao longo da molécula de DNA na direção 5′ → 3′ e forma o garfo de replicação usando energia da hidrólise de ATP para desfazer as pontes de hidrogénio entre as bases de nucleótidos das cadeiras complementares, separando-as
    • A síndrome de Bloom é um distúrbio de predisposição ao cancro causado por mutações no gene da helicase BLM, 1 das quase 100 helicases presentes em humanos.
  • Proteínas de ligação de cadeia única: ligam-se às cadeias soltas e evitam que estas se voltem a ligar após a separação pela helicase.
  • À medida que as 2 cadeiras de DNA se desenrolam (desemaranham), o DNA à frente do garfo de replicação é forçado a rodar na direção oposta, levando a que se torça à sua volta sem a presença de topoisomerases, que catalisam a quebra reversível e união das cadeiras de DNA. As quebras temporárias produzidas por estas enzimas permitem que as 2 cadeiras de DNA rodem livremente, umas em torno das outras, de modo que a replicação possa prosseguir sem causar tensão de torção indevida no esqueleto do DNA, o que poderia levar à quebra das cadeiras de ácido nucleico.
    • Em procariontes, os antibióticos de fluoroquinolona inibem as topoisomerases II (DNA girase) e IV.
    • Em eucariontes, os agentes quimioterápicos irinotecano e topotecano inibem a topoisomerase I, enquanto o etoposide e o teniposide inibem a topoisomerase II.
Replicação de dna

A replicação ou síntese de DNA é o processo da cópia de uma molécula de DNA de cadeia dupla. Este processo é fundamental para toda a vida tal como a conhecemos.

Imagem: “DNA Replication” by Mariana Ruiz. Licença: Public Domain
Polimerase Função Atividade da exonuclease
α Sintetiza o primer de RNA e inicia a síntese do DNA ao longo da cadeia atrasada 3’ → 5’
β Repara o DNA Nenhuma
γ Replica o DNA mitocondrial 3’ → 5’
δ Sintetiza a cadeia atrasada, preenchendo as lacunas de DNA após a remoção do primer. 3’ → 5’
ε Sintetiza a cadeia líder 3′ → 5′ e 5′ → 3′

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Alongamento

  • É necessário um primer para a síntese de cadeias-filha de DNA.
    • É um pequeno pedaço de RNA (8-10 pares de bases).
    • Complementar à cadeia base
    • É sintetizado pela primase (uma RNA polimerase dependente de DNA)
      • Em eucariontes, é uma subunidade da DNA polimerase alfa.
  • Síntese de DNA
    • A replicação ocorre continuamente na cadeia líder e de forma descontínua na cadeia atrasada.
  • Cadeia líder
    • Replicação continua devido ao grupo livre 3′ OH
    • Requer apenas 1 primer
  • Cadeia atrasada
    • Replicação descontínua para garantir sempre um grupo 3′ OH livre para alongamento
    • Forma fragmentos de Okazaki (1.000-2.000 nucleótidos de comprimento)
    • É necessário um primer para cada segmento de DNA.
  • Ocorre na direção de 5′ → 3′.
  • Os pares de bases são adicionados ao grupo OH do terminal 3′ da cadeia-filha.
  • É catalisado pela DNA polimerase (polimerase δ em eucariontes e DNA polimerase III em procariontes)
    • Forma uma ligação éster entre o grupo 3′ OH e o grupo α-fosfato dos nucleótidos
    • É libertado pirofosfato
  • Revisão (proofreading)
    • É realizado apenas por polimerases com atividade de exonuclease de 3′ → 5′.
  • Remoção do primer
    • Excisado no sentido oposto da síntese (i.e., 5′ → 3′)
    • Procariontes: pela RNase H e pela atividade de exonuclease de 5′ → 3′ da DNA polimerase I
    • Eucariontes: pela FEN-1 (flap endonuclease-1)
  • Preenchimento das lacunas
    • As lacunas são preenchidas com desoxinucleótidos complementares
    • Procariontes: a DNA polimerase I adiciona desoxinucleótidos um de cada vez e depois faz a revisão.
    • Eucariontes: DNA polimerase δ
  • Junção dos terminais
    • O DNA ligase junta os terminais livres das cadeias-filha.
    • A reação envolve:
      • A transferência de AMP para o grupo fosfato do terminal 5′.
      • O AMP é clivado e o grupo fosfato do terminal 5′ é ligado ao grupo OH do terminal 3′ de outro fragmento.
  • Após a duplicação do DNA, existem 46 cromossomas de cromatídio duplo (4n)
    • Na anáfase e citocinese (da mitose) seguintes, os cromossomas são reduzidos a 46 de cromatídio simples (2n)

Finalização

  • Iniciada pela ligação de proteínas de finalização (proteínas ter) às sequências de finalização
  • Finalização diferente em procariontes (DNA circular) e eucariontes (ADN linear)
  • Cromossomas eucarióticos → linear
    • Vai existir uma lacuna.
  • Se durante a replicação o primer complementar estiver no terminal 5′-OH da cadeia-filha, não existe um terminal 3′-OH livre para a ligação.
  • A lacuna deixada pelo primer não pode ser preenchida; isto significa que, após cada replicação, falta uma pequena peça no final do ADN.
  • Esta é a razão para a existência de uma sequência repetitiva não-codificante (GGGTTA) com mais de 10.000 pares de bases no final do cromossoma eucariótico (telómero).
  • As sequências codificantes (genes) só deixam de ser completamente replicadas após 30-50 ciclos celulares; isto limita a esperança de vida da maioria das células somáticas.

Telómeros e Relevância Clínica

  • Telómeros
    • Fragmentos de ADN não codificantes nas extremidades 3′ dos cromossomas.
    • Cada telómero consiste em vários milhares de pares de bases (repetições em tandem de TTAGGG)
    • Função de um telómero:
      • Previne a perda de genes estruturais
      • A cadeia atrasada torna-se mais curta após cada ronda de replicação devido à remoção do primer de RNA, pelo que a perda de DNA ocorre no telómero em vez de nas sequências codificadorasT.
      • Funciona como um relógio celular uma vez que a célula adquire senescência replicativa ou há morte celular apoptótica quando o comprimento do telómero é menor que um limite crítico. O comprimento do DNA telomérico determina a esperança de vida da célula em cultura.
  • Telomerase
    • Uma transcriptase reversa especial que carrega o seu próprio modelo de RNA
    • Mantém os telómeros
    • Está presente em células rapidamente divisoras, células embrionárias e células cancerígenas
      • A sua atividade é especialmente aumentada nas células cancerígenas para que os seus telómeros permaneçam longos por muito tempo e se possam continuar a dividir sem considerar um relógio molecular, mesmo que atinjam o final da sua vida normal.

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