DNA replication, também conhecida como replicação semi-conservadora, é o processo pelo qual o DNA é essencialmente duplicado. É um processo importante que ocorre dentro da célula divisora.
Neste artigo, vamos analisar brevemente a estrutura do DNA, as etapas precisas envolvidas na replicação do DNA (iniciação, alongamento e terminação) e as consequências clínicas que podem ocorrer quando isso dá errado.
Estrutura do DNA
DNA é composto por milhões de nucleotídeos. São moléculas compostas de um açúcar desoxirribose, com um fosfato e uma base (ou nucleobase) ligada a ele. Estes nucleotídeos são ligados uns aos outros em cordões através de ligações fosfodiéster para formar uma “espinha dorsal de fosfato de açúcar”. A ligação formada é entre o terceiro átomo de carbono no açúcar desoxirribose de um nucleotídeo (doravante conhecido como o 3′) e o quinto átomo de carbono de outro açúcar no próximo nucleotídeo (conhecido como o 5′).
N.B: 3′ é pronunciado ‘três prime’ e 5′ é pronunciado ‘cinco prime’.
Existem dois fios que correm em direções opostas ou antiparalelas um ao outro. Estes estão ligados um ao outro ao longo do comprimento do cordão através das bases de cada nucleotídeo. Existem 4 bases diferentes associadas ao DNA; Citosina, Guanina, Adenina, e Tiamina. Nos filamentos normais de DNA, a citosina liga-se à Guanina, e a adenina liga-se à timina. As duas cordas juntas formam uma dupla hélice.
Fig 1.0 – Estrutura do RNA e DNAEstágio de replicação de DNA
Replicação de DNA pode ser pensada em três estágios; Iniciação, Alongamento, Terminação
Iniciação
Síntese de DNA é iniciada em pontos particulares dentro da cordão de DNA conhecida como ‘origem’, que são regiões codificadoras específicas. Estas origens são visadas pelas proteínas iniciadoras, que passam a recrutar mais proteínas que ajudam no processo de replicação, formando um complexo de replicação em torno da origem do ADN. Existem múltiplos locais de origem, e quando a replicação do DNA começa, estes locais são referidos como garfos de replicação.
No complexo de replicação está a enzima DNA Helicase, que desenrola a dupla hélice e expõe cada uma das duas vertentes, para que possam ser usadas como um modelo para replicação. Isto é feito através da hidrolise do ATP usado para formar as ligações entre as nucleobases, quebrando assim a ligação mantendo as duas cordas juntas.
DNA Primase é outra enzima importante na replicação do DNA. Ela sintetiza um pequeno primer de RNA, que atua como um “kick-starter” para a DNA Polimerase. DNA Polimerase é a enzima responsável pela criação e expansão das novas cadeias de DNA.
Elongamento
Após a DNA Polimerase ter sido ligada ao original, descompactada duas cadeias de DNA (ou seja, as cadeias de modelos), ela é capaz de começar a sintetizar o novo DNA para combinar com os modelos. É essencial notar que a DNA polimerase só é capaz de estender o primer adicionando nucleotídeos livres no final de 3′.
Um dos modelos é lido na direção de 3′ a 5′, o que significa que a nova cadeia será formada na direção de 5′ a 3′. Esta nova vertente recém-formada é referida como a vertente principal. Ao longo desta cadeia, o DNA Primase só precisa sintetizar um primer de RNA uma vez, no início, para iniciar a DNA Polimerase. Isto porque a DNA Polimerase é capaz de estender a nova cadeia de DNA lendo o modelo 3′ a 5′, sintetizando na direção de 5′ a 3′, como observado acima.
No entanto, a outra cadeia de modelo (a cadeia retardada) é antiparalela, e é, portanto, lida na direção de 5′ a 3′. A síntese contínua de DNA, como na fita principal, precisaria estar na direção de 3′ a 5′, o que é impossível, pois não podemos adicionar bases no final de 5′. Em vez disso, à medida que a hélice se desenrola, os iniciadores de RNA são adicionados às bases recém-expostas no fio retardado e a síntese de DNA ocorre em fragmentos, mas ainda na direção de 5′ a 3′, como antes. Estes fragmentos são conhecidos como fragmentos de Okazaki.
Terminação
O processo de expansão das novas cadeias de DNA continua até que não haja mais nenhum modelo de DNA a ser replicado (ou seja, no final do cromossomo), ou dois garfos de replicação se encontram e posteriormente terminam. O encontro de dois garfos de replicação não é regulado e acontece aleatoriamente ao longo do curso do cromossoma.
Após a síntese de DNA ter terminado, é importante que as novas vertentes sintetizadas sejam ligadas e estabilizadas. No que diz respeito à fita retardada, duas enzimas são necessárias para conseguir isso; RNAase H remove o primer de RNA que está no início de cada fragmento de Okazaki, e DNA Ligase une fragmentos para criar uma fita completa.
Fig 2.0 – Representação diagramática da replicação de DNA
Pertinência clínica – Anemia falciforme
Anemia falciforme é uma condição autossômica recessiva que é causada por uma única substituição de base, na qual apenas uma base é trocada por outra. Em alguns casos isso pode resultar em uma “mutação silenciosa”, na qual o gene em geral não é afetado, porém em doenças como a anemia falciforme resulta na codificação de uma proteína diferente.
Neste caso, uma base adenina é trocada por uma base timina em um dos genes que codificam a hemoglobina; isso resulta na substituição do ácido glutâmico por valina. Quando isto está sendo transcrito em uma cadeia de polipeptídeos, as propriedades que possui são radicalmente alteradas, pois o ácido glutâmico é hidrófilo, enquanto que o valina é hidrofóbico. Esta região hidrofóbica resulta em hemoglobina com uma estrutura anormal que pode causar bloqueios de capilares levando à isquemia e potencialmente necrose de tecidos e órgãos – isto é conhecido como uma crise vaso-oclusiva.
Estas crises são normalmente tratadas com uma variedade de medicamentos para dor, incluindo opióides e AINEs, dependendo da gravidade. Transfusões de eritrócitos podem ser necessárias em emergências, por exemplo, se o bloqueio ocorrer nos pulmões.
Fig 3.0 – A diferença na estrutura entre eritrócitos normais e aqueles afetados pela doença falciforme.