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Uma fita não pode ser sintetizada na direção 5 '-> 3'?

Uma fita não pode ser sintetizada na direção 5 '-> 3'?



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Tenho resolvido algumas questões de biologia e, de acordo com uma delas (também tenho as respostas), a seguinte frase é falso:
"Ambas as fitas são sempre sintetizadas na direção 5 'para 3'."
Como isso pode ser? Pelo que eu sei, o DNA é sempre lido de 3 'a 5' e sintetizado de 5 'a 3'.
Quando o DNA não é sintetizado de 5 'para 3'?


Parece que seu palpite estava certo e a exceção é a linha que está atrasada. A afirmação foi mal formulada, mas parece que eles estavam indo para o lado mais atrasado. Ou eles queriam que você pensasse que
- o fio retardado está crescendo 3 'a 5'
ou, mais provavelmente,
- a polimerase está apenas sintetizando em uma fita (principal) de cada vez

Embora tecnicamente o livro estivesse correto, era uma pergunta capciosa e formulada de maneira injusta.

Você está completamente certo de que o DNA é sintetizado de 5 'a 3'. Não sei de nenhuma exceção a isso, mas hesite em dizer qualquer coisa abertamente definitiva porque existem tantas raras exceções na ciência. Posso dizer com alguma confiança que DNA polimerase nunca pode sintetizar na direção 3 '-> 5'. Se você ainda não o fez, recomendo fortemente que confira o artigo da Khan Academy, Mecanismo molecular de replicação de DNA! A Nature Education também tem um artigo muito bom sobre o assunto, Major Molecular Events of DNA Replication.


Qual é a fita principal e a fita retardada na replicação do DNA?

Fitas de DNA são antiparalelos. DNA polimerase pode trabalhar continuamente em direção ao replicação garfo apenas em um vertente (a fio condutor) enquanto do outro vertente (a fio lento) deve proceder longe do replicação garfo. o fio lento faz isso de forma descontínua no segmentos chamados fragmentos de Okazaki.

o que é a fita principal na replicação do DNA? Quando replicação começa, os dois pais Fitas de DNA são separados. Um deles é chamado de fio condutor, e isso é replicado continuamente na direção de 3 'a 5'. O outro vertente é o atraso vertente, e isso é replicado descontinuamente em seções curtas.

Então, qual é a diferença entre a fita principal e a fita atrasada no questionário de replicação de DNA?

o fio condutor está orientado corretamente para DNA polimerase III para adicionar nucleotídeos no 5 '- 3' na direção do replicação garfo em um contínuo vertente Considerando que a fio lento corre na direção oposta (3 '- 5') e deve ser replicado para trás, longe do replicação garfo.

Por que a replicação do DNA ocorre na direção 5 a 3?

Esses fragmentos são processados ​​pelo replicação maquinário para produzir um fio contínuo de DNA e, portanto, uma filha completa DNA hélice. Replicação de DNA vai no 5 'a 3' direção Porque DNA polimerase atua no 3'-OH da fita existente para adicionar nucleotídeos livres.


Telomerase e envelhecimento

As células que sofrem divisão celular continuam a ter seus telômeros encurtados porque a maioria das células somáticas não produz telomerase. Isso significa essencialmente que o encurtamento do telômero está associado ao envelhecimento. Com o advento da medicina moderna, cuidados preventivos de saúde e estilos de vida mais saudáveis, a expectativa de vida humana aumentou e há uma demanda crescente para que as pessoas pareçam mais jovens e tenham uma melhor qualidade de vida à medida que envelhecem.

Em 2010, os cientistas descobriram que a telomerase pode reverter algumas condições relacionadas à idade em ratos. Isso pode ter potencial na medicina regenerativa. [1] Camundongos com deficiência de telomerase foram usados ​​nesses estudos, esses camundongos apresentam atrofia do tecido, depleção de células-tronco, falha do sistema de órgãos e respostas prejudicadas à lesão do tecido. A reativação da telomerase nesses camundongos causou extensão dos telômeros, reduziu o dano ao DNA, reverteu a neurodegeneração e melhorou a função dos testículos, baço e intestinos. Assim, a reativação dos telômeros pode ter potencial para o tratamento de doenças relacionadas à idade em humanos.

O câncer é caracterizado pela divisão celular descontrolada de células anormais. As células acumulam mutações, proliferam incontrolavelmente e podem migrar para diferentes partes do corpo por meio de um processo chamado metástase. Os cientistas observaram que as células cancerosas têm telômeros consideravelmente encurtados e que a telomerase está ativa nessas células. Curiosamente, só depois que os telômeros foram encurtados nas células cancerosas é que a telomerase se tornou ativa. Se a ação da telomerase nessas células pode ser inibida por drogas durante a terapia do câncer, então as células cancerosas poderiam ser potencialmente impedidas de divisão posterior.

Em Resumo: Telômeros

As extremidades dos cromossomos representam um problema durante a replicação do DNA, pois a polimerase é incapaz de estendê-los sem um primer. A telomerase, uma enzima com um molde de RNA embutido, estende as extremidades copiando o molde de RNA e estendendo uma das extremidades do cromossomo. A DNA polimerase pode então estender o DNA usando o primer. Dessa forma, as extremidades dos cromossomos são protegidas. Isso é importante, pois as evidências indicam que o comprimento dos telômeros pode desempenhar um papel na regulação da divisão celular e no processo de envelhecimento.


As cadeias de DNA e RNA são produzidas pela cópia de fitas de DNA modelo

O emparelhamento regular de bases na estrutura de dupla hélice do DNA sugeriu a Watson e Crick um mecanismo de síntese de DNA. A proposta deles de que novas fitas de DNA sejam sintetizadas por meio da cópia das fitas dos pais provou ser correta.

A fita de DNA que é copiada para formar uma nova fita é chamada de modelo. A informação no modelo é preservada: embora a primeira cópia tenha uma sequência complementar, não idêntica, uma cópia da cópia produz novamente a sequência original (modelo). Na replicação de uma fita dupla, ou duplex, Molécula de DNA, ambas as fitas de DNA originais (parentais) são copiadas. Quando a cópia estiver concluída, os dois novos duplexes, cada um consistindo em uma das duas vertentes originais mais sua cópia, separados um do outro. Em alguns vírus, as moléculas de RNA de fita simples funcionam como modelos para a síntese de RNA complementar ou cadeias de DNA (Capítulo 7). No entanto, a grande maioria do RNA e DNA nas células é sintetizada a partir de DNA duplex preexistente.


Biologia 171

Ao final desta seção, você será capaz de fazer o seguinte:

  • Explicar o processo de replicação do DNA em procariotos
  • Discuta o papel de diferentes enzimas e proteínas no apoio a este processo

A replicação do DNA foi bem estudada em procariotos principalmente por causa do pequeno tamanho do genoma e da grande variedade de mutantes disponíveis. E. coli tem 4,6 milhões de pares de bases em um único cromossomo circular e tudo isso é replicado em aproximadamente 42 minutos, começando em um único local ao longo do cromossomo e continuando ao redor do círculo em ambas as direções. Isso significa que aproximadamente 1000 nucleotídeos são adicionados por segundo. Assim, o processo é bastante rápido e ocorre sem muitos erros.

A replicação do DNA emprega um grande número de proteínas e enzimas estruturais, cada uma das quais desempenha um papel crítico durante o processo. Um dos principais jogadores é a enzima DNA polimerase, também conhecido como DNA pol, que adiciona nucleotídeos um a um à crescente cadeia de DNA que é complementar à fita molde. A adição de nucleotídeos requer energia esta energia é obtida dos nucleosídeos trifosfatos ATP, GTP, TTP e CTP. Como ATP, o outro NTPs (trifosfatos de nucleosídeo) são moléculas de alta energia que podem servir como fonte de nucleotídeos de DNA e como fonte de energia para conduzir a polimerização. Quando a ligação entre os fosfatos é “quebrada”, a energia liberada é usada para formar a ligação fosfodiéster entre o nucleotídeo de entrada e a cadeia crescente. Em procariotos, três tipos principais de polimerases são conhecidos: DNA pol I, DNA pol II e DNA pol III. Sabe-se agora que o DNA pol III é a enzima necessária para a síntese do DNA. O DNA pol I é uma importante enzima acessória na replicação do DNA e, junto com o DNA pol II, é principalmente necessário para o reparo.

Como a máquina de replicação sabe por onde começar? Acontece que existem sequências de nucleotídeos específicas chamadas origens de replicação onde a replicação começa. No E. coli, que tem uma única origem de replicação em seu cromossomo (como a maioria dos procariotos), essa origem de replicação tem aproximadamente 245 pares de bases de comprimento e é rica em sequências AT. A origem da replicação é reconhecida por certas proteínas que se ligam a este local. Uma enzima chamada helicase desenrola o DNA quebrando as ligações de hidrogênio entre os pares de bases nitrogenadas. A hidrólise do ATP é necessária para este processo. À medida que o DNA se abre, estruturas em forma de Y são chamadas garfos de replicação são formados. Duas bifurcações de replicação são formadas na origem da replicação e são estendidas bidirecionalmente conforme a replicação prossegue. Proteínas de ligação de fita simples revestem as fitas simples de DNA perto da bifurcação de replicação para evitar que o DNA de fita simples volte a formar uma dupla hélice.

A DNA polimerase tem duas restrições importantes: é capaz de adicionar nucleotídeos apenas na direção 5 & # 8242 a 3 & # 8242 (uma nova fita de DNA só pode ser estendida nesta direção). Também requer um grupo 3 & # 8242-OH livre ao qual pode adicionar nucleotídeos formando uma ligação fosfodiéster entre a extremidade 3 & # 8242-OH e o fosfato 5 & # 8242 do próximo nucleotídeo. Isso significa essencialmente que não pode adicionar nucleotídeos se um grupo 3 & # 8242-OH livre não estiver disponível. Então, como ele adiciona o primeiro nucleotídeo? O problema é resolvido com a ajuda de um primer que fornece a extremidade 3 & # 8242-OH livre. Outra enzima, a RNA primase, sintetiza um segmento de RNA com cerca de cinco a dez nucleotídeos de comprimento e complementar ao DNA molde. Como essa sequência inicia a síntese do DNA, é apropriadamente chamada de primer. A DNA polimerase agora pode estender esse primer de RNA, adicionando nucleotídeos um a um que são complementares à fita modelo ((Figura)).


Pergunta: Você isola uma cepa de célula na qual a união dos fragmentos de Okazaki é prejudicada e suspeita que ocorreu uma mutação em uma enzima encontrada na bifurcação da replicação. Qual enzima tem maior probabilidade de sofrer mutação?

O garfo de replicação se move a uma taxa de 1000 nucleotídeos por segundo. A topoisomerase impede o enrolamento excessivo da dupla hélice do DNA à frente da bifurcação de replicação, pois o DNA se abre, causando cortes temporários na hélice do DNA e selando-a novamente. Porque a DNA polimerase só pode se estender na direção 5 & # 8242 a 3 & # 8242, e porque a dupla hélice do DNA é antiparalelo, há um pequeno problema na bifurcação de replicação. As duas fitas de DNA modelo têm orientações opostas: uma vertente está na direção 5 & # 8242 a 3 & # 8242 e a outra está orientada na direção 3 & # 8242 a 5 & # 8242. Apenas uma nova fita de DNA, aquela que é complementar à fita de DNA parental 3 & # 8242 a 5 & # 8242, pode ser sintetizada continuamente em direção à forquilha de replicação. Esta fita sintetizada continuamente é conhecida como a fita principal. A outra fita, complementar ao DNA parental 5 & # 8242 a 3 & # 8242, é estendida para longe da bifurcação de replicação, em pequenos fragmentos conhecidos como fragmentos de Okazaki, cada um exigindo um primer para iniciar a síntese. Novos segmentos de primer são colocados na direção da bifurcação de replicação, mas cada um apontando para longe dele. (Os fragmentos de Okazaki têm o nome do cientista japonês que os descobriu pela primeira vez. A fita com os fragmentos de Okazaki é conhecida como fita retardada.)

O filamento principal pode ser estendido a partir de um único primer, enquanto o filamento posterior precisa de um novo primer para cada um dos fragmentos curtos de Okazaki. A direção geral do fio retardado será 3 & # 8242 a 5 & # 8242, e a do fio principal 5 & # 8242 a 3 & # 8242. Uma proteína chamada grampo deslizante mantém a DNA polimerase no lugar enquanto ela continua a adicionar nucleotídeos. A pinça deslizante é uma proteína em forma de anel que se liga ao DNA e mantém a polimerase no lugar. À medida que a síntese prossegue, os primers de RNA são substituídos por DNA. Os primers são removidos pela atividade de exonuclease do DNA pol I, que usa o DNA atrás do RNA como seu próprio primer e preenche as lacunas deixadas pela remoção dos nucleotídeos do RNA pela adição de nucleotídeos do DNA. Os cortes que permanecem entre o DNA recém-sintetizado (que substituiu o primer de RNA) e o DNA previamente sintetizado são selados pela enzima DNA ligase, que catalisa a formação de ligações fosfodiéster entre a extremidade 3 & # 8242-OH de um nucleotídeo e o 5 & # 8242 extremidade de fosfato do outro fragmento.

Depois que o cromossomo foi completamente replicado, as duas cópias de DNA se movem para duas células diferentes durante a divisão celular.

O processo de replicação do DNA pode ser resumido da seguinte forma:

  1. O DNA se desenrola na origem da replicação.
  2. Helicase abre as forquilhas de replicação formadoras de DNA, que são estendidas bidirecionalmente.
  3. Proteínas de ligação de fita simples revestem o DNA ao redor da forquilha de replicação para evitar o retrocesso do DNA.
  4. A topoisomerase se liga na região à frente da bifurcação de replicação para evitar o superenrolamento.
  5. Primase sintetiza primers de RNA complementares à fita de DNA.
  6. A DNA polimerase III começa a adicionar nucleotídeos à extremidade 3 & # 8242-OH do primer.
  7. O alongamento tanto da fita posterior quanto da linha principal continua.
  8. Os primers de RNA são removidos por atividade de exonuclease.
  9. As lacunas são preenchidas pelo DNA pol I pela adição de dNTPs.
  10. A lacuna entre os dois fragmentos de DNA é selada pela DNA ligase, que ajuda na formação de ligações fosfodiéster.

(Figura) resume as enzimas envolvidas na replicação do DNA procariótico e as funções de cada uma.

Replicação de DNA procariótica: enzimas e suas funções
Enzima / proteína Função Específica
DNA pol I Remove o primer de RNA e o substitui por DNA recém-sintetizado
DNA pol III Enzima principal que adiciona nucleotídeos na direção 5 & # 8242-3 & # 8242
Helicase Abre a hélice do DNA quebrando as ligações de hidrogênio entre as bases nitrogenadas
Ligase Sela as lacunas entre os fragmentos de Okazaki para criar uma fita contínua de DNA
Primase Sintetiza os primers de RNA necessários para iniciar a replicação
Pinça Deslizante Ajuda a manter a DNA polimerase no lugar quando os nucleotídeos estão sendo adicionados
Topoisomerase Ajuda a aliviar a tensão no DNA ao se desenrolar, causando quebras e, em seguida, selando novamente o DNA
Proteínas de ligação de fita simples (SSB) Liga-se ao DNA de fita simples para evitar que o DNA retroceda.

Assista à replicação do DNA (vídeo) para ver o processo completo.

Resumo da Seção

A replicação em procariotos começa a partir de uma sequência encontrada no cromossomo, chamada origem de replicação - o ponto em que o DNA se abre. A helicase abre a dupla hélice do DNA, resultando na formação da forquilha de replicação. Proteínas de ligação de fita simples ligam-se ao DNA de fita simples perto da bifurcação de replicação para manter a bifurcação aberta. Primase sintetiza um primer de RNA para iniciar a síntese pela DNA polimerase, que pode adicionar nucleotídeos apenas à extremidade 3 e # 8242 de uma fita de primer previamente sintetizada. Ambas as novas fitas de DNA crescem de acordo com suas respectivas direções 5 & # 8242-3 & # 8242. Uma fita é sintetizada continuamente na direção da bifurcação de replicação, é chamada de fita principal. A outra fita é sintetizada na direção oposta à bifurcação de replicação, em pequenos trechos de DNA conhecidos como fragmentos de Okazaki. Esta vertente é conhecida como vertente retardada. Assim que a replicação for concluída, os primers de RNA são substituídos por nucleotídeos de DNA e o DNA é selado com DNA ligase, que cria ligações fosfodiéster entre o 3 & # 8242-OH de uma extremidade e o fosfato 5 & # 8242 da outra fita.

Art Connections

(Figura) Você isola uma cepa de célula na qual a união de fragmentos de Okazaki é prejudicada e suspeita que ocorreu uma mutação em uma enzima encontrada na forquilha de replicação. Qual enzima tem maior probabilidade de sofrer mutação?

(Figura) DNA ligase, uma vez que esta enzima une fragmentos de Okazaki.

Resposta livre

A replicação do DNA é bidirecional e descontínua explica sua compreensão desses conceitos.

Em uma origem de replicação, duas bifurcações de replicação são formadas e se estendem em duas direções. Na fita retardada, os fragmentos de Okazaki são formados de maneira descontínua.

O que são fragmentos de Okazaki e como eles são formados?

Fragmentos curtos de DNA são formados na fita retardada sintetizada na direção oposta à bifurcação de replicação. Estes são sintetizados por DNA pol.

Se a taxa de replicação em um procarioto específico é de 900 nucleotídeos por segundo, quanto tempo levaria 1,2 milhão de genomas de pares de bases para fazer duas cópias?

1333 segundos ou 22,2 minutos.

Explique os eventos que ocorrem na bifurcação de replicação. Se o gene da helicase sofrer mutação, que parte da replicação será afetada?

Na bifurcação da replicação, os eventos que ocorrem são ação helicase, ligação de proteínas de ligação de fita simples, síntese de primer e síntese de novas fitas. Se houver um gene helicase mutado, o garfo de replicação não será estendido.

Qual é o papel de um primer na replicação do DNA? O que aconteceria se você esquecesse de adicionar um primer em um tubo contendo a mistura de reação para uma reação de sequenciamento de DNA?

O primer fornece um grupo 3 & # 8242-OH para DNA pol para começar a adicionar nucleotídeos. Não haveria reação no tubo sem um primer e nenhuma banda seria visível na eletroforese.

Os antibióticos quinolonas tratam as infecções bacterianas bloqueando a atividade da topoisomerase. Por que esse tratamento funciona? Explique o que ocorre no nível molecular.

As bactérias tratadas com quinolonas não serão mais capazes de replicar seu DNA. A topoisomerase alivia o excesso de superenrolamento do DNA que ocorre antes da bifurcação de replicação conforme o DNA é desenrolado para replicação. Se a topoisomerase for inibida, a DNA helicase só será capaz de desenrolar o DNA por um curto período antes que o superenrolamento se torne muito enrolado para que a replicação continue.

Glossário


Replicação de DNA

O corpo humano produz bilhões de novas células todos os dias. Mas antes de sofrer divisão celular, uma célula deve primeiro copiar a informação genética contida no núcleo da célula e ndash seu DNA. Em apenas 6-8 horas, uma célula é capaz de copiar todo o seu genoma. Para conseguir isso, a replicação do DNA começa em vários locais ao longo de cada cromossomo. Conforme as duas fitas de DNA são separadas, a cópia começa a uma taxa de cerca de 50 nucleotídeos por segundo!

O DNA codifica as informações necessárias para construir proteínas, regular processos fisiológicos e manter a homeostase em nossos corpos. Os componentes químicos básicos do DNA são fosfato, desoxirribose (um açúcar) e 4 bases nitrogenadas: adenina (A), guanina (G), citosina (C) e timina (T).

O DNA é uma molécula de fita dupla com as duas fitas antiparalelo entre si (eles ficam paralelos entre si, mas correm em direções opostas). As duas fitas de DNA se enrolam para formar uma dupla hélice e uma estrutura que se parece com uma escada em espiral.

Figura ( PageIndex <1> ). a estrutura química do DNA (CC BY-NC-SA Madprime)

Figura ( PageIndex <2> ). replicação semiconservativa (CC BY-NC-SA Madprime)

As fitas de DNA também são complementares entre si devido ao pareamento de bases específico entre as duas fitas: a adenina em uma fita sempre emparelhará com a timina na fita oposta e a citosina sempre se ligará à guanina.

Figura ( PageIndex <3> ). Replicação de DNA (CC BY-NC-SA LadyofHats)

Durante o processo de replicação do DNA, o DNA parental se desenrola e, como os nucleotídeos têm parceiros exclusivos, cada DNA pode atuar como seu próprio modelo para replicação. As duas novas moléculas de DNA consistem, cada uma, em uma fita parental e uma fita recém-formada. Isso é conhecido como replicação de DNA semiconservadora.

Figura ( PageIndex <4> ). DNA dupla hélice (CC BY-NC-SA Forluvoft)

Jogadores importantes na replicação de DNA

DNA Helicase: quebra as ligações de hidrogênio entre as fitas de DNA (desenrola o DNA)

Topoisomerase: alivia o superenrolamento positivo (torção do DNA) antes da bifurcação de replicação

Proteínas de ligação de fita simples (SSBPs): mantém os filamentos parentais separados

Primase: sintetiza um primer de RNA (inicia a síntese de uma nova fita)

DNA polimerase III: sintetiza uma fita filha de DNA

DNA Polimerase I: extirpa os primers de RNA e preenche com DNA

DNA ligase: liga covalentemente os fragmentos de Okazaki juntos

Mecanismo de Replicação de DNA

Começar a replicação

A replicação do DNA começa em locais especiais chamados origens de replicação. As bactérias, que têm cromossomos circulares relativamente pequenos, contêm apenas uma única origem de replicação. Os cromossomos eucarióticos, que são fitas longas e lineares de DNA, contêm muitas origens de replicação ao longo das fitas de DNA (veja abaixo). As proteínas que reconhecem as origens da replicação ligam-se a essas sequências e separam as duas fitas, abrindo uma & ldquobubble & rdquo de replicação. A replicação então prossegue em ambas as direções até que a molécula inteira seja copiada.

Figura ( PageIndex <5> ). bolhas de replicação (CC BY-NC-SA Boumphreyfr)

No final de cada bolha de replicação está um bifurcação de replicação, uma região em forma de Y onde as fitas parentais do DNA são desenroladas para que a máquina de replicação possa copiar o DNA. Helicases são enzimas responsáveis ​​por destorcer a dupla hélice nas bifurcações de replicação, separando as duas fitas e disponibilizando-as para servir de modelo para a replicação do DNA. A destorção da dupla hélice pela helicase causa a torção adicional da molécula de DNA à frente da bifurcação de replicação. Topoisomerase é a enzima que ajuda a aliviar essa cepa quebrando, destorcendo e reunindo as fitas de DNA. Depois que os filamentos parentais foram separados por helicase, proteínas de ligação de fita simples ligam-se aos fios dos pais para evitar que voltem a se regenerar.

As fitas parentais desenroladas agora estão prontas para serem copiadas, mas a DNA polimerase, a enzima responsável por copiar o DNA, não pode iniciar a síntese do DNA, ela pode apenas adicionar nucleotídeos a uma cadeia existente de nucleotídeos. Para resolver este problema, RNA primase coloca uma sequência curta de RNA complementar ao DNA molde, chamada de primer, que pode ser usada para iniciar a replicação do DNA. A DNA polimerase é então capaz de sintetizar novo DNA adicionando nucleotídeos a esta cadeia preexistente.

Fazendo uma nova fita de DNA

Como acima mencionado, Polimerases de DNA catalisar a síntese de novo DNA adicionando nucleotídeos ao primer de RNA que foi estabelecido pelo RNA Primase. Deve ser mencionado que em E. coli existem várias DNA polimerases diferentes, mas duas parecem desempenhar papéis principais: DNA Pol III e DNA Pol I. Em eucariotos, a situação é mais complexa, com pelo menos 11 DNA polimerases diferentes descobertas. até agora, mas os princípios gerais que discutiremos neste tutorial são aplicáveis ​​a ambos os sistemas.

Em E. coli, o DNA Pol III adiciona um nucleotídeo de DNA à extremidade 3 'do primer de RNA e, em seguida, continua adicionando nucleotídeos de DNA complementares à fita molde. Como foi mencionado anteriormente, as duas extremidades de uma fita de DNA são diferentes, pois são antiparalelas uma à outra. Essa direcionalidade é importante para a síntese de DNA, porque a DNA polimerase pode apenas adicionar nucleotídeos à extremidade 3 & rsquo de uma fita de DNA em crescimento (não à extremidade 5 & rsquo). Assim, uma nova fita de DNA só pode ser feita na direção 5 & rsquo para 3 & rsquo.

Fios principais e atrasados

Se olharmos para a bifurcação de replicação, veremos que esta direcionalidade 5 & rsquo para 3 & rsquo representa um problema. Ao longo de uma das fitas modelo, o DNA Pol III pode sintetizar uma fita complementar continuamente alongando o novo DNA na direção 5 & rsquo para 3 & rsquo. Isso é chamado de fio condutor e requer apenas um primer de RNA a ser feito para iniciar a replicação. No entanto, para alongar a outra fita na direção 5 & rsquo para 3 & rsquo, o DNA Pol III deve alongar a nova fita de DNA na direção oposta ao movimento da bifurcação de replicação. Esta vertente é conhecida como fio lento. À medida que a forma de replicação prossegue e expõe uma nova seção do molde da fita retardada, o RNA Primase deve colocar um novo primer para o DNA Pol III se alongar. Desta forma, o fio retardado é completado em um descontínuo maneiras. Os fragmentos de DNA sintetizados na fita retardada são chamados Fragmentos de Okazaki. Outra DNA polimerase, DNA Pol I é responsável por remover os primers de RNA e substituí-los por DNA. DNA ligase em seguida, sela as lacunas entre os fragmentos de Okazaki para completar a fita retardada recém-sintetizada.

Figura ( PageIndex <8> ). (CC BY-NC-SA)

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Tutorial de replicação de DNA por Dra. Katherine Harris é licenciado sob um Licença Creative Commons Attribution-NonCommercial-ShareAlike 3.0 Unported.


Noções básicas de replicação de DNA

Figura 1. Os três modelos sugeridos de replicação de DNA. Cinza indica as fitas originais do DNA e azul indica DNA recém-sintetizado.

A elucidação da estrutura da dupla hélice forneceu uma dica de como o DNA se divide e faz cópias de si mesmo. Este modelo sugere que as duas fitas da dupla hélice se separam durante a replicação, e cada fita serve como um modelo a partir do qual a nova fita complementar é copiada. O que não ficou claro foi como a replicação ocorreu. Três modelos foram sugeridos: conservador, semiconservador e dispersivo (ver Figura 1).

No replicação conservadora, o DNA parental permanece junto e as fitas filhas recém-formadas ficam juntas. o semi-conservador método sugere que cada uma das duas fitas de DNA parental atua como um modelo para o novo DNA a ser sintetizado após a replicação, cada DNA de fita dupla inclui uma fita parental ou & ldquoold & rdquo e uma fita & ldquonew & rdquo. No modelo dispersivo, ambas as cópias do DNA têm segmentos de fita dupla de DNA parental e DNA recém-sintetizado intercalados.

Meselson e Stahl estavam interessados ​​em entender como o DNA se replica. Eles cresceram E. coli por várias gerações em um meio contendo um isótopo & ldquoheavy & rdquo de nitrogênio (15 N) que é incorporado em bases nitrogenadas e, eventualmente, no DNA (Figura 2).

Figura 2. Meselson e Stahl experimentaram com E. coli cultivado primeiro em nitrogênio pesado (15 N) e depois em 14 N. DNA cultivado em 15 N (banda vermelha) é mais pesado do que DNA cultivado em 14 N (banda laranja), e sedimentos para um nível mais baixo na solução de cloreto de césio em uma ultracentrífuga. Quando o DNA cultivado em 15 N é trocado para meio contendo 14 N, após uma rodada de divisão celular o DNA sedimenta a meio caminho entre os níveis de 15 N e 14 N, indicando que agora contém cinquenta por cento de 14 N. Em divisões celulares subsequentes, um aumento quantidade de DNA contém 14 N apenas. Esses dados suportam o modelo de replicação semiconservador. (crédito: modificação da obra de Mariana Ruiz Villareal)

o E. coli a cultura foi então transferida para meio contendo 14 N e deixada crescer por uma geração. As células foram colhidas e o DNA foi isolado. O DNA foi centrifugado em alta velocidade em uma ultracentrífuga. Algumas células puderam crescer por mais um ciclo de vida em 14 N e giraram novamente. Durante a centrifugação em gradiente de densidade, o DNA é carregado em um gradiente (normalmente um sal, como cloreto de césio ou sacarose) e girado em altas velocidades de 50.000 a 60.000 rpm. Nessas circunstâncias, o DNA formará uma faixa de acordo com sua densidade no gradiente. O DNA cultivado em 15 N se agrupará em uma posição de densidade mais alta do que aquele cultivado em 14 N. Meselson e Stahl notaram que após uma geração de crescimento em 14 N após terem sido deslocados de 15 N, a banda única observada era intermediária na posição em entre DNA de células cultivadas exclusivamente em 15 N e 14 N. Isso sugere um modo de replicação semiconservativo ou dispersivo. O DNA colhido de células cultivadas por duas gerações em 14 N formou duas bandas: uma banda de DNA estava na posição intermediária entre 15 N e 14 N, e a outra correspondia à banda de 14 N de DNA. Esses resultados só poderiam ser explicados se o DNA se replicasse de maneira semiconservadora. Portanto, os outros dois modos foram excluídos.

Durante a replicação do DNA, cada uma das duas fitas que compõem a dupla hélice serve como um modelo a partir do qual as novas fitas são copiadas. A nova fita será complementar à fita parental ou & ldquoold & rdquo. Quando duas cópias filhas de DNA são formadas, elas têm a mesma sequência e são divididas igualmente nas duas células filhas.

O modelo para replicação de DNA sugere que as duas fitas da dupla hélice se separam durante a replicação, e cada fita serve como um modelo a partir do qual a nova fita complementar é copiada. Na replicação conservadora, o DNA parental é conservado e o DNA filho é sintetizado de novo. O método semiconservador sugere que cada uma das duas fitas de DNA parental atua como molde para o novo DNA a ser sintetizado após a replicação, cada DNA de fita dupla inclui uma fita parental ou & ldquoold & rdquo e uma fita & ldquonew & rdquo. O modo dispersivo sugeria que as duas cópias do DNA teriam segmentos de DNA parental e DNA recém-sintetizado. Evidências experimentais mostraram que a replicação do DNA é semiconservadora.


Pós-replicação de DNA incompatível, dano e reparo

Embora a DNA polimerase tenha uma taxa de erro muito baixa, em parte devido à sua atividade de revisão, alguns pares de bases incompatíveis escapam da correção durante a replicação. Além disso, o DNA pode ser danificado de outras maneiras que alteram a sequência do DNA. Essas incompatibilidades e danos de DNA, se não corrigidos ou reparados, resultarão em um mutação(uma mudança permanente no DNA) na próxima rodada de replicação, o que pode ser prejudicial para a célula. Por exemplo, o distúrbio genético da anemia falciforme resulta de uma única alteração de nucleotídeo (adenina alterada para timina) no gene que codifica uma das duas proteínas globinas que constituem a hemoglobina. Essa mudança de nucleotídeo causa uma mudança na sequência de aminoácidos e, conseqüentemente, uma mudança na forma da proteína mutante nos glóbulos vermelhos. Essas alterações na proteína fazem com que ela se agregue, formando grandes complexos que distorcem o formato das hemácias. Estas chamadas "células quotsickle" são mais frágeis do que os glóbulos vermelhos normais e têm maior probabilidade de se romperem na corrente sanguínea, resultando em menos glóbulos vermelhos (anemia).

Felizmente, as células possuem mecanismos para restaurar pares de bases incompatíveis e reparar danos ao DNA. O sistema de reparo de incompatibilidade de DNA corrige 99% dos pares de bases incompatíveis que não foram removidos pela DNA polimerase durante a replicação. As proteínas de reparo incompatíveis reconhecem e se ligam ao par de bases incompatíveis, os nucleotídeos da fita recém-sintetizada de DNA são excisados, uma DNA polimerase de reparo preenche a lacuna e, em seguida, a DNA ligase reúne este trecho de nucleotídeos ao resto da fita de DNA. É importante para o sistema de reparo de incompatibilidade de DNA distinguir entre a fita molde de DNA e a fita de DNA recém-sintetizada, no entanto, o mecanismo completo para isso não é totalmente compreendido.

As mutações podem surgir no DNA por meio de danos que alteram a estrutura química do nucleotídeo. Isso pode ocorrer espontaneamente ou em resposta a algum fator ambiental. Os dois tipos mais comuns de danos que surgem de reações espontâneas são depurinação (a perda da base dos nucleotídeos de purina adenina ou guanina) e desaminação(normalmente a conversão de citosina em uracila). A despurinação resulta em um nucleotídeo sem base, conseqüentemente, a DNA polimerase irá pular este nucleotídeo ao sintetizar a fita complementar durante a replicação. Isso leva a uma perda de nucleotídeos na próxima rodada de replicação. Em alguns casos, o nucleotídeo depurinado é emparelhado por bases com um nucleotídeo incompatível na outra fita, resultando em uma mudança de par de bases. A desaminação resulta em uma alteração da sequência de nucleotídeos na próxima rodada de replicação, de um par de bases C-G para um par de bases A-T. Outro tipo comum de dano ao DNA é dímero de timinaformação. Isso é mais frequentemente induzido pela exposição à luz ultravioleta e consiste em uma ligação covalente entre as bases de timas adjacentes em uma fita de DNA. Isso causa um bloqueio na replicação do DNA e pode resultar em mutações. A taxa desses tipos de dano é muito alta (por exemplo, a depurinação ocorre 500 vezes por célula por dia), no entanto, existem inúmeras vias para reparar o DNA danificado e, como resultado, a taxa de mutação hereditária não é tão alta. O reparo geralmente ocorre em três etapas: o DNA danificado é reconhecido e removido, a DNA polimerase de reparo preenche a lacuna e a DNA ligase volta a lacrar a fita de DNA. O reparo do DNA é uma via complexa, envolvendo muitas proteínas e atividades diferentes que não são totalmente compreendidas pelos biólogos. No entanto, a importância dessas proteínas é destacada em vários distúrbios humanos que apresentam proteínas de reparo de DNA defeituosas e que exibem uma incidência muito maior de câncer devido à incapacidade das células de reparar eficientemente DNA danificado ou incompatível. A maioria dos cânceres surge por meio de mutações nos principais genes reguladores do crescimento que se acumulam ao longo da vida do indivíduo. Indivíduos com reparo de DNA defeituoso têm uma chance muito maior de surgirem mutações nos genes causadores do câncer.


Telômeros e envelhecimento celular

Os telômeros são importantes, portanto, seu encolhimento constante a cada mitose pode impor um tempo de vida finito às células. Este, de fato, é o caso. As células normais (não cancerosas) não crescem indefinidamente quando colocadas em cultura.

Consulte Células cancerosas em cultura para uma discussão sobre as diferenças entre células normais e cancerosas cultivadas em cultura.

As células retiradas de um recém-nascido e colocadas em cultura irão se dividir quase 100 vezes. Bem antes do fim, entretanto, sua taxa de mitose diminui (para menos de uma vez a cada duas semanas). Se minhas células fossem cultivadas (tenho 81 anos), elas administrariam apenas algumas dezenas de mitoses antes de pararem de se dividir e morrerem.

Este fenômeno é chamado senescência replicativa [Mais]. Poderia o encolhimento dos telômeros ser um relógio que determina a longevidade de uma linhagem celular e, portanto, é responsável pela senescência replicativa?

Provas:

Acontece que essas células são capazes de manter o comprimento de seus telômeros. Eles fazem isso com a ajuda de uma enzima telomerase.


A replicação em procariotos começa a partir de uma sequência encontrada no cromossomo chamada origem de replicação - o ponto em que o DNA se abre. A helicase abre a dupla hélice do DNA, resultando na formação da forquilha de replicação. Proteínas de ligação de fita simples ligam-se ao DNA de fita simples perto da bifurcação de replicação para manter a bifurcação aberta. Primase sintetiza um primer de RNA para iniciar a síntese pela DNA polimerase, que pode adicionar nucleotídeos apenas à extremidade 3 'de uma fita de primer previamente sintetizada. Ambas as novas fitas de DNA crescem de acordo com suas respectivas direções 5'-3 '. Uma fita é sintetizada continuamente na direção da bifurcação de replicação, é chamada de fita principal. A outra fita é sintetizada na direção oposta à bifurcação de replicação, em pequenos trechos de DNA conhecidos como fragmentos de Okazaki. Esta vertente é conhecida como vertente retardada. Uma vez que a replicação é concluída, os primers de RNA são substituídos por nucleotídeos de DNA e o DNA é selado com DNA ligase, que cria ligações fosfodiéster entre o 3'-OH de uma extremidade e o fosfato 5 'da outra fita.

Figura Você isola uma cepa de célula na qual a união dos fragmentos de Okazaki é prejudicada e suspeita que ocorreu uma mutação em uma enzima encontrada na bifurcação da replicação. Qual enzima tem maior probabilidade de sofrer mutação?

Figura DNA ligase, uma vez que esta enzima une fragmentos de Okazaki.