1 Metabolismo do DNA Alguns processos importantes no estudo

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Metabolismo do DNA
Alguns processos importantes no estudo dos ácidos nucléicos são:
REPLICAÇÃO – síntese de DNA
TRANSCRIÇÃO – síntese de RNA a partir do DNA
TRADUÇÃO – síntese de proteínas a partir do RNA
A informação genética, dessa forma, é armazenada na molécula de
DNA. Depois esse DNA é transcrito em RNA e esse RNA servirá de molde para
síntese de proteínas. Essas proteínas serão, enfim, funcional no organismo.
Através da utilização do RNA como molde, a seqüência de três em três
nucleotídeos (códons) vai corresponder a um aminoácido na cadeia
polipeptídica da proteína.
Tanto o DNA quanto o RNA são chamados de ácidos nucléicos. Seus
esqueletos são compostos por repetições de um monossacarídeo de cinco
carbonos (deoxirribose ou ribose), um fosfato e uma base nitrogenada
(citosina, guanina, timina, adenina ou uracila). O composto obtido pela união do
monossacarídeo e da base nitrogenada é o chamado nucleotídeo. O
nucleotídeo é a unidade básica da estrutura dos ácidos nucléicos. Esses
nucleotídeos ligam-se entre si por ligações do tipo fosfodiéster.
As bases nitrogenadas podem ser divididas em bases púricas ou
pirimídicas. As bases púricas são a adenina e a guanina. As bases pirimídicas
são citosina, timina e uracila. Como já dito: bases nitrogenadas + pentose +
fosfato → nucleotídeo.
A ribose (componente do RNA) possui um OH no carbono 3’ e um OH
no carbono 2’. A deoxirribose (componente do DNA) possui um OH no carbono
3’ e um H no carbono 2’. Assim, os nucleotídeos que compõem o DNA serão
diferentes dos nucleotídeos que compõem o RNA. Por exemplo, dA é um
nucleotídeo que possui uma deoxirribose como pentose e uma adenina como
base nitrogenada, ao passo que rA é um nucleotídeo que possui uma ribose
como pentose e uma adenina como base nitrogenada.
LIGAÇÃO FOSFODIÉSTER
Como já dito, trata-se da ligação que une os nucleotídeos para formação
dos ácidos nucléicos. É a ligação do fosfato, presente no carbono 5’ da
pentose, com a hidroxila, presente no carbono 3’ da pentose.
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Sendo assim, o DNA terá duas pontas livres, que não fazem nenhuma
ligação fosfodiéster. Uma das pontas é chamada de 5’, onde há o fosfato livre.
A outra ponta é chamada de 3’, onde há o OH livre. Por convenção, uma
seqüência de DNA que não possui nenhuma especificação em suas pontas,
terá na sua extremidade esquerda (começo) a ponta 5’ e na sua extremidade
direita (fim) a ponta 3’.
DUPLA FITA DE DNA E OS CROMOSSOMOS
O DNA é formado por uma dupla fita, ao passo que, geralmente, o RNA
encontra-se na forma de simples fita. O pareamento da dupla fita de DNA
acontece por ligações de hidrogênio entre as bases nitrogenadas dos
nucleotídeos. Como sabe-se, a base nitrogenada A vai se parear com a base
nitrogenada T por duas pontes de hidrogênio. A base nitrogenada C vai se
parear com a base nitrogenada G por três pontes de hidrogênio. Uma das fitas
vai estar no sentido 5’ → 3’ e a outra fita vai estar no sentido 3’ → 5’. Isso
acontece porque o sentido das fitas é antiparalelo. Depois da formação da
dupla fita, forma-se uma estrutura de hélice, sendo por isso, o DNA uma dupla
hélice. Dentro dessa estrutura de dupla hélice, podem-se formar estruturas
chamadas de major groove e minor groove, que são sulcos no DNA envolvidos
em processos envolvidos no metabolismo do DNA, inclusive nos processos de
regulação gênica. Na maior parte do tempo o DNA assume a estrutura de dupla
hélice, mas também pode assumir a forma de uma cruz ou outras estruturas.
São estas estruturas mais especializadas que ocorrem somente em momentos
específicos.
Após a formação da dupla hélice, o DNA ainda se enrola mais ainda,
para que possa se acomodar dentro da célula. Em células eucarióticas, o
enovelamento da molécula de DNA se dá através da interação desse DNA com
as proteínas histonas. Essa interação forma os chamados nucleossomos. Os
nucleossomos de forma geral formam as fibras de cromatina. A cromatina
diferencia-se de acordo com seu grau de compactação em eucromatina e
heterocromatina. Quando a cromatina estiver bastante compactada, haverá a
formação dos chamados cromossomos.
Ressalta-se a presença de vários tipos diferentes de histonas (H1, H2,
H3, H4...) durante o processo. As histonas não apresentam somente essa
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função estrutural. Elas podem sofrer modificações pós-traducionais como
acetilação e desacetilação, que vão regular a expressão de determinados
genes.
O RNA pode formar uma estrutura terciária quando os nucleotídeos da
simples fita de RNA começam a interagir entre si, como se fossem uma
proteína. Dessa forma há a formação de diferentes RNAs, como o RNA
transportador, RNA mensageiro e RNA ribossômico.
PCR E DESNATURAÇÃO DO DNA
O DNA é uma molécula muito rica em informações. Assim, várias
técnicas de biologia molecular foram criadas para entender o comportamento
do DNA e desvendar como suas informações contidas são expressas e
passadas adiante. Essas técnicas são importantes, inclusive, para cura e
entendimento de diversas patologias. Uma das técnicas bastante utilizada e
que auxiliou muito o entendimento da biologia molecular foi a técnica de PCR
(polymerase chain reaction). Trata-se de uma reação em que se consegue
multiplicar exponencialmente a quantidade de DNA in vitro. Ou seja, trata-se de
uma replicação artificial.
Para que ocorra a duplicação das fitas de DNA (replicação), há a
necessidade de que a dupla fita de DNA se desenrole e se separe. A esse
processo dá-se o nome de desnaturação do DNA. Tanto a temperatura quanto
enzimas especializadas podem separar as duas fitas de DNA. Essa separação
é importante porque não há como copiar as duas fitas de DNA se estas
estiverem juntas (há necessidade de bases desemparelhadas para que a
enzima DNA polimerase possa emparelhar outra base a ela, formando uma
dupla fita). A separação das duas fitas é feita através da quebra das ligações
de hidrogênio. Um aumento na temperatura leva à quebra das ligações de
hidrogênio e uma diminuição de temperatura leva à formação destas
novamente, formando a dupla fita de novo.
REPLICAÇÃO
Como já dito, a replicação é uma maneira de duplicar o DNA existente.
Essa replicação tem que ser muito eficiente para que não haja mutações ou
processos que tornem a célula inviável. Dessa forma, a própria replicação é,
em si, um processo com alta fidelidade. Mesmo assim, há diversos
mecanismos de correção que tornam a replicação um processo com fidelidade
ainda maior.
A replicação pode ser dividida em iniciação, elongação e terminação.
Várias enzimas participam dessa replicação, mas a principal delas e a
responsável de fato para que ocorra a replicação é a DNA polimerase. A DNA
polimerase é a enzima que une os nucleotídeos por ligações fosfodiéster. As
características desta é que controlam os processos de replicação.
A direção na replicação é 5’ → 3’. Trata-se de um processo
semidescontínuo (em uma fita a replicação é contínua e na outra fita a
replicação é feita em pedaços) e semiconservativa (ao fim de um processo de
replicação, a dupla fita de DNA será composta por uma fita mãe e a fita que foi
gerada a partir desta fita mãe). É a DNA polimerase que define a direção de
replicação e o fato de se tratar de um processo semidescontínuo. Isso
acontece porque a DNA polimerase só consegue adicionar nucleotídeos
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fosfatos 5’ na posição 3’ da deoxirribose. Na prática, isso significa que a DNA
polimerase precisará de uma molécula iniciadora ou primer. Esse iniciador vai
fornecer um OH ligado ao carbono 3’ para que a DNA polimerase possa ligar o
fosfato 5’. Dessa forma, a DNA polimerase vai ligar um nucleotídeo atrás do
outro no sentido 5’ (onde está o primer com o primeiro OH 3’ livre) ao 3’ (onde
haverá um OH livre em que a DNA polimerase não ligará outro fosfato). Na fita
contínua, um primer será o suficiente para que haja completa polimerização de
nucleotídeos até o fim da cadeia. Na fita descontínua, vários primers serão
necessários para terminar a polimerização, visto que cada um será o iniciador
para uma pequena parte do DNA apenas.
A DNA polimerase possui duas funções: atividade revisora (ela é capaz
de voltar na fita para retirar um nucleotídeo errado, após perceber a presença
desse por mudanças conformacionais) e atividade de síntese de DNA.
Outro processo que acontece na DNA polimerase é a processividade. A
DNA polimerase pode, durante o processo de replicação, desligar e ligar no
DNA. Quanto mais vezes ela se ligar ao DNA durante a replicação, menor sua
processividade e maior a chance de erro. Dessa forma, a DNA polimerase da
replicação é uma enzima com alta processividade, ou seja, ela quase não se
desliga do DNA durante a replicação diminuindo a possibilidade de erros. Por
exemplo, existem várias DNA polimerase em E. Coli. Essas DNA polimerase
possuem diferentes funções. Essas funções são determinadas pela
processividade e pela velocidade de polimerização de cada uma das enzimas.
A enzima da replicação será a enzima com maior velocidade de polimerização
e processividade. Enzimas com esses valores menores terão outras funções,
como funções revisoras por exemplo.
A DNA polimerase possui diferentes subunidades. A subunidade α é
responsável pela polimerização dos nucleotídeos. A subunidade ε está
envolvida na atividade revisora. As subunidades β estão envolvidas com a
processividade e pela formação do grampo que facilita a replicação. As demais
subunidades estão envolvidas com a processividade e formação do grampo
com as subunidades β.
A figura abaixo representa de forma esquemática uma DNA polimerase
III de E. Coli:
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FASES DA REPLICAÇÃO
1- Iniciação:
É essencial, para o início da replicação, o reconhecimento da cadeia de
DNA a ser duplicada. Esse reconhecimento se dá através de uma seqüência
de nucleotídeos chamada origem de replicação. Essa origem de replicação é
um ponto no DNA onde vai acontecer o início da replicação. A seqüência de
nucleotídeos que inicia é replicação é específica para cada organismo. Dessa
forma, se colocarmos um pedaço de DNA humano em uma bactéria, este não
será reconhecido nem replicado, já que a origem de replicação humana é
diferente da origem de replicação bacteriana.
O reconhecimento da origem de replicação é feita por uma proteína
chamada DnaA. Ao reconhecer a origem de replicação, a DnaA se liga ao DNA
e recruta outras duas proteínas: DnaB e DnaC. Essas três proteínas quebrarão
as ligações de hidrogênio que unem as duas fitas de DNA e farão com que haja
a formação de uma bolha no DNA. Esta bolha é uma área do DNA onde há
simples fita, pois as ligações de hidrogênio foram quebradas, em meio ao resto
do DNA formado por dupla fita. É nessa bolha que a forquilha de replicação vai
se instalar. Essa forquilha de replicação é formada por várias proteínas e é
responsável pela replicação do DNA. As principais proteínas dessa forquilha de
replicação são: helicase e topoisomerase (DNA girase), que vão ajudar a
desenovelar a dupla fita de DNA, SSB, que vai ligar-se ao DNA para mantê-lo
como simples fita e RNA primase, que vai auxiliar na síntese do primer. Além
disso, haverá a DNA polimerase que vai, de fato, polimerizar os nucleotídeos e
duplicar o DNA. A RNA primase é um tipo de RNA polimerase. Dessa forma a
molécula de primer é, na verdade, um RNA. Isso acontece porque somente a
RNA polimerase é capaz de sintetizar algo sem um iniciador. Assim, ela servirá
como síntetizadora de iniciadores para as DNA polimerases.
2- Alongamento:
A fita contínua seguirá no processo normal, inteiriça ao passo que a fita
descontínua será dividida em diversos fragmentos, os chamados Fragmentos
de Okazaki. A fita descontínua é replicada em partes porque vai contra o
sentido original de replicação 5’ – 3’.
Em seguida, outra DNA polimerase (DNA polimerase I em E. coli) entra
no processo. Essa DNA polimerase I possui uma atividade que a DNA
polimerase III (que faz a polimerização propriamente dita) não tem: atividade de
hexonuclease-5’-3’. Ou seja, a DNA polimerase I vai se ligar ao DNA e vai
degradar o primer que ainda está ligado ao fragmento inicial de DNA formado.
Por fim, a DNA ligase vai juntar os diversos fragmentos de Okazaki
através de ligações fosfodiéster, formando uma única fita de DNA. A DNA
ligase de E. Coli precisa de ATP para exercer sua função.
3- Terminação:
Para a terminação da replicação, entram em ação as proteínas C. As
proteínas C, juntamente com sítios existentes no DNA, participam, assim, do
término da replicação. Essas proteínas C fazem a forquilha de replicação
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estacionar e se desligar. Esse processo só vai terminar, em condições
celulares normais, quando todo o DNA tiver sido replicado. Assim, à medida
que a replicação começou, ela só acaba quando todo o DNA tiver sido
replicado.