Introdução

    Enzimas de restrição são proteínas encontradas em bactérias que reconhecem uma curta sequência de DNA específica e clivam a dupla fita em um ponto específico.
    Estas enzimas fazem parte de um sistema de defesa contra DNA de fagos, os vírus de bactérias. Tal sistema é composto por um par de enzimas, às vezes fundidas em uma só proteína:

1. uma enzima (ou domínio) metila certos sítios do DNA da bactéria, protegendo-os contra auto-clivagem,
2. uma segunda enzima (enzima de restrição) reconhece estes sítios que não estão metilados em fagos, clivando-os. Assim, a bactéria possui um meio de clivar somente o DNA de invasores, mantendo o seu próprio intacto.



    Existem centenas de enzimas de restrição, vamos utilizar a BglI da bactéria Bacillus globigii como nosso modelo.
    Esta enzima é uma endonuclease, ou seja, uma enzima que cliva nucleotídeos internos a uma sequência de DNA. As exonucleases clivam o DNA a partir de uma extremidade livre.
    O primeiro tipo de enzima de restri
ção conhecida (tipo I) reconhece 6 pares de base consecutivos de uma sequência de DNA.

    A BglI
é uma enzima de restrição do tipo II que reconhece uma sequência de DNA interrompida: 5'-GCCNNNNNGGC-3'. A enzima reconhece a sequência marcada em amarelo e cliva entre a quarta e quinta bases anotadas como N.
    Lembremos que esta enzima liga-se e cliva uma dupla fita de DNA. Note que o reverso complementar da sequência é ela mesma:

5'-GCCNNNNNGGC-3'
3'-CGGNNNNNCCG-5'

    Dessa forma, o fato da enzima clivar a sequência alvo entre a quarta e quinta bases, implica em um corte simétrico (indicado por |):

5'-GCCNNNN|NGGC-3'
3'-CGGN|NNNNCCG-5'

    Veja uma animação sobre a função destas enzimas.   


 ver animação

    Agora vamos estudar como a estrutura desta proteína está associada à sua função.


 carregar modelo atômico da enzima de restrição Bgl

    A fita de DNA está colorida de laranja e a enzima de azul. As bases de DNA estão coloridas em vermelho e as pontes de hidrogênio entre elas em branco.





Estrutura da BglI

    Gire a molécula a vontade e perceba que o DNA encontra-se dentro de uma fenda formada pela enzima. Ao todo, 14 pares de bases são abrigados pela enzima. A estrutura desta proteína permite que tal contato se estabele
ça, criando um ambiente apropriado para a clivagem.

    Como muitas proteínas, a BglI é na verdade um homodímero.
 

 colorir monômeros separadamente

    Gire a molécula para verificar a simetria da estrutura formada.

     No caso desta enzima de restrição, o fato de ser um homodímero permite que a proteína reconheça e intereja de forma simétrica com a sequência de DNA que também é simétrica.




Reconhecimento do DNA pela enzima

 
    Para facilitar a visualização, vamos visualizar apenas alguns aminoácidos da enzima e a dupla fita de DNA.


 mostrar somente aminoácidos 62-159 e 162-282

    A sequência de DNA a ser reconhecida pela enzima está indicada em amarelo.

5'-
GCCNNNNNGGC-3'
3'-CGGNNNNNCCG-5'


 mostrar sequência a ser reconhecida no modelo (em amarelo)

    O reconhecimento do DNA pela enzima se dá pelo contato de uma região específica da proteína com os nucleotídeos em amarelo.


 mostrar a região de reconhecimento na BglI (em roxo)

    Perceba que a proteína envolve a dupla fita.


 ver raios atômicos

    Podemos distinguir as diferentes regiões do DNA que são contactadas pela proteína.


 ver região da proteína que faz contato com o sulco maior (folhas beta 4, 10 e 11 - resíduos 154-157, 262-279, 278-281)


 ver região da proteína que faz contato com o sulco menor (laço entre alfa-hélices 3 e 4 - resíduos 59-82)

    A maior parte dos contatos entre proteína e DNA é estabelecido através de pontes de hidrogênio.



Clivagem do DNA

    Após o reconhecimento da sequência GCCNNNNNGGC, o papel da enzima é clivar a sequência NNNNN. Isto é feito com alta eficiência porque o quarto e quinto nucleotídeos estão localizados muito próximos ao sítio catalítico.

  destacar aminoácidos Glu87, Asp116, Asp142, Lys144 dos sítios catalíticos (um em cada monômero, em branco). 


 ver quarto e quinto nucleotídeos da sequência de DNA

    Note que devido à curvatura da molécula de DNA e da simetria da sequência, o quarto e quinto nucleotídeos das duas fitas localizam-se do mesmo lado e próximos aos dois sítios catalíticos.

    Como se dá a clivagem, mecanisticamente?
    O ponto exato de clivagem é a ligação fosfodiéster N4pN5 entre as bases
N4e N5. Mais precisamente, o átomo de fosfato da ligação é atacado por um oxigênio de uma molécula de água, posicionada no sítio ativo com o auxílio de átomos de Mg+2 e dos aminoácidos do sítio catalítico.

    Ou seja, a função dos aminoácidos do sítio catalítico é organizar outros átomos de tal forma que a reação química de hidrólise da ligação fosfodiéster possa ser realizada.

  destacar átomo de fósforo da ligação fosfato entre os nucleotídeos N4e N5.
 
  destacar moléculas de água no sítio ativo

  destacar átomos de Mg+2 no sítio ativo