{"id":9581,"date":"2021-01-05T23:23:20","date_gmt":"2021-01-06T04:23:20","guid":{"rendered":"https:\/\/nebula.org\/blog\/dna-polymerase\/"},"modified":"2021-02-20T20:20:19","modified_gmt":"2021-02-21T01:20:19","slug":"dna-polymerase","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/nebula.org\/blog\/de\/dna-polymerase\/","title":{"rendered":"DNA-Polymerasen – Die m\u00e4chtigen Autoren des Genoms"},"content":{"rendered":"\n

DNA-Polymerase-Definition<\/h2>\n\n

DNA-Polymerasen sind Enzyme, die die Synthese von DNA-Molek\u00fclen aus Desoxyribonukleotiden katalysieren. DNA-Polymerasen spielen eine Schl\u00fcsselrolle bei der DNA-Replikation und erm\u00f6glichen die Weitergabe genetischer Informationen an Tochterzellen von Generation zu Generation.<\/p>\n\n

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Herausgegeben von Christina Swords, Ph.D.<\/em><\/p>\n\n

Biochemische Aspekte von DNA-Polymerasen<\/h2>\n\n

Polymeraseaktivit\u00e4t<\/h3>\n\n

Die Polymerase erm\u00f6glicht die chemische Verkn\u00fcpfung einzelner Molek\u00fcle (Monomere) zu einer Kette (Polymer). Im Fall der DNA-Polymerase ist das gebildete Polymer Desoxyribonukleins\u00e4ure (DNA). Die Monomere sind Desoxyribonukleotide, genauer gesagt Desoxynukleosidtriphosphate (dNTPs). Die DNA-abh\u00e4ngige DNA-Polymerase verwendet immer einen bereits vorhandenen DNA-Einzelstrang als Matrize f\u00fcr die Synthese eines neuen komplement\u00e4ren Strangs, dessen Nukleotidsequenz somit durch die Matrize bestimmt wird. Diese Erhaltung der DNA-Sequenz ist entscheidend f\u00fcr die F\u00e4higkeit der DNA-Polymerase, die in der DNA kodierte genetische Information zu kopieren. Das korrekte Kopieren der Matrize wird durch komplement\u00e4re Basenpaarung der eingebauten Nukleotidbasen mit den Basen der DNA-Matrize erreicht, vermittelt durch Wasserstoffbr\u00fccken. Die Synthese des neuen DNA-Strangs erfolgt vom 5′- bis zum 3′-Ende. Chemisch findet ein nukleophiler Angriff der terminalen 3′-Hydroxygruppe des DNA-Strangs auf das \u03b1-Phosphat des dNTP statt, wobei Pyrophosphat freigesetzt wird. Dieser Schritt wird durch die Polymerase katalysiert.<\/p>\n\n

Im Gegensatz zu RNA-Polymerasen (produziert RNA, die zur Synthese von Proteinen aus Aminos\u00e4uren verwendet wird) kann die Synthese des komplement\u00e4ren DNA-Strangs in DNA-Polymerasen nur stattfinden, wenn der Polymerase ein freies 3′-Hydroxy-Ende zur Verf\u00fcgung steht. Das erste Nukleotid wird dann an dieses Ende gebunden. Bei der Polymerasekettenreaktion (PCR) wird ein DNA-Einzelstrang (Primer) mit einer L\u00e4nge von etwa 15 bis 20 Nukleotiden als Ausgangspunkt der Reaktion verwendet. Die Enzyme ben\u00f6tigen \u00fcblicherweise Magnesiumionen als Cofaktor.<\/p>\n\n

Die Katalyse der Bildung der Diesterbindung ist funktionell analog zur entsprechenden Reaktion von RNA-Polymerasen. Das letzte bereits synthetisierte Nukleotid des Abschnitts und das hinzuzuf\u00fcgende Nukleotid sind an eines von jeweils zwei Magnesiumionen im katalytischen Zentrum der Polymerasedom\u00e4ne koordiniert. Die erste Phosphatgruppe des hinzuzuf\u00fcgenden Nukleotids ist an beide Magnesiumionen koordiniert. Die r\u00e4umliche Position erm\u00f6glicht es der Hydroxygruppe des vorhergehenden Nukleotids, die Phosphatgruppe des hinzuzuf\u00fcgenden Nukleotids anzugreifen. Dabei wird ein Pyrophosphatrest abgespalten.<\/p>\n\n

\"Die
Die Prozesse an den aktiven Stellen der DNA-Polymerase, an denen Nukleins\u00e4urereaktionen katalysiert werden.<\/figcaption><\/figure>\n\n

Exonukleaseaktivit\u00e4t<\/h3>\n\n

Viele Polymerasen haben auch andere Enzymfunktionen. In Gegenwart geringer Konzentrationen von dNTPs \u00fcberwiegt die 3 ‚\u2192 5‘-Exonukleaseaktivit\u00e4t zur Nukleotidentfernung. Einige Polymerasen haben auch eine 5 ‚\u2192 3‘ Exonukleaseaktivit\u00e4t. Um sicherzustellen, dass beim Lesen der DNA-Matrize keine Fehler auftreten, haben sie diese Korrekturlesefunktion, dh sie k\u00f6nnen die Insertion eines ungeeigneten Nukleotids nachweisen und es dann mittels der Exonukleaseaktivit\u00e4t aus der DNA entfernen. Dies erm\u00f6glicht den Abbau eines vorhandenen DNA- oder RNA-Strangs, der bereits mit dem Matrizenstrang gepaart ist, w\u00e4hrend ein neuer Strang gebildet wird. Dies f\u00fchrt zu einem Austausch des alten Strangs gegen einen neuen Strang. Diese Exonukleaseaktivit\u00e4t wird durch das Nick-Translationsverfahren ausgenutzt.<\/p>\n\n

Verschiedene DNA-Polymerasen<\/h2>\n\n

In Bakterien wie Escherichia coli gibt es drei verschiedene DNA-abh\u00e4ngige DNA-Polymerasen. Eine davon, die DNA-Polymerase I (Pol I), wurde 1955 von Arthur Kornberg isoliert und war die erste Polymerase, die jemals entdeckt wurde. Dies ist jedoch nicht die wichtigste Polymerase f\u00fcr die Replikation in E. coli, da sie nur etwa 20 Syntheseschritte katalysiert (dh nur eine geringe Verarbeitungsleistung aufweist). Aufgrund seiner 5’\u2192 3′-Exonukleaseaktivit\u00e4t ist es jedoch f\u00fcr den Primerabbau w\u00e4hrend der Replikation verantwortlich. DNA-Polymerase II und DNA-Polymerase III, die beiden anderen DNA-Polymerasen in E. coli, wurden nur 15 Jahre nach der Entdeckung der DNA-Polymerase I isoliert, nachdem sich E. coli-Mutanten mit einem Defekt im Polymerase I-Gen dennoch als kompetent erwiesen hatten Reproduzieren. Diese Mutanten waren jedoch besonders anf\u00e4llig f\u00fcr UV-Strahlung und alkylierende Substanzen, weshalb angenommen wird, dass die DNA-Polymerase I haupts\u00e4chlich Reparaturaufgaben ausf\u00fchrt. Die Polymerase III, die die eigentliche Replikation in E. coli durchf\u00fchrt, besteht aus insgesamt sieben Untereinheiten und kommt nur in sehr wenigen Kopien pro Bakterienzelle vor.<\/p>\n\n

Eukaryotische DNA-Polymerasen, einschlie\u00dflich menschlicher DNA-Polymerasen, werden in die folgenden Familien eingeteilt:<\/p>\n\n