Genetik

DNA Polymerase

Das Enzym DNA Polymerase kommt in allen Organismen vor und spielt eine wichtige Rolle in der Biotechnologie. Hier erfährst du alles Wissenswerte über dieses wichtige Enzym. %Schaue dir gerne für ein noch schnelleres Verständnis unser zugehöriges Video an!

Inhaltsübersicht

DNA Polymerase einfach erklärt 

Die DNA Polymerase ist ein Enzym, das für die Herstellung von DNA (Desoxyribonukleinsäure) aus ihren einzelnen Bestandteilen – den Nukleotiden%Verweis – zuständig ist. Sie kommt in allen Prokaryoten und Eukaryoten vor und existiert in sehr vielen verschiedene Arten und Formen. Du kannst dir ihre Struktur aber in etwa wie eine geöffnete rechte Hand vorstellen. 

DNA Polymerasen spielen eine zentrale Rolle bei der DNA Replikation%Verweis, also der Herstellung identischer Kopien der DNA. Das ist wichtig, damit die genetischen Informationen bei Zellwachstum und Fortpflanzung weitergeben werden können. Auch in der Biotechnologie wie in der sogenannten Polymerase Kettenreaktion (PCR)%Verweis können mit ihrer Hilfe DNA Abschnitte vervielfältigt werden.%<img class="" src="http://study.com/cimages/videopreview/dna-polymerase-definition-function-quiz_01004105_114634.jpg" alt="Quellbild anzeigen" width="486" height="274" />%DNA Polymerase bei der DNA Replikation, Alt Text: DNA Replikation, DNA Polymerisation, Nukleotid, Basen, DNA Polymerase, Leitstrang, Folgestrang%Hier Abbildung von DNA Replikation Artikel übernehmen

RNA Polymerasen %Verweis hingegen sind für die Synthese von RNA Strängen zuständig und nehmen eine relevante Stellung in der Transkription der Proteinbiosynthese ein. 

DNA Polymerase Definition

DNA Polymerasen (engl. DNA polymerases) sind Enzyme, die die Bildung von DNA Strängen anhand einer Vorlage (Matrize) katalysieren. Sie spielen eine große Rolle bei der DNA Replikation. 

DNA Polymerase Aufbau

Der Aufbau und die Struktur der DNA Polymerasen ist je nach Art sehr unterschiedlich. Sie existieren zum Beispiel als einzelnes Enzym oder auch als größerer Enzymkomplex.  

Allerdings bestehen auch Gemeinsamkeiten ihrer Struktur: Ihre katalytische Untereinheit, die also für die Beschleunigung der Reaktion zuständig ist, besitzt die Form einer geöffneten Hand und umschließt quasi den DNA Strang. Ihre jeweiligen Bereiche tragen auch tatsächlich die Namen der Bestandteilte einer Hand: Daumen (thumb), Finger (finger) und Handinnenfläche (palm). 

Zudem kannst du im Handflächenbereich in allen DNA Polymerasen das aktive Zentrum vorfinden. 

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Handstruktur der DNA Polymerase


%<img class="alignnone  wp-image-80326" src="https://blog.studyflix.de/wp-content/uploads/2020/11/Polymerase-aufbau-1024x629.jpg" alt="" width="432" height="265" />

%Handstruktur der DNA Polymerase; alt Text: DNA Polymerase, DNA Polymerase 3, finger, palm, thumb, DNA Replikation, Nukleotide%Animation: Hier gerne wie in der linken Abbildung zeigen, wie die Hand quasi den DNA Strang umschließt; Primer muss nicht beschriftet werden, gerne auch eine rechte Hand daneben animieren

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DNA Polymerase Funktion

Schauen wir uns nun an, welche Funktionen die DNA Polymerasen besitzen. Sie können einerseits die DNA Synthese katalysieren und zum anderen auch Korrektur an der DNA vornehmen.  

DNA Polymerisation

Die zentrale Funktion der DNA Polymerasen besteht in der Polymerisation der DNA. Unter Polymerisation kannst du generell verstehen, dass sich einzelne Bausteine (Monomere) zu einer langen Kette (Polymer; „poly“ = „viele“) verbinden. Hier stellt das Polymer die DNA dar und die Monomere sind die Nukleotide. Nukleotide bestehen jeweils aus einem Zuckerbaustein (hier: Desoxyribose), einer organischen Base und Phosphatgruppe(n). 

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Aufbau DNA Einzelstrang als Polymer

%<img class="" src="https://www.pharmawiki.ch/wiki/media/Nukleinsaeuren_1.png" alt="Quellbild anzeigen" width="241" height="316" />

%Aufbau DNA Einzelstrang als Polymer; alt. Text: DNA, RNA, Polynukleotid, Nukleotid, Base, Ribose, desoxyribose, Phosphatgruppe, Phosphodiesterbindung, Nukleinsäuren, DNA Polymerase%Hier gerne den Strang schematisch wie auf der rechten Seite darstellen und daneben noch einmal kurz ein einzelnes Nukleotid zeigen (reicht aber schematisch nicht wie hier links; der User sollte nur erkennen, was in der Kette der Einzelbaustein ist. beim 3' Ende unten noch OH Gruppe hinzufügen

Als Vorlage für diese Verknüpfung nutzen die DNA Polymerasen meist einen DNA Einzelstrang. Die in den Nukleotiden enthaltenen 4 DNA Basen%Verweis paaren sich immer nur in einer bestimmten Kombination (=komplementäre Basenpaarung) miteinander (Adenin mit Thymin und Guanin mit Cytosin). Dadurch „weiß“ die DNA Polymerase auch welches Nukleotid als nächstes angefügt werden muss.

Der chemische Mechanismus,der hinter der Aneinanderreihung der einzelnen Nukleotide steckt, ist die sogenannte Nucleophile Substitution . Die Alkoholgruppe (-OH) am Ende des DNA Strangs greift hier jeweils das erste Phosphoratom eines Nukleotids an, wobei eine Abspaltung der zwei weiteren Phosphatgruppen erfolgt. Die hierbei freiwerdende Energie ist die Triebkraft dieser Reaktion. Es entsteht nun eine Esterbindung (hier genauer: Phosphodiesterbindung) zwischen zwei Nukleotiden. 

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Kettenverlängerung durch die DNA Polymerase

%<img class="alignnone  wp-image-80525" src="https://blog.studyflix.de/wp-content/uploads/2020/11/Bild1-1.jpg" alt="" width="489" height="358" />

%Kettenverlängerung durch die DNA Polymerase; alt Text: DNA Polymerase, DNA, Polymerisation, Nukleotide, DNA Basen, DNA Replikation%Animation: Hier zeigen wie das Nukleotid an das OH-Ende angefügt wird; gerne in einer Abbildung; allerdings den Pfeil (links) vom OH ausgehend zeigen, da es sonst irreführend ist mit dem nucleophilen Angriff; keine chemischen Strukturen zeigen hier gerne wie bei der Abbildung schematisch bleiben (nur OH)

Zwischen den verschiedenen DNA Polymerasen bestehen Unterschiede, wie viele Nukleotide am Stück verknüpft werden können, bis sie von der DNA „abfallen“. Das kannst auch als Prozessivität bezeichnen.

Exonukleaseaktivität

Die DNA Replikation verläuft allerdings nicht immer fehlerfrei und auch äußere Einflüsse können Schäden oder Veränderungen im Erbgut veranlassen. Einige Polymerasen sind zusätzlich in der Lage, diese Schäden zu erkennen und zu beheben (= proof reading). Das kannst du in etwa mit einem Korrekturprogramm vergleichen, das deinen getippten Text auf Rechtschreibfehler absucht und gegebenenfalls korrigiert. 

Das Entfernen fehlerhaft gepaarter Basen durch die Polymerasen kannst du als Exonukleaseaktivität bezeichnen. Diese DNA Reparatur ist sehr wichtig, denn Fehler in der DNA können gravierende Folgen für die Funktionstüchtigkeit der Zelle oder des gesamten Organismus haben. 

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Exonukleaseaktivität der DNA Polymerase

%<img class="alignnone  wp-image-80496" src="https://blog.studyflix.de/wp-content/uploads/2020/11/DNA-Polymerase-Korrektur-1024x722.jpg" alt="" width="423" height="298" />

%Exonukleaseaktivität der DNA Polymerase; alt Text: Exonukleaseaktivität, DNA Reparatur, DNA Polymerase, DNA Replikation, DNA, Nukleotide, DNA Basen%Animation: Wie bei a (die anderen beiden bitte ignorieren) zeigen, dass eine falsche Base eingesetzt wird, die dann sofort durch die Polymerase entfernt und durch die richtige Base ersetzt werden kann

DNA Polymerase Formen

Wie du bereits gelernt hast existieren zahlreiche DNA Polymerase Formen. Du kannst sie je nach dem mit welcher Vorlage sie arbeiten in die Gruppen DNA abhängige, RNA abhängige und Matrizenunabhängige DNA Polymerasen einteilen. Anhand ihrer Struktur erfolgt zusätzlich eine Einteilung in die Familien A, B, C, X, Y. 

DNA abhängige DNA Polymerasen

Fangen wir mit den DNA abgängigen DNA Polymerasen an. Wie dir ihr Name bereits bekannt gibt, verwenden sie die DNA als Synthesevorlage. Prokaryoten besitzen 5 verschiedene DNA Polymerasen: 

  • DNA Polymerase 1 ( I)
  • DNA Polymerase 2 (II)
  • DNA Polymerase 3 (III)
  • DNA Polymerase 4 (IV)
  • DNA Polymerase 5 (V)

DNA Polymerase 1 wurde als erste Polymerase überhaupt entdeckt und zwar in dem Modellorganismus E.Coli. Polymerase 2 und Polymerase 3 wurden in dem Bakterium erst viele Jahre später identifiziert. Die Polymerase III ist hauptsächlich für DNA Replikation zuständig. 

Die eukaryotischen DNA Polymerasen werden nach griechischen Buchstaben (α, β, …) benannt. Die Polymerase alpha (α), delta (δ) und epsilon (ε) sind für die Kettenverlängerung in der DNA Replikation bei den eukaryotischen Lebewesen zuständig. 

RNA abhängige DNA Polymerasen

Machen wir mit den RNA abhängigen DNA Polymerasen weiter: Sie nutzen die RNA (Ribonukleinsäure) als Kopiervorlage. Du kannst sie auch Reverse Transkriptasen nennen. Ein bekanntes Beispiel ist die Telomerase, die verhindert, dass sich die Chromosomenenden bei der Zellteilung verkürzen.

Matrizenunabhängige DNA Polymerase

Unter den Matrizenunabhänigen DNA Polymerasen kannst du verstehen, dass sie keine Vorlage für die DNA-Synthese benötigen. Hier ist nur ein Vertreter bekannt, nämlich die sogenannte terminale Desoxyribonucleotidyltransferase.  Sie ist vor allem an der Reifung von bestimmten Stammzellen beteiligt. 

Einsatz in der Biotechnologie

Auch in der Biotechnologie spielen die DNA-Polymerasen eine wichtige Rolle. 

Sie finden zum Beispiel in der Polymerase Kettenreaktion%Verweis(PCR; polymerase chain reaction) Einsatz. Du kannst darunter eine Methode verstehen, die ausgewählte DNA-Abschnitte vervielfältigt, um unbegrenzt viele Kopien dieses DNA Abschnitts zu generieren. Das ist vor allem in der in der Medizin zum Nachweis von Virus- oder Bakterieninfektionen oder auch in der Kriminalistik (z.B. genetischer Fingerabdruck) relevant. Da in der PCR mit hohen Temperaturen gearbeitet wird, werden besonders thermostabile DNA Polymerasen (z.B. die Taq Polymerase) aus Bakterien oder Archaeen eingesetzt.

Eine weitere wichtige Anwendung der DNA Polymerasen ist die DNA Sequenzierung%Verweis%Verweis(z.B. Sanger Sequenzierung%Verweis). Das bedeutet, dass die Anordnung der jeweiligen Nukleotide in der DNA bestimmt werden kann. Die DNA Sequenzierung bereitet der Gentechnik viele neue Möglichkeiten wie das Erkennen von bestimmten Erbkrankheiten 

 

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