Die Synthese und Replikation neuer DNA-Stränge ist ein Prozess, der einen wichtigen Bestandteil des Lebenszyklus von Zellen darstellt. Dabei kommen DNA-Polymerase Enzyme zum Einsatz, die einzelne Desoxyribonukleotide verknüpfen können, um schließlich einen DNA-Strang zu bilden.
DNA-Polymerase – Definition
Wenn im Rahmen der Molekulargenetik von der DNA, ihrem Aufbau oder der Prozess ihrer Zusammensetzung beschrieben wird, kommt man nicht daran vorbei, auf den Begriff DNA-Polymerase zu stoßen. Die verschiedenen DNA-Polymerasen können sehr vielfältige Aufgaben übernehmen, die das Überleben und die Gesundheit von Zellen sichern.
Die DNA-Polymerase ist ein Enzym, welches die Verknüpfungen von Nukleotiden katalysiert, um Nukleinsäuren zu synthetisieren. Neben DNA-Polymerasen, die für DNA Replikation zuständig sind, existieren auch RNA-Polymerasen, welche vorwiegend bei der Transkription im Einsatz sind.
DNA-Polymerase – Funktion
Die DNA-Polymerase ist in der Lage, einzelne Desoxyribonukleotide untereinander zu verknüpfen, um einen Desoxyribonuklein-Strang – also einen DNA-Strang – zu synthetisieren. Die dabei genutzten Desoxyribonukleotide sind, genauer gesagt Desoxy-Nukleosidtriphosphate (dNTPs), weil sie aus einem Zucker, einer Base und drei Phosphatgruppen bestehen.
Da die DNA meistens als Doppelstrang vorliegt, ist es nicht nur wichtig, dass Nukleotide innerhalb eines Einzelstrangs zusammenhalten, sondern auch, dass die Doppelstränge nicht auseinanderfallen. Zwischen Basen, die sich im Doppelstrang gegenüber sitzen, bilden sich daher Wasserstoffbrücken aus, die stark genug sind, um den Doppelstrang zu stabilisieren.
Falls du mehr über die Basen erfahren willst, kannst du in unserem Artikel über Nukleinbasen vorbeischauen.
Vergleich von DNA- und RNA-Polymerase
Anders als DNA-Polymerasen sind RNA-Polymerasen dafür zuständig, Ribonukleotide zu einer Ribonukleinsäure – also einem RNA-Strang – zu verknüpfen. Dieser Prozess ist primär bei der Transkription nötig.
RNA ist ebenfalls eine Nukleinsäure, ist allerdings meistens kürzer, einzelsträngig und kann eine Vielzahl von Aufgaben bei der Proteinbiosynthese und bei der Genregulation übernehmen.
Zum Vergleich: DNA-Polymerasen verknüpfen Desoxyribonukleotide zu einer Desoxyribonukleinsäure – einem DNA-Strang.
Verknüpfung der Nukleotide durch die Polymerase
Die DNA-Polymerase katalysiert die Reaktion, bei der ein dNTP dem wachsenden Strang hinzugefügt wird. Das letzte dNTP am Strang besitzt eine Triphosphat-Gruppe am 5'-Ende seines Zuckers. Mit dieser wird die OH-Gruppe an der 3'-Position des Zuckers des neuen dNTPs verknüpft. Die Bindung, die dabei entsteht, wird auch Diester-Bindung genannt.
Bei der Reaktion wird ein Pyrophosphat freigesetzt, also zwei der ursprünglich drei Phosphatgruppen, die sich noch am Nukleotid befanden. Auf diese Weise kann die Polymerase einen neuen DNA Strang von 5' in 3' Richtung synthetisieren.
Abbildung 2: Die DNA-Polymerase fügt ein dNTP in den wachsenden Strang ein Quelle: wikipedia.de
Einbau der Nukleotide
Außer der eigentlichen Verknüpfung der Nukleotide hat die DNA-Polymerase einige Faktoren beim Einbau zu beachten. Woher weiß die Polymerase nämlich, welches Nukleotid als Nächstes eingebaut werden muss, und welche Sequenz der neue DNA-Strang haben soll?
Reihenfolge der Nukleotide im neuen Strang
Dafür muss beachtet werden, dass DNA-Polymerasen meist DNA abhängig sind. Das heißt, dass sie einen bereits bestehenden DNA-Strang als Vorlage benötigen, um einen neuen Strang zu bilden. Der neue Strang beinhaltet dann Basen, die komplementär zu den Basen in der Vorlage sind.
Gegenüber von einem Adenin wird also ein Thymin verbaut, gegenüber von einem Guanin ein Cytosin und umgekehrt. Diese Abhängigkeit der Sequenz eines neuen Strangs von der Sequenz eines alten Strangs ist dafür notwendig, dass die DNA so genau wie möglich kopiert wird. So kann die Erbinformation auf der DNA so vorlagengetreu wie möglich weitergegeben werden.
Die Genauigkeit der Kopie ist für die Zelle und sogar für den ganzen Organismus überlebenswichtig. Schleichen sich Fehler ein, die unkorrigiert bleiben, wird die DNA in veränderter Form an die Tochterzellen weitergegeben. Es schleichen sich also Mutationen ein. In unglücklichen Fällen sind die Mutationen an Positionen der DNA, die eigentlich wichtige Gene enthalten.
Auf diese Weise kann es zum Beispiel zu Krankheiten wie Krebs kommen, die dem ganzen Organismus Schaden zufügen.
Doch woher weiß die DNA-Polymerase, welche Base nun an der Reihe ist, eingebaut zu werden? Dafür wird ausgenutzt, dass die komplementären Basenpaare in der DNA unterschiedlich zusammengehalten werden: Adenin und Thymin bilden zwei Wasserstoffbrücken zwischen sich aus, Guanin und Cytosin drei. Die Polymerase merkt, wenn diese Wasserstoffbrücken korrekt ausgebildet werden können, und weiß daher, wann sie das richtige Nukleotid einbaut.
Natürlich unterlaufen auch der DNA-Polymerase mal Fehler. Im Allgemeinen wird etwa 1 von 100.000 dNTPs falsch eingebaut. Das klingt auf den ersten Blick erst einmal wenig. Wenn man aber beachtet, dass ein Mensch durchschnittlich 6 Milliarden Basenpaare in der DNA einer diploiden Zelle hat, dann bedeutet das schon 120.000 falsch eingebaute Basen pro Zellteilung. Um dieser Masse an Fehlern in unserem Erbgut entgegenzuwirken, hat die DNA-Polymerase eine zusätzliche, essenzielle Funktion.
Proofreading-Funktion der DNA-Polymerase
Um Fehler in der DNA Synthese kurzfristig zu korrigieren, hat die DNA-Polymerase eine sogenannte Proofreading-Funktion. Dabei kann das zuletzt eingebaute dNTP entfernt und – falls nötig – ein neues eingesetzt werden. Da die DNA-Polymerase dafür meist in entgegengesetzter Richtung agiert, kann dieser Prozess auch als 3'-5' Exonuklease-Aktivität bezeichnet werden.
Abbildung 3: DNA-Polymerase entfernt ein falsch eingebautes dNTP mit seiner Exonuklease-AktivitätQuelle: wikipedia.de
DNA-Polymerasen – Arten
Je nachdem, welcher Organismus betrachtet wird, sind verschiedene Arten von DNA-Polymerasen am Werk. Sie unterscheiden sich teilweise in ihrer Funktion, in ihren Proofreading-Fähigkeiten und auch in den Organismen, in denen sie enthalten sind. Während DNA-Polymerasen I, II, III, IV, und V in Prokaryoten vorkommen, enthalten Eukaryoten die DNA-Polymerasen α, β, γ, δ, ε, ζ, η, θ, ι, κ, λ, μ und ν.
Bakterielle DNA-Polymerasen
Die Funktionen und Merkmale der drei wichtigsten bakteriellen DNA-Polymerasen könnt ihr im Folgenden nachlesen.
DNA-Polymerase I
Die DNA-Polymerase I ist die erste entdeckte Polymerase und hat nur eine geringe Prozessivität. Sie kann also nicht allzu viele Syntheseschritte am Stück katalysieren, bevor sie vom DNA-Strang abfällt. Allerdings besitzt sie sowohl eine 3'-5', als auch eine 5'-3' Exonuklease-Aktivität. Sind falsche Nukleotide in die DNA eingebaut, kann sie also in beide Richtungen fahren, um den Fehler zu korrigieren. Durch ihre Exonuklease-Aktivität hat diese Polymerase die Aufgabe, den Primer wieder zu entfernen, der für die DNA Replikation benötigt wird. Außerdem ist sie für Reparaturen der DNA zuständig, sollten zum Beispiel durch Strahlung oder Chemikalien Fehler entstehen.
DNA-Polymerase II
Die DNA-Polymerase II hat eine 3'-5' Exonuklease-Aktivität und ist primär dann im Einsatz, wenn eine abgebrochene Replikation fortgeführt werden muss oder Fehler in der DNA korrigiert werden müssen. Zudem hat sie eine Primase-Aktivität, kann also einen Primer neu synthetisieren.
DNA-Polymerase III
Die DNA-Polymerase III ist wohl die wichtigste prokaryotische DNA-Polymerase, da sie für die eigentliche Replikation zuständig ist. Sie besteht aus mehreren Untereinheiten und hat eine sehr hohe Prozessivität – meist kann sie mehrere tausend dNTPs verknüpfen bevor sie vom Strang abfällt. Ein Grund dafür ist, dass sie mit einer sogenannten DNA-Klammer am Strang befestigt ist. Außerdem besitzt auch sie eine 3'-5'-Exonuklease Aktivität.
Eukaryotische DNA-Polymerasen
In Säugetieren, also auch in uns Menschen, kommen nur die ersten fünf genannten DNA-Polymerasen vor. Auch diese haben jeweils bestimmte Funktionen, die Du im Folgenden nachlesen kannst.
DNA-Polymerase α
Die DNA-Polymerase α ist die erste Polymerase, die für die Replikation zuständig ist, nachdem der Primer synthetisiert wurde. Sie knüpft bis zu 20 dNTPs an den Primer und startet somit die Elongationsphase der DNA-Replikation. Zusätzlich besteht sie aus mehreren Untereinheiten und besitzt ebenfalls eine 3'-5' Exonuklease-Aktivität.
DNA-Polymerase β
Die DNA-Polymerase β ist nicht direkt an der Replikation beteiligt, hat aber eine Reparaturfunktion. Diese wird auch Basenexzisionsreparatur genannt und wird benötigt, wenn DNA im Laufe des Zellzyklus beschädigt wird und Basen daher ausgetauscht oder erneuert werden müssen.
DNA-Polymerase γ
Die DNA-Polymerase γ hat eine Exonuklease-Aktivität in beide Richtungen und wird daher vor allem zur Basenexzisionsreparatur genutzt. Sie kommt allerdings nur in Mitochondrien vor, weshalb sie mit mitochondrieller DNA arbeitet. Eine andere Funktion dieser Polymerase ist es, während der nicht-homologen Endverknüpfung fehlende Nukleotide zu synthetisieren.
Sollte ein Doppelstrangbruch der DNA entstehen, zum Beispiel durch Strahlung oder Chemikalien, können durch die nicht-homologe Endverknüpfung (NHEJ) die beiden DNA Stränge schnell und unabhängig von ihrer Sequenz wieder zusammengefügt werden. Da die Enden dabei jedoch meist nicht gleich lang sind, müssen sie vorher auf die gleiche Länge getrimmt oder synthetisiert werden. Dafür kann die DNA-Polymerase γ genutzt werden.
DNA-Polymerase δ
Die DNA-Polymerase δ besteht ebenfalls aus mehreren Untereinheiten und ist bei der Replikation für die Synthese des Folge- und des Leitstrangs der DNA zuständig. Sie besitzt eine hohe Prozessivität, da sie - wie die bakterielle DNA-Polymerase III - mit einer DNA-Klammer am Strang befestigt ist und somit nicht so leicht abfällt. Sie hat eine 3'-5' Exonuklease-Aktivität.
DNA-Polymerase ε
Auch die DNA-Polymerase ε besteht aus mehreren Untereinheiten. Sie ist bei der DNA Replikation vor allem für die Synthese des Leitstrangs zuständig, hat aber auch eine 3'-5' Exonuklease-Aktivität und führt Basenexzisionsreparaturen durch.
Sonstige DNA-Polymerasen
Alle hier bisher behandelten DNA-Polymerasen sind DNA-abhängig, sie benötigen also eine DNA als Vorlage zur Synthese eines neuen Strangs. Solche DNA-abhängigen DNA-Polymerasen sind notwendig für die DNA-Replikation. Neben diesen sind allerdings auch RNA-abhängige und unabhängige DNA-Polymerasen bekannt.
Ein Beispiel für RNA-abhängige DNA-Polymerasen sind Reverse Transkriptasen. Diese können von Viren genutzt werden, um ihre RNA in DNA umzuschreiben, um sie später in das Genom ihres Wirtes einbauen zu können.
Mehr dazu kannst du auch im Artikel zur Reversen Transkriptase nachlesen.
Aufbau der DNA-Polymerasen
Vielleicht hast Du schon gemerkt, dass DNA-Polymerasen nicht immer unbedingt gleich aussehen oder aufgebaut sind. Manche bestehen sogar gleich aus mehreren Untereinheiten und bilden einen Komplex, andere kommen nur als Monomer vor. Die Polymerasen haben alle unterschiedliche Funktionen, die durch ihre Strukturen unterstützt werden sollten. Jedoch haben sie auch alle eine gewisse Grundstruktur gemeinsam.
Alle Enzyme haben eine katalytische Einheit, also einen Teil, der die vom Enzym gewollte Reaktion vollzieht oder unterstützt. Im Fall der DNA-Polymerasen hat die katalytische Einheit eine ganz bestimmte Struktur, die auch als "Right-hand-fold" beschrieben werden kann, da sie einer gebeugten, rechten Hand ähnelt. Die einzelnen Domänen werden daher auch nach den Bestandteilen einer Hand benannt: Finger, Handinnenfläche und Daumen. Das katalytische Zentrum der Polymerasen liegt dabei immer in der Handinnenfläche.
DNA-Polymerase – Nutzung
DNA-Polymerasen kommen in jedem Lebewesen vor und erfüllen dort ihre Aufgaben, doch wir können sie uns auch außerhalb von Organismen zunutze machen. In Laboren ist es oft notwendig kleine Mengen von DNA zu vervielfältigen, um für Experimente mehr zur Verfügung zu haben. Im Rahmen einer Polymerase Kettenreaktion – auch bekannt als PCR – kann deshalb eine DNA-Polymerase genutzt werden, um die DNA zuverlässig zu replizieren.
Für eine PCR werden hitzestabile Polymerasen benötigt, da mit Temperaturen bis zu 90 °C gearbeitet wird. Die meisten Polymerasen sind bei so hohen Temperaturen allerdings nicht mehr aktiv und instabil. Daher wird für PCRs oft eine sogenannte Taq Polymerase genutzt. Diese DNA Polymerase stammt aus einem Bakterium namens Thermus aquaticus, das in Geysiren lebt und es daher gewohnt ist, von hohen Temperaturen von ungefähr 70 °C umgeben zu sein. Die Polymerase dieses Bakteriums ist daher dazu fähig, ihre Aktivität auch bei hohen Temperaturen nicht zu verlieren und stabil zu bleiben.
Auch für die Sequenzierung von DNA sind DNA-Polymerasen oft im Einsatz. Bei der Sequenzierung versucht man herauszufinden, in welcher Reihenfolge die Basen der DNA aneinandergeknüpft sind. Dafür gibt es Methoden, wie zum Beispiel die Sanger-Sequenzierung oder Pyrosequenzierung, bei der es sich zunutze gemacht wird, dass Polymerasen nach und nach Basen zu einem wachsenden Strang hinzufügen.
Du willst mehr über die Möglichkeiten erfahren, Polymerasen in der Gentechnik zu nutzen? Dann schau doch mal in den StudySmarter Artikeln zu Sequenzanalysen vorbei! Dort sind alle oben erwähnten Methoden noch einmal ausführlich beschrieben.
DNA-Polymerase – Das Wichtigste
- DNA-Polymerase synthetisiert neue DNA Stränge und wird deshalb für die DNA Replikation benötigt
- DNA Replikation durch die Polymerase erfolgt von 5' in 3' Richtung
- Verschiedene Polymerase-Enzyme erfüllen verschiedene Funktionen im Rahmen der DNA-Synthese
- Manche DNA-Polymerasen können falsch eingebaute Nukleotide durch ihre Exonuklease-Aktivität wieder ausbauen und durch das korrekte Nukleotid ersetzen
- Eine fehlerfreie Kopie ist nötig, um die Erbinformation auf der DNA unverändert weiterzugeben
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