DNA-POLYMERASE: TYPEN, FUNKTION UND STRUKTUR - BIOLOGIE - 2025

Die DNA-Polymerase ist ein Enzym, das für die Katalyse der Polymerisation des neuen DNA-Strangs während der Replikation dieses Moleküls verantwortlich ist. Seine Hauptfunktion besteht darin, die Triphosphat-Desoxyribonukleotide mit denen der Matrizen-Kette zu paaren. Es ist auch an der DNA-Reparatur beteiligt.

Dieses Enzym ermöglicht die korrekte Paarung zwischen den DNA-Basen der Matrizenkette und der neuen nach dem Schema von A-Paaren mit T und G mit C.

Struktur der DNA-Polymerase Beta beim Menschen.
Quelle: Yikrazuul, aus Wikimedia Commons

Der DNA-Replikationsprozess muss effektiv sein und schnell durchgeführt werden, damit die DNA-Polymerase etwa 700 Nukleotide pro Sekunde hinzufügt und nur alle 10 ⁹ oder 10 ¹⁰ Nukleotide einen Fehler macht .

Es gibt verschiedene Arten von DNA-Polymerase. Diese variieren sowohl bei Eukaryoten als auch bei Prokaryoten und spielen jeweils eine spezifische Rolle bei der DNA-Replikation und -Reparatur.

Es ist möglich, dass eines der ersten Enzyme in der Evolution Polymerasen waren, da die Fähigkeit, das Genom präzise zu replizieren, eine wesentliche Voraussetzung für die Entwicklung von Organismen ist.

Die Entdeckung dieses Enzyms wird Arthur Kornberg und seinen Kollegen zugeschrieben. Dieser Forscher identifizierte 1956 die DNA-Polymerase I (Pol I), während er mit Escherichia coli arbeitete. In ähnlicher Weise schlugen Watson und Crick vor, dass dieses Enzym originalgetreue Kopien des DNA-Moleküls produzieren könnte.

Typen

Prokaryoten

Prokaryontische Organismen (Organismen ohne echten Kern, die von einer Membran begrenzt werden) besitzen drei Haupt-DNA-Polymerasen, die üblicherweise als pol I, II und III abgekürzt werden.

Die DNA-Polymerase I ist an der DNA-Replikation und -Reparatur beteiligt und hat eine Exonukleaseaktivität in beide Richtungen. Die Rolle dieses Enzyms bei der Replikation wird als zweitrangig angesehen.

II ist an der DNA-Reparatur beteiligt und seine Exonukleaseaktivität liegt im 3'-5'-Sinne. III ist an der DNA-Replikation und -Revision beteiligt und hat wie das vorherige Enzym eine Exonukleaseaktivität im 3'-5'-Sinne.

Eukaryoten

Eukaryoten (Organismen mit einem echten Kern, der durch eine Membran begrenzt ist) haben fünf DNA-Polymerasen, die mit Buchstaben des griechischen Alphabets benannt sind: α, β, γ, δ und ε.

Die Polymerase γ befindet sich in den Mitochondrien und ist für die Replikation von genetischem Material in dieser Zellorganelle verantwortlich. Im Gegensatz dazu befinden sich die anderen vier im Zellkern und sind an der Replikation der Kern-DNA beteiligt.

Die α-, δ- und ε-Varianten sind im Zellteilungsprozess am aktivsten, was darauf hindeutet, dass ihre Hauptfunktion mit der Herstellung von DNA-Kopien verbunden ist.

Die DNA-Polymerase β weist ihrerseits Aktivitätspeaks in Zellen auf, die sich nicht teilen, so dass angenommen wird, dass ihre Hauptfunktion mit der DNA-Reparatur verbunden ist.

Verschiedene Experimente konnten die Hypothese bestätigen, dass sie hauptsächlich α-, δ- und ε-Polymerasen mit der DNA-Replikation assoziieren. Die Typen γ, δ und ε zeigen eine 3'-5'-Exonukleaseaktivität.

Bögen

Neue Sequenzierungsmethoden haben es geschafft, eine Vielzahl von DNA-Polymerase-Familien zu identifizieren. Insbesondere in Archaeen wurde eine Familie von Enzymen identifiziert, die als D-Familie bezeichnet wird und für diese Gruppe von Organismen einzigartig ist.

Funktionen: DNA-Replikation und Reparatur

Was ist DNA-Replikation?

DNA ist das Molekül, das alle genetischen Informationen eines Organismus trägt. Es besteht aus einem Zucker, einer stickstoffhaltigen Base (Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin) und einer Phosphatgruppe.

Während der ständig ablaufenden Zellteilungsprozesse muss die DNA schnell und genau kopiert werden - insbesondere in der S-Phase des Zellzyklus. Dieser Prozess, bei dem die Zelle DNA kopiert, wird als Replikation bezeichnet.

Strukturell besteht das DNA-Molekül aus zwei Strängen, die eine Helix bilden. Während des Replikationsprozesses trennen sich diese und dienen jeweils als Vorlage für die Bildung eines neuen Moleküls. Somit gelangen die neuen Stränge bei der Zellteilung zu den Tochterzellen.

Da jeder Strang als Matrize dient, wird die DNA-Replikation als halbkonservativ bezeichnet - am Ende des Prozesses besteht das neue Molekül aus einem neuen und einem alten Strang. Dieser Prozess wurde 1958 von den Forschern Meselson und Stahl unter Verwendung von Isopoten beschrieben.

Die DNA-Replikation erfordert eine Reihe von Enzymen, die den Prozess katalysieren. Unter diesen Proteinmolekülen sticht die DNA-Polymerase hervor.

Reaktion

Für die DNA-Synthese sind die für den Prozess erforderlichen Substrate erforderlich: Desoxyribonukleotidtriphosphat (dNTP)

Der Reaktionsmechanismus beinhaltet einen nukleophilen Angriff der Hydroxylgruppe am 3'-Ende des wachsenden Strangs auf das Alpha-Phosphat der komplementären dNTPs, wodurch ein Pyrophosphat eliminiert wird. Dieser Schritt ist sehr wichtig, da die Energie für die Polymerisation aus der Hydrolyse der dNTPs und des resultierenden Pyrophosphats stammt.

Das pol III oder alpha bindet an den Primer (siehe Eigenschaften von Polymerasen) und beginnt, Nukleotide hinzuzufügen. Das Epsilon verlängert die Bleikette und das Delta verlängert den verzögerten Strang.

Eigenschaften von DNA-Polymerasen

Alle bekannten DNA-Polymerasen teilen zwei wesentliche Eigenschaften, die mit dem Replikationsprozess verbunden sind.

Zunächst synthetisieren alle Polymerasen den DNA-Strang in 5'-3'-Richtung und fügen die dNTPs zur Hydroxylgruppe der wachsenden Kette hinzu.

Zweitens können DNA-Polymerasen nicht von Grund auf mit der Synthese eines neuen Strangs beginnen. Sie benötigen ein zusätzliches Element, das als Primer oder Primer bekannt ist. Dabei handelt es sich um ein Molekül aus wenigen Nukleotiden, das eine freie Hydroxylgruppe bereitstellt, in der die Polymerase verankern und ihre Aktivität beginnen kann.

Dies ist einer der grundlegenden Unterschiede zwischen DNA- und RNA-Polymerasen, da letztere die Synthese einer De-novo-Kette initiieren können.

Fragmente von Okazaki

Die erste Eigenschaft der im vorherigen Abschnitt erwähnten DNA-Polymerasen stellt eine Komplikation für die halbkonservative Replikation dar. Da die beiden DNA-Stränge antiparallel verlaufen, wird einer von ihnen diskontinuierlich synthetisiert (derjenige, der im 3'-5'-Sinne synthetisiert werden müsste).

Im verzögerten Strang erfolgt die diskontinuierliche Synthese durch die normale Aktivität der Polymerase 5'-3 ', und die resultierenden Fragmente - in der Literatur als Okazaki-Fragmente bekannt - sind durch ein anderes Enzym, die Ligase, verbunden.

DNA-Reparatur

DNA ist ständig endogenen und exogenen Faktoren ausgesetzt, die sie schädigen können. Diese Schäden können die Replikation blockieren und sich ansammeln, die Expression von Genen beeinträchtigen und Probleme in den verschiedenen zellulären Prozessen verursachen.

Zusätzlich zu ihrer Rolle im DNA-Replikationsprozess ist Polymerase auch eine Schlüsselkomponente der DNA-Reparaturmechanismen. Sie können auch als Sensoren im Zellzyklus fungieren, die den Eintritt in die Teilungsphase verhindern, wenn die DNA beschädigt ist.

Struktur

Derzeit wurden dank kristallographischer Untersuchungen die Strukturen verschiedener Polymerasen aufgeklärt. Basierend auf ihrer Primärsequenz werden Polymerasen in Familien eingeteilt: A, B, C, X und Y.

Einige Aspekte sind allen Polymerasen gemeinsam, insbesondere diejenigen, die mit den katalytischen Zentren des Enzyms zusammenhängen.

Dazu gehören zwei aktive Schlüsselstellen, die Metallionen besitzen, mit zwei Aspartatresten und einem variablen Rest - entweder Aspartat oder Glutamat, das die Metalle koordiniert. Es gibt eine weitere Reihe geladener Reste, die das katalytische Zentrum umgeben und in den verschiedenen Polymerasen konserviert sind.

In Prokaryoten ist die DNA-Polymerase I ein 103-kd-Polypeptid, II ein 88-kd-Polypeptid und III besteht aus zehn Untereinheiten.

In Eukaryoten sind die Enzyme größer und komplexer: α besteht aus fünf Einheiten, β und γ aus einer Untereinheit, δ aus zwei Untereinheiten und ε aus 5.

Anwendungen

VR China

Die Polymerasekettenreaktion (PRC) ist aufgrund ihrer Nützlichkeit und Einfachheit eine Methode, die in allen molekularbiologischen Labors verwendet wird. Das Ziel dieser Methode ist es, ein interessierendes DNA-Molekül massiv zu amplifizieren.

Um dies zu erreichen, verwenden Biologen eine DNA-Polymerase, die nicht durch Hitze beschädigt wird (hohe Temperaturen sind für diesen Prozess wesentlich), um das Molekül zu amplifizieren. Das Ergebnis dieses Prozesses ist eine große Anzahl von DNA-Molekülen, die für verschiedene Zwecke verwendet werden können.

Eine der herausragendsten klinischen Anwendungen der Technik ist ihre Verwendung in der medizinischen Diagnose. Mit PRC können Patienten auf pathogene Bakterien und Viren untersucht werden.

Antibiotika und Antitumormittel

Eine signifikante Anzahl von Arzneimitteln zielt darauf ab, die Mechanismen der DNA-Replikation im pathogenen Organismus abzuschneiden, sei es ein Virus oder ein Bakterium.

In einigen Fällen ist das Ziel die Hemmung der DNA-Polymeraseaktivität. Beispielsweise deaktiviert das Chemotherapeutikum Cytarabin, auch Cytosin-Arabinosid genannt, die DNA-Polymerase.

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