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Kompaktlexikon der Biologie: DNA-Polymerasen

DNA-Polymerasen, Enzyme, die 2'-Desoxyribonucleotid-5-triphosphate zu DNA polymerisieren können und an der DNA-Replikation, DNA-Reparatur und DNA-Rekombination beteiligt sind. Für die Isolierung der DNA-Polymerase I des Bakteriums Escherichia coli erhielt A. Kornberg 1959 den Nobelpreis. Heute sind bei dem Bakterium und bei eukaryotischen Zellen eine Reihe verschiedener Enzyme bekannt, die an unterschiedlichen zellulären Prozessen beteiligt sind.

D.-P. katalysieren als Desoxyribonucleotidtransferasen den nucleophilen Angriff der freien 3'-OH-Gruppe auf den α-Phosphatrest des neu hinzukommenden Nucleotids, wobei eine Phosphodiesterbindung ausgebildet wird ( vgl. Abb. ). Dabei wird Pyrophosphat freigesetzt, dessen Hydrolyse die Reaktion der D.-P. irreversibel macht. D.-P. arbeiten bei der DNA-Synthese somit immer in 5'-3'-Richtung. Die Reihenfolge der Nucleotide wird dabei durch den komplementären Matrizenstrang (Template) bestimmt. Die fünf D.-P. von Escherichia coli nehmen unterschiedliche Funktionen wahr. DNA-Polymerase I und wahrscheinlich auch DNA-Polymerase II kommen Funktionen bei DNA-Reparatur-Synthesen und dem Schließen von Lücken in DNA-Strängen zu, wohingegen DNA-Polmerase III das Enzym ist, das für die DNA-Replikation verantwortlich ist. DNA-Polymerasen I und II setzen ca. 50 Nucleotide pro Sekunde um, wohingegen es bei DNA-Polymerase III über 1000 sind. Die DNA-Polymerasen II, IV und V sind zudem an der SOS-Reparatur beteiligt.

D.-P. besitzen neben der 5'-3'-Polymeraseaktivität noch ein bzw. zwei weitere enzymatische Aktivitäten. Eine 3'-5`-Exonucleaseaktivität sorgt dafür, dass die zuletzt eingebauten Basen korrekt am wachsenden DNA-Molekül verestert werden. Dieser so genannte Proofreading-Mechanismus (engl. für Korrekturlesen) sorgt für die hohe Genauigkeit der DNA-Synthese, deren Fehlerquote im Bereich von 10-8 bis 10-10 liegt.

Die nur bei der DNA-Polymerase I zusätzlich vorhandene 5'-3'-Exonucleaseaktivität kann freie 5'-phosphorylierte Enden abbauen, die sich allerdings innerhalb der Doppelhelix befinden müssen. Diese Funktion kommt bei der Endsynthese des Folgestrangs und bei der DNA-Reparatur zum Einsatz.

Die eukaryotischen D.-P. lassen sich in verschiedene Gruppen unterteilen, wobei Polymerasenα, δ und ε an der Replikation im Zellkern beteiligt sind, wohingegen Polymerase γ in den Mitochondrien und Chloroplasten lokalisiert ist. Die Polymerase β ist neben den Polymerasen δ und/oder ε an der DNA-Reparatur beteiligt. Eine 3'-5'-Exonucleaseaktivität konnte lediglich für die Polymerase δ nachgewiesen werden.



DNA-Polymerasen: Dargestellt ist die Verknüpfung eines Adenin an ein Guanin. Dieses lagert sich an den Matrizenstrang entsprechend der komplementären Basenpaarung an, wobei sich zwei Wasserstoffbrücken ausbilden. Ein freies Elektronenpaar der 3'-OH-Gruppe des Guanins bildet eine Phosphodiesterbindung mit der α-Phosphatgruppe des dTTP (Pfeil). Das Abspaltungsprodukt Pyrophosphat (PPi) wird hydrolysiert, sodass die Reaktion irreversibel ist. Die 3'-OH-Gruppe des Thymins kann mit einem weiteren Nucleosidtriphosphat reagieren

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