DNA-Polymerase: Typen, Funktion und Struktur
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, Desoxyribonukleotidtriphosphate mit denen der Templatkette abzugleichen. Es ist auch an der DNA-Reparatur beteiligt.
Dieses Enzym ermöglicht die korrekte Übereinstimmung zwischen den DNA-Basen der Formkette und der neuen, wobei dem Schema von A gefolgt wird, das mit T und G mit C gepaart wird.
Der Vorgang der DNA-Replikation muss effektiv sein und muss schnell durchgeführt werden, sodass die DNA-Polymerase etwa 700 Nukleotide pro Sekunde hinzufügt und nur alle 109 oder 1010 eingebauten Nukleotide einen Fehler macht.
Es gibt verschiedene Arten von DNA-Polymerase. Diese unterscheiden sich sowohl bei Eukaryoten als auch bei Prokaryoten und haben 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 genau 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 DNA-Polymerase I (Pol I), während er mit Escherichia coli arbeitete. In ähnlicher Weise war es Watson und Crick, die vorschlugen, dass dieses Enzym originalgetreue Kopien des DNA-Moleküls produzieren könnte.
Typen
Prokaryoten
Prokaryontische Organismen (Organismen ohne echten Kern, durch eine Membran abgegrenzt) besitzen drei Haupt-DNA-Polymerasen, die üblicherweise als pol I, II und III abgekürzt werden.
DNA-Polymerase I ist an der Replikation und Reparatur von DNA beteiligt und besitzt eine Exonukleaseaktivität in beide Richtungen. Es wird angenommen, dass die Rolle dieses Enzyms bei der Replikation zweitrangig ist.
Der II ist an der DNA-Reparatur beteiligt und seine Exonukleaseaktivität liegt im 3'-5'-Bereich. Das III ist an der Replikation und Revision der DNA beteiligt und zeigt wie das vorherige Enzym eine Exonukleaseaktivität im 3'-5-Sinne.
Eukaryoten
Die Eukaryoten (Organismen mit einem wahren Kern, der durch eine Membran begrenzt ist) besitzen fünf DNA-Polymerasen, die mit Buchstaben des griechischen Alphabets bezeichnet werden: α, β, γ, δ und ε.
Die γ-Polymerase befindet sich in den Mitochondrien und ist für die Replikation des genetischen Materials in dieser zellulären Organelle 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 am aktivsten bei der Zellteilung, was darauf hindeutet, dass ihre Hauptfunktion mit der Herstellung von DNA-Kopien zusammenhängt.
Die DNA-Polymerase & bgr; weist andererseits 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 die Polymerasen α, δ und ε mit der DNA-Replikation in Verbindung bringen. Die γ-, δ- und ε-Typen weisen eine 3'-5'-Exonukleaseaktivität auf.
Bögen
Die neuen Sequenzierungsmethoden haben es geschafft, eine Vielzahl von Familien von DNA-Polymerasen zu identifizieren. Insbesondere bei Archaeen haben wir eine Familie von Enzymen identifiziert, die als Familie D 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 enthält. Es besteht aus einem Zucker, einer stickstoffhaltigen Base (Adenin, Guanin, Cytosin und Thymin) und einer Phosphatgruppe.
Bei ständig stattfindenden Zellteilungsprozessen muss die DNA schnell und genau kopiert werden - und zwar in der S-Phase des Zellzyklus. Dieser Vorgang, bei dem die Zelle die DNA kopiert, wird als Replikation bezeichnet.
Strukturell besteht das DNA-Molekül aus zwei Strängen, die eine Helix bilden. Während des Replikationsprozesses werden diese getrennt und wirken jeweils als Temperament für die Bildung eines neuen Moleküls. So gelangen die neuen Stränge bei der Zellteilung in die Tochterzellen.
Da jeder Strang getempert ist, wird gesagt, dass die DNA-Replikation semikonservativ ist - am Ende des Prozesses besteht das neue Molekül aus einem neuen Strang und einem alten Strang. Dieser Prozess wurde 1958 von den Forschern Meselson und Stahl unter Verwendung von Isotopen beschrieben.
Die DNA-Replikation erfordert eine Reihe von Enzymen, die den Prozess katalysieren. Unter diesen Proteinmolekülen sticht die DNA-Polymerase heraus.
Reaktion
Für die DNA-Synthese werden die für den Prozess notwendigen Substrate benötigt: die Desoxyribonukleotidtriphosphate (dNTP)
Der Reaktionsmechanismus beinhaltet einen nucleophilen Angriff der Hydroxylgruppe am 3'-Ende des wachsenden Strangs im alpha-Phosphat des komplementären dNTP, wobei 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 das alpha verbindet sich mit dem ersten (siehe Eigenschaften der Polymerasen) und fängt an, die Nukleotide hinzuzufügen. Das Epsilon verlängert die Leitkette 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.
Erstens synthetisieren alle Polymerasen den DNA-Strang in der 5'-3'-Richtung, wobei die dNTPs an die Hydroxylgruppe der wachsenden Kette addiert werden.
Zweitens können DNA-Polymerasen nicht aus dem Nichts heraus beginnen, eine neue Kette zu synthetisieren. Sie benötigen ein zusätzliches Element, das als Primer oder Primer bezeichnet wird. Dabei handelt es sich um ein Molekül, das aus wenigen Nukleotiden besteht und eine freie Hydroxylgruppe ergibt, in der die Polymerase verankern und ihre Aktivität auslösen kann.
Dies ist einer der fundamentalen Unterschiede zwischen DNA- und RNA-Polymerasen, da letztere in der Lage sind, die Synthese einer De-Novo- Kette zu initiieren .
Fragmente von Okazaki
Die erste Eigenschaft der im vorherigen Abschnitt erwähnten DNA-Polymerasen ist eine Komplikation für die semikonservative Replikation. Da die beiden DNA-Stränge antiparallel verlaufen, wird einer von ihnen diskontinuierlich synthetisiert (was im 3'-5-Sinne synthetisiert werden müsste).
In dem verzögerten Strang erfolgt eine 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, Ligase, verbunden.
DNA-Reparatur
Die DNA ist ständig endogenen und exogenen Faktoren ausgesetzt, die sie schädigen können. Diese Schäden können die Replikation blockieren und sich ansammeln, so dass sie die Expression der Gene beeinflussen und Probleme bei den verschiedenen zellulären Prozessen erzeugen.
Neben ihrer Rolle im DNA-Replikationsprozess ist die 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 ist es dank kristallographischer Untersuchungen gelungen, die Strukturen verschiedener Polymerasen aufzuklären. Aufgrund ihrer Primärsequenz werden die Polymerasen in die Familien A, B, C, X und Y eingeteilt.
Einige Aspekte sind allen Polymerasen gemeinsam, insbesondere diejenigen, die mit den katalytischen Zentren des Enzyms zusammenhängen.
Dazu gehören zwei wichtige aktive Zentren mit Metallionen, 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 DNA-Polymerase I ein 103 kd-Polypeptid, II ist ein 88 kd-Polypeptid und III hat zehn Untereinheiten.
Bei Eukaryoten sind die Enzyme größer und komplexer: α wird von fünf Einheiten gebildet, β und γ von einer Untereinheit, δ von zwei Untereinheiten und ε von 5.
Anwendungen
PRC
Die Polymerasekettenreaktion (PRC) wird aufgrund ihrer Nützlichkeit und Einfachheit in allen molekularbiologischen Labors eingesetzt. 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 (für diesen Prozess sind hohe Temperaturen unabdingbar), 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 der PRC kann das Vorhandensein von pathogenen Bakterien und Viren bei Patienten überprüft werden.
Antibiotika und Antitumormittel
Eine bedeutende Anzahl von Arzneimitteln zielt darauf ab, die Mechanismen der DNA-Replikation im pathogenen Organismus, sei es ein Virus oder ein Bakterium, zu unterbinden.
In einigen Fällen ist das Ziel die Hemmung der DNA-Polymeraseaktivität. Beispielsweise deaktiviert das Chemotherapeutikum Cytarabin, auch Cytosin-Arabinosid genannt, die DNA-Polymerase.
