imported>Skilo25: In biologischen Kontexten kann man nicht mit absoluter Sicherheit Aussagen über die Abwesenheit von Enzymen in weitläufigen Reichen faßen.

2026-04-29T14:36:06Z

In biologischen Kontexten kann man nicht mit absoluter Sicherheit Aussagen über die Abwesenheit von Enzymen in weitläufigen Reichen faßen.

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{{Infobox Protein
|Name = DNA-Polymerase
|Bild = DNA polymerase.png
|Bild_legende = Bänderdarstellung der [[DNA-bindendes Protein|DNA-bindenden Domäne]] der humanen DNA-Polymerase β
|EC-Nummer = 2.7.7.7
|CAS = {{CASRN|9012-90-2}}
|Kategorie = Transferase
|Reaktionsart =
|Substrat = Desoxyribonucleosidtriphosphat + DNA<sub>n</sub>
|Produkte = Diphosphat + DNA<sub>n+1</sub>
}}

'''DNA-Polymerasen''' sind [[Enzym]]e, die als [[Polymerase]] die Synthese von [[Desoxyribonukleinsäure|DNA]] aus [[Desoxyribonukleotide]]n katalysieren. DNA-Polymerasen spielen eine Schlüsselrolle bei der [[Replikation|DNA-Replikation]].

== Biochemische Aspekte ==
=== Polymerase-Aktivität ===
Die [[Polymerase]] ermöglicht die chemische Verknüpfung von einzelnen [[Molekül]]en ([[Monomer]]e) zu einer Kette ([[Polymer]]). Im Falle der DNA-Polymerase ist das gebildete Polymer die [[Desoxyribonukleinsäure]] (DNA), als Monomere dienen [[Desoxyribonukleotide]], genauer Desoxy-Nukleosidtriphosphate (dNTPs). Die DNA-abhängige DNA-Polymerase nutzt stets einen bereits bestehenden DNA-Einzelstrang als [[Matrize (Genetik)|Matrize]] (Vorlage) für die Synthese eines neuen, komplementären Stranges, dessen Nukleotid-Abfolge somit von der Matrize bestimmt wird. Dieser Erhalt der [[Nukleotidsequenz|DNA-Sequenz]] ist entscheidend für die Fähigkeit der DNA-Polymerase, die in der DNA codierte [[Erbinformation]] zu kopieren. Das korrekte Kopieren der Matrize gelingt durch komplementäre [[Basenpaar]]ung der eingebauten Nukleotidbasen mit den Basen der DNA-Matrize, vermittelt durch [[Wasserstoffbrücken]]. Die Synthese des neuen DNA-Stranges erfolgt vom [[Nukleinsäure-Nomenklatur|5'- zum 3'-Ende]]. Chemisch betrachtet findet dabei ein [[nukleophil]]er Angriff der endständigen 3'-[[Hydroxygruppe]] des DNA-Stranges auf das α-[[Phosphat]] des dNTPs statt, wobei [[Diphosphate|Pyrophosphat]] freigesetzt wird. Dieser Schritt wird von der Polymerase katalysiert.

Im Gegensatz zu [[RNA-Polymerase]]n kann die Synthese des komplementären DNA-Stranges bei DNA-Polymerasen nur erfolgen, wenn der Polymerase ein freies 3'-Hydroxyende zur Verfügung steht. An dieses wird dann das erste Nukleotid angehängt. Bei der [[Polymerase-Kettenreaktion]] (PCR) nutzt man hierzu einen ca. 15–20 Nukleotide langen DNA-Einzelstrang ([[Primer]]), der als Startpunkt der Reaktion dient. DNA-Polymerasen benötigen in der Regel [[Magnesium]]-Ionen als [[Koenzym|Kofaktor]].

Die Katalyse der Bildung der [[Ester|Diesterbindung]] erfolgt funktionell analog zu der entsprechenden Reaktion der RNA-Polymerasen. Das letzte [[Nukleotide|Nukleotid]] des bereits synthetisierten Abschnittes und das anzufügende Nukleotid sind an jeweils eines von zwei [[Magnesium]]-Ionen im katalytischen Zentrum der Polymerasendomäne koordiniert. Die erste Phosphatgruppe des anzufügenden Nukleotids ist an beide Magnesium-Ionen koordiniert. Die räumliche Lage ermöglicht einen Angriff der [[Hydroxygruppe]] des vorangegangenen Nukleotids auf die Phosphatgruppe des anzufügenden. Dabei wird ein [[Pyrophosphat]]rest abgespalten.[[Datei:DNA polymerase.svg|300px|mini|DNA-Polymerase mit Korrekturlese-Funktion (engl. ''proof-reading'').]]

=== Exonuklease-Aktivität ===
Viele Polymerasen haben zusätzlich noch weitere Enzym-Funktionen. In Anwesenheit geringer Konzentrationen an dNTPs überwiegt die ''3'→5'-[[Exonuklease]]-Aktivität'' zum Entfernen von Nukleotiden. Einige Polymerasen besitzen auch eine ''5'→3'-Exonuklease-Aktivität''. Um zu gewährleisten, dass es zu keinen Fehlern beim Ablesen der DNA-Matrize kommt, verfügen sie über diese ''Korrekturlese-Funktion'' (engl. ''proof reading''), d. h., sie sind in der Lage, den Einbau eines unpassenden Nukleotids zu erkennen und dieses anschließend durch die Exonuclease-Aktivität wieder aus der DNA zu entfernen. Diese ermöglicht den Abbau eines bestehenden DNA- oder RNA-Stranges, der bereits mit dem Matrizenstrang gepaart ist, während ein neuer Strang gebildet wird. Es resultiert ein Austausch des alten Stranges gegen einen neuen Strang. Diese Exonuklease-Aktivität wird bei der Methode der ''[[nick translation]]'' ausgenutzt.

== Verschiedene DNA-Polymerasen ==
In Bakterien, wie etwa ''[[Escherichia coli]]'' gibt es drei verschiedene '''DNA-abhängige DNA-Polymerasen'''. Eine davon, die '''[[DNA-Polymerase I]]''' (Pol I) wurde im Jahr 1955 von [[Arthur Kornberg]] isoliert und war die erste Polymerase überhaupt, die entdeckt wurde. Diese ist aber nicht die für die Replikation wichtigste Polymerase in ''E. coli'', da sie nur etwa 20 Syntheseschritte katalysiert (d. h., sie besitzt nur eine niedrige [[Prozessivität]]). Sie ist jedoch durch ihre 5'→3'-Exonuklease-Aktivität bei der Replikation für den Primerabbau zuständig. '''[[DNA-Polymerase II]]''' und '''[[DNA-Polymerase III]]''', die anderen beiden DNA-Polymerasen in ''E. coli'', wurden erst 15 Jahre nach der Entdeckung der DNA-Polymerase I isoliert, nachdem sich ''E. coli''-Mutanten mit Defekt im Polymerase I Gen dennoch als [[replikation]]skompetent erwiesen. Diese Mutanten waren allerdings besonders anfällig gegenüber UV-Strahlung und alkylierenden Substanzen, weshalb man annimmt, dass die DNA-Polymerase I vorwiegend Reparaturaufgaben übernimmt. Die Polymerase III, die in ''E. coli'' die eigentliche Replikation durchführt, ist aus insgesamt sieben Untereinheiten aufgebaut und kommt pro Bakterienzelle nur in sehr wenigen Kopien vor.

Eukaryotische DNA-Polymerasen werden in folgende Familien klassifiziert:

* {{Anker|PolA}}Familie A: DNA-Polymerasen γ, θ und ν
* {{Anker|PolB}}Familie B: DNA-Polymerasen α, δ, ε und ζ
* {{Anker|PolX}}Familie X: DNA-Polymerasen β, λ, σ und μ
* {{Anker|PolY}}Familie Y: DNA-Polymerasen η, ι und κ
Es wurde die Polymerase γ bisher nur in [[Mitochondrien]] nachgewiesen.

In Säugern kommen nur fünf DNA-Polymerasen vor: α, β, γ, δ und ε. Es wird angenommen, dass es sich bei den für die Replikation entscheidenden um die Polymerasen δ und ε handelt, die sich durch hohe Prozessivität und Korrekturlesefunktion (''proof reading'') auszeichnen. Die Polymerasen α und β zeigen dagegen nur geringe Prozessivität und keine Proofreadingfunktion.

Des Weiteren existieren '''RNA-abhängige DNA-Polymerasen''', die die RNA als Matrize nutzen und dNTPs daran anhängen. Diese nennen sich [[Reverse Transkriptase]], wozu auch die [[Telomerase]] gehört. Als '''unabhängige DNA-Polymerase''' ist als einziges die [[Desoxyribonukleotidyltransferase|terminale Desoxyribonucleotidyltransferase]] bekannt.

In [[Archaeen|Archaebakterien]] existieren [[Thermostabile DNA-Polymerase|temperaturstabile DNA-Polymerasen]], die ebenfalls zur [[Polymerase-Kettenreaktion|PCR]] genutzt werden.
{| class="wikitable sortable"
|+ DNA-Polymerasen des Menschen<ref name="Chatterjee">N. Chatterjee, G. C. Walker: ''Mechanisms of DNA damage, repair, and mutagenesis.'' In: ''Environmental and molecular mutagenesis.'' Band 58, Nummer 5, Juni 2017, S. 235–263, {{DOI|10.1002/em.22087}}, PMID 28485537, {{PMC|5474181}}.</ref>
!Polymerase
!Familie
!Fehlerrate
!Funktion
|-
|α (POLA)
| B
|10-4 - 10-5
| Eine RNA-Primase während der [[DNA-Replikation]]; Rolle beim [[Zellzyklus|S-Phasen-Kontrollpunkt]]
|-
|β (POLB)
|X
|5 X 10-4
|Eine dRP- und AP-Lyase; Rolle bei der [[Basenexzisionsreparatur]]
|-
|δ (POLD)
| B
| 10-5 - 10-6
| Hat eine 3′-5′-[[Exonuklease]]-Aktivität; Rolle bei der [[DNA-Replikation]]; zusätzliche Rollen bei [[Basenexzisionsreparatur]], [[Nukleotidexzisionsreparatur]], [[DNA-Reparatur|MMR, DSBR]]
|-
|ε (POLE)
| B
| 10-6 - 10-7
| Hat eine 3′-5′-[[Exonuklease]]-Aktivität; Rolle bei der [[DNA-Replikation]]; zusätzliche Rollen [[Basenexzisionsreparatur]], [[Nukleotidexzisionsreparatur]], [[DNA-Reparatur|MMR, DSBR]] und [[Zellzyklus|S-Phasen-Kontrollpunkt]]
|-
|REV1 (REV1)
| Y
| inkorporiert nur [[Desoxycytidintriphosphat|dCTP]]s
| inkorporiert nur dCTPs und vermittelt [[Protein-Protein-Interaktion]]en während [[DNA-Reparatur|Transläsionssynthese]]; Rolle bei [[Fanconi-Anämie]], [[Homologe Rekombination]]
|-
|ζ (REV3)
| B
| 10-3
| Rolle bei [[DNA-Reparatur|Transläsionssynthese, DSBR]], [[Fanconi-Anämie]] und [[Somatische Hypermutation]]
|-
|η (POLH)
| Y
| 3,5 X 10-2
| Rolle bei [[DNA-Reparatur|Transläsionssynthese]], [[Somatische Hypermutation]], [[Basenexzisionsreparatur]]
|-
|ι (POLI)
| Y
| 10-1 - 10-4
| Rolle in [[DNA-Reparatur|Transläsionssynthese]], [[Somatische Hypermutation]], [[Basenexzisionsreparatur]]
|-
|κ (POLK)
| Y
| 10-2 - 10-3
| Rollen in [[DNA-Reparatur|Transläsionssynthese]] und [[Nukleotidexzisionsreparatur]]
|-
|θ (POLQ)
| A
| 2,4 X 10-3
| Hat ein [[Helikase]]-Motiv; ICL-Reparatur
|-
|γ (POLG)
| A
| 10-5
| Hat eine 3′-5′-[[Exonuklease]]-Aktivität; Rolle bei der mitochondrialen Replikation; [[Basenexzisionsreparatur]]
|-
|λ (POLL)
| X
| 1,5 X 10-4
| Eine dRP-Lyase; spielt eine Rolle bei der [[V(D)J-Rekombination]], [[Non-homologous End-Joining]] und [[Basenexzisionsreparatur]]
|-
|μ (POLM)
| X
| 10-3 - 10-5
| Eine terminale Transferase; Rolle bei der [[V(D)J-Rekombination]] und [[Non-homologous End-Joining]]
|-
|ν (POLN)
| A
| 3,5 X 10-3
| Möglicherweise [[DNA-Reparatur|Transläsionssynthese]]
|-
|σ (POLS)
| X
| unbekannt
| Hat eine 3′-5′-[[Exonuklease]]aktivität; Rolle beim Schwesterchromatidaustausch
|-
| [[Terminale Desoxyribonucleotidyltransferase|Tdt]]
| X
| unbekannt
| [[V(D)J-Rekombination]], templateunabhängige Synthese
|-
| [[Telomerase]]
| [[Reverse Transkriptase|RT]]
| 2 X 10-3
| Repliziert die Enden von [[Chromosomen]]
|-
|PrimPol
| AEP
| unbekannt
| [[DNA-Reparatur|Transläsionspolymerase]] mit hoher Effizienz
|}
[[DNA-Reparatur|MMR]] (mismatch repair), [[DNA-Reparatur|DSBR]] (double strand break repair), [[DNA-Reparatur|ICL]] (interstrand cross link), dRP (Desoxyribosephosphat), AEP (archaeo-eukaryotische [[Primase]]).

== Keine 3'→5'-Polymerasen ==
In 3'→5' prozessierende DNA-Polymerase-Komplexe sind nicht bekannt. Eine Verlängerung des DNA-Stranges in diese Richtung würde die Hydrolyse des zuvor angefügten Nukleosidtriphosphats erfordern. Dies ist zwar prinzipiell möglich, führt aber zu einem Problem im Hinblick auf eine zusätzliche Korrekturfunktion (''proofreading''). Denn nach der Reaktion einer Exonuklease bliebe am Strang keine Triphosphat-Gruppe am Ende, sondern nur eine einfache Phosphatgruppe zurück, womit die weitere Verlängerung des Stranges unterbunden wäre. Der folgende hypothetische Reaktionsmechanismus kann dies verdeutlichen:<ref>{{Literatur |Autor=Donald Voet |Titel=Biochemistry |Auflage=4th edition |Verlag=John Wiley & Sons |Ort=Hoboken, NJ |Datum=2011 |ISBN=978-0-470-57095-1 |Seiten=1201}}</ref>
[[Datei:3'-5'-DNAP.svg]]

== Biologische Bedeutung ==
DNA-Polymerasen sind von zentraler Bedeutung für die [[DNA-Replikation]]. Sie ermöglichen das getreue Kopieren der Erbinformation in Form von DNA, somit einen entscheidenden Schritt bei der Vermehrung und Fortpflanzung von Lebewesen. DNA-Polymerasen spielen zudem bei Vorgängen, die mit der Reparatur von DNA einhergehen, eine wichtige Rolle.

== Biotechnologische Bedeutung ==
Im Labor werden DNA-Polymerasen oft für die [[Polymerase-Kettenreaktion]] und verwandten Methoden (z. B. [[RT-PCR]], [[qPCR]]), bei der [[Nick translation]], beim [[Random priming]] und bei der [[DNA-Sequenzierung]] eingesetzt. Dabei kommt eine Vielzahl von verschiedenen, teils per [[Protein-Engineering]] veränderten [[Thermostabile DNA-Polymerase|thermostabilen DNA-Polymerasen]] zum Einsatz (z. B. [[Taq-Polymerase]]). Neben einer hohen Temperaturstabilität bringen thermostabile DNA-Polymerasen archaeischen Ursprung wie die [[Pfu-Polymerase]] eine Korrekturlese-Funktion (''proof-reading'') mit, da es bei der PCR zu keiner Veränderung der erzeugten DNA kommen soll. Weiterhin werden in verschiedenen Methoden der [[Isothermale DNA-Amplifikation|isothermalen DNA-Amplifikation]] bei Raumtemperatur strangversetzende DNA-Polymerasen wie die [[φ29-DNA-Polymerase]] verwendet. Der Vorläufer der heute verwendeten DNA-Polymerasen war die [[T4-DNA-Polymerase]].

== Literatur ==
* Lehninger; David Nelson, Michael Cox: ''Lehninger Biochemie.'' 3. Auflage, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg 2001, ISBN 3-540-41813-X
* Wilhelm Seyffert: ''Lehrbuch der Genetik.'' 2. Auflage, Spektrum Akademischer Verlag Heidelberg, Berlin 2003, ISBN 3-8274-1022-3
* Jeremy M. Berg, John L. Tymoczko, Lubert Stryer: ''Biochemie'' 6. Auflage, Springer-Verlag, Heidelberg 2007, ISBN 978-3-8274-1800-5

== Weblinks ==
* [[Protein Data Bank|PDB]] Molecule of the Month: [http://www.rcsb.org/pdb/static.do?p=education_discussion/molecule_of_the_month/pdb3_1.html DNA-Polymerase]

== Einzelnachweise ==
<references />
{{Navigationsleiste DNA-Polymerasen}}
{{SORTIERUNG:DNAPolymerasen}}
[[Kategorie:Nukleotidyltransferase| DNAPolymerasen]]
[[Kategorie:DNA-Replikation]]
[[Kategorie:DNA-Reparatur]]
[[Kategorie:Proteinkomplex]]
[[Kategorie:Gentechnik]]
[[Kategorie:Molekularbiologie]]

DNA-Polymerasen - Versionsgeschichte

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