DNA-Polymerase

Die DNA-Polymerase

Hast du dir schon einmal überlegt, wie dein Körper es schafft, seine Zellen kontinuierlich zu erneuern und zu wachsen? Oder wie Wundheilung funktionieren kann? All das basiert auf der Zellteilung. Damit aus einer Zelle zwei identische Tochterzellen werden, muss vorher das gesamte Erbgut, die DNA, exakt kopiert werden – ein Prozess, der DNA-Replikation genannt wird. Eines der wichtigsten Enzyme bei dieser Verdopplung ist die DNA-Polymerase. In diesem Text erfährst du, was die DNA-Polymerase ist und welche Funktion sie bei der Replikation hat.

DNA-Polymerase – Definition

Die DNA-Polymerase sorgt dafür, dass dein Bauplan immer fehlerfrei vervielfältigt wird, bevor sich eine Zelle teilt. Ohne sie gäbe es keine genaue Weitergabe der genetischen Information und damit kein Leben, wie wir es kennen. Etwas genauer:

Funktion der DNA-Polymerase bei der Replikation

Die DNA-Polymerase ist unverzichtbar für die semikonservative Replikation der DNA. Das bedeutet, jeder neue DNA-Doppelstrang besteht aus einem alten (Eltern-) Strang und einem neu synthetisierten Strang. Die Polymerase ist dabei das Werkzeug, das die passenden Nukleotide, die grundlegenden Bausteine von DNA, an den Matrizenstrang anfügt.

Die 5'-nach-3'-Synthese und das 3'-Ende

Das Enzym besitzt eine strikte Arbeitsweise: Es kann einen neuen DNA-Strang nur in einer bestimmten Richtung aufbauen, nämlich von seinem 5'-Ende zum 3'-Ende (kurz: 5' $\rightarrow$ 3'-Richtung). Das bedeutet:

• Verlängerung am 3'-Ende: Die DNA-Polymerase kann neue Nukleotide nur an ein vorhandenes 3'-OH-Ende eines DNA-Strangs anfügen. Dafür verbindet die OH-Gruppe des letzten Nukleotids das neu kommende dNTP mit dem Strang. So entsteht eine neue Phosphodiesterbindung, und ein Pyrophosphat wird frei.
• Primer-Abhängigkeit: Da die DNA-Polymerase nicht bei null starten kann, benötigt sie einen sogenannten Primer (Startmolekül), der ein kurzes Stück RNA ist und freie 3'-Ende bereitstellt. Der Primer wird von einem anderen Enzym, der Primase, hergestellt. Erst nach Anlagerung des Primers kann die DNA-Polymerase mit der eigentlichen DNA-Synthese beginnen.

Der Leit- und Folgestrang

Da die beiden DNA-Stränge antiparallel verlaufen (der eine in 5' $\rightarrow$ 3', der andere in 3' $\rightarrow$ 5'-Richtung), ergeben sich für die DNA-Polymerase an der Replikationsgabel unterschiedliche Synthesevorgänge:

Korrekturlesen

Eine unglaublich wichtige Funktion der DNA-Polymerase ist ihre Fähigkeit zum Korrekturlesen. Es können nämlich Fehler beim Einbau von Nukleotiden passieren.

Diese eingebaute Korrekturfunktion reduziert die Fehlerquote während der Replikation drastisch und sichert die Stabilität des Erbguts.

Verschiedene DNA-Polymerasen

Zellen besitzen nicht nur eine einzige DNA-Polymerase, sondern eine ganze Familie von Enzymen, die unterschiedliche, aber oft zusammenhängende Aufgaben erfüllen. Man unterscheidet zwischen den Polymerasen in Prokaryoten (wie Bakterien) und Eukaryoten (wie Pflanzen, Tiere und Menschen), die zwar dasselbe Grundprinzip nutzen, sich aber in ihrer Komplexität und ihren spezifischen Rollen unterscheiden.

Polymerasen bei Prokaryoten

• DNA-Polymerase III (Pol III): Der Hauptakteur der Replikation. Sie ist für die schnelle Synthese des neuen Strangs am Leit- und Folgestrang verantwortlich und besitzt die 3' $\rightarrow$ 5'-Korrekturlese-Funktion.
• DNA-Polymerase I (Pol I): Sie hat eine einzigartige 5' $\rightarrow$ 3'-Exonuklease-Aktivität, mit der sie die RNA-Primer am Folgestrang entfernen kann. Gleichzeitig füllt sie die entstandene Lücke mit DNA auf. Sie ist zudem an der DNA-Reparatur beteiligt.

Polymerasen bei Eukaryoten

Die eukaryotischen Polymerasen sind komplexer, wobei hier die wichtigsten genannt werden:

• Polymerase $\alpha$ (Alpha): Sie arbeitet mit der Primase zusammen und initiiert die Synthese. Sie legt einen kurzen RNA-Primer und ein kleines Stück DNA (ca. 20 Nukleotide) an.
• Polymerase $\delta$ (Delta): Sie ist hauptsächlich für die Synthese des Folgestrangs und die Verlängerung nach der Polymerase $\alpha$ zuständig. Sie besitzt ebenfalls eine Korrekturlese-Funktion.
• Polymerase $\varepsilon$ (Epsilon): Sie übernimmt vorrangig die Synthese des Leitstrangs und spielt eine entscheidende Rolle bei bestimmten DNA-Reparaturprozessen. Sie ist der schnellste Kopierer (hohe Prozessivität).

Anwendung: Die DNA-Polymerase in der Wissenschaft

Die DNA-Polymerase ist nicht nur in der Zelle aktiv, sondern hat die moderne Biologie revolutioniert. Sie ist die zentrale Komponente der Polymerase-Kettenreaktion (PCR), einer Technik, die es ermöglicht, kleinste Mengen an DNA in kurzer Zeit millionenfach zu vervielfältigen. Ohne die PCR wären viele heutige Verfahren in der Medizin (z. B. Corona-Tests), Kriminalistik (DNA-Analyse) oder Forschung undenkbar. Für die PCR wird eine spezielle Form der DNA-Polymerase, die Taq-Polymerase, verwendet. Dieses Enzym stammt aus einem hitzeliebenden Bakterium (Thermus aquaticus) und ist hitzestabil. Dies ist notwendig, da die PCR-Methode bei hohen Temperaturen abläuft, um die DNA-Doppelstränge aufzutrennen.

Ausblick – das lernst du nach DNA-Polymerase

Vertiefe dein Wissen über die DNA-Replikation, um den gesamten Prozess der DNA-Verdopplung zu verstehen. Das Thema Genexpression (Transkription und Translation) zeigen dir, wie die von der Polymerase erzeugte DNA genutzt wird, um Proteine herzustellen.

Häufig gestellte Fragen zum Thema DNA-Polymerase