Hauptunterschied – Endonuklease vs. Exonuklease

Nukleasen sind eine Klasse von Hydrolasen, die die Phosphodiesterbindungen zwischen den Nukleotiden in den Nukleinsäuren, sowohl DNA als auch RNA, spalten. Die Nukleasen können je nach Art der Substratnukleinsäure, auf die sie wirken, in zwei Typen unterteilt werden: Ribonukleasen und Desoxyribonukleasen. Ribonukleasen wirken auf RNA, während Desoxyribonukleasen auf DNA wirken. Nukleasen können auch in zwei als Endonukleasen und Exonukleasen unterteilt werden. Die Hauptunterschied zwischen Endonukleasen und Exonukleasen ist das Endonuklease spaltet Nukleinsäurestränge in der Mitte, während Exonuklease Nukleinsäurestränge an den Enden spaltet. Die Hauptaufgabe von Nukleasen innerhalb der Zelle besteht darin, an den DNA-Reparaturmechanismen teilzunehmen.

Abgedeckte Schlüsselbereiche

1. Was ist eine Endonuklease? – Definition, Eigenschaften, Funktion 2. Was ist eine Exonuklease? – Definition, Eigenschaften, Funktion 3. Was sind die Ähnlichkeiten zwischen Endonuklease und Exonuklease? – Überblick über die gemeinsamen Funktionen 4. Was ist der Unterschied zwischen Endonuklease und Exonuklease? – Vergleich der wichtigsten Unterschiede

Schlüsselbegriffe: DNA, DNA-Reparatur, Endonuklease, Exonuklease, Restriktionsendonukleasen, Restriktionsstelle, RNA

Was ist eine Endonuklease?

Eine Endonuklease ist eine Klasse von Hydrolasen, die Nukleinsäuren in der Mitte spaltet. Die Wirkung von Endonukleasen kann zu zwei oder mehr Nukleinsäurefragmenten führen. Endonukleasen können sowohl auf DNA als auch auf RNA einwirken. Die Spaltung einiger Endonukleasen wie beispielsweise Desoxyribonukleasen (DNasen) ist unspezifisch. Viele Endonukleasen spalten jedoch die Zielnukleotidsequenzen auf spezifische Weise. Diese Art von spezifischen Endonukleasen nennt man Restriktionsendonukleasen. Sie sind in der Lage, eine bestimmte Sequenz des Nukleinsäurestrangs zu erkennen. Somit durchlaufen diese Restriktionsendonukleasen eine Verzögerungsperiode vor ihrer Wirkung auf die Nukleinsäure, wobei sie nach der spezifischen Nukleotidsequenz scannen. Diese spezifische Nukleotidsequenz wird als Restriktionsstelle bezeichnet.

Abbildung 1: Die Wirkung von Hind III

Eine typische Restriktionsschnittstelle ist eine palindromische Sequenz von vier bis sechs Nukleotiden. Viele Restriktionsendonukleasen spalten DNA-Stränge und hinterlassen einzelsträngige Enden, die als bezeichnet werden Klebrige Enden. In der Gentechnik werden diese Art von Restriktionsendonukleasen weit verbreitet verwendet, um rekombinante DNA herzustellen, indem verschiedene, gewünschte DNA-Stränge miteinander ligiert werden. DNA-Methylierung in höheren Organismen verhindert die Wirkung von Endonukleasen auf ihr Genom. Prokaryontischer DNA fehlt jedoch die Methylierung. Daher kann prokaryontische DNA innerhalb eines eukaryontischen Wirts leicht zur Spaltung gezielt werden. Die Bildung des klebrigen Endes durch die Wirkung der Restriktionsendonuklease Hind III ist in 1 gezeigt.

Was ist eine Exonuklease?

Eine Exonuklease ist eine Art Hydrolase, die die Nukleinsäurekette an ihrem Ende spaltet. Exonukleasen entfernen Nukleotide nacheinander aus der Nukleinsäurekette, indem sie die Phosphodiesterbindungen entweder am 3'- oder 5'-Ende hydrolysieren. Drei Arten von Exonukleasen können sowohl in Prokaryonten als auch in Eukaryonten identifiziert werden. Es handelt sich um 5’ bis 3’ Exonuklease, 3’ bis 5’ Exonuklease und Poly(A)-spezifische 3’ bis 5’ Exonukleasen. Alle drei Typen spielen eine Rolle beim mRNA-Umsatz. Die E.coli-DNA-Polymerase III, die während der prokaryotischen DNA-Replikation die Addition von Nukleotiden an den wachsenden Strang katalysiert, besteht in ihrer ε-Untereinheit aus 3’ bis 5’-Exonuklease-Aktivität. Die ε-Untereinheit entfernt die fehlgepaarten Nukleotide vom Ende der wachsenden Kette.

Abbildung 2: 3’ bis 5’ Exonuklease-Domäne der DNA-Polymerase I

Die 3’ bis 5’-Exonuklease-Aktivität der DNA-Polymerase III wird als Korrekturleseaktivität des Enzyms bezeichnet. Die DNA-Polymerase I besitzt sowohl 5’ bis 3’ Exonuklease-Aktivität als auch 3’ bis 5’ Exonuklease-Aktivität. Die 5’-3’-Exonuklease-Aktivität kann bis zu zehn Nukleotide gleichzeitig entfernen. Exonukleasen spielen eine wichtige Rolle beim DNA-Korrekturlesen, der DNA-Reparatur und der DNA-Stabilisierung. Die 3’ bis 5’ Exonuklease-Domäne der DNA-Polymerase I ist in Abbildung 2 dargestellt.

Ähnlichkeiten zwischen Endonuklease und Exonuklease

Unterschied zwischen Endonuklease und Exonuklease

Definition

Endonuklease: Endonuklease bezieht sich auf ein Enzym, das die Polynukleotidkette spaltet, die andere Nukleotide als die beiden Enden trennt.

Exonuklease: Exonuklease bezieht sich auf ein Enzym, das die Polynukleotidkette vom Ende der Kette spaltet, indem es die Nukleotide nacheinander entfernt.

Wirkmechanismus

Endonuklease: Endonukleasen spalten Nukleinsäuren in der Mitte der Nukleinsäuren.

Exonuklease: Exonukleasen spalten Nukleinsäuren an den Enden.

Verzögerungsphase

Endonuklease: Restriktionsendonukleasen durchlaufen eine Lag-Periode vor ihrer Aktivität.

Exonuklease: Exonuklease hat keine Verzögerungszeit vor ihrer Aktivität.

Ergebnisse

Endonuklease: Endonukleasen führen zu Oligonukleotiden.

Exonuklease: Exonukleasen führen zu einzelnen Nukleotiden oder Nukleosiden.

Stumpfe/klebrige Enden

Endonuklease: Endonukleasen können entweder stumpfe Enden oder klebrige Enden bilden.

Exonuklease: Exonukleasen bilden klebrige Enden.

Rolle

Endonuklease: Endonukleasen blockieren das Eindringen von Krankheitserregern.

Exonuklease: Exonukleasen spielen keine wesentliche Rolle bei der Blockierung des Eindringens von Krankheitserregern.

Beispiele

Endonuklease: DNasen, S1-Nuklease und Restriktionsenzyme wie Bam H1, Hind III und Eco RI sind Beispiele für Endonukleasen.

Exonuklease: Beispiele für Exonukleasen sind Schlangengift, Milzphosphodiesterase, 3’ bis 5’ Exonukleasedomäne der DNA Polymerase III, die 5’ bis 3’ Exonukleaseaktivität und die 3’ bis 5’ Exonukleasedomäne der DNA Polymerase I.

Abschluss

Endonukleasen und Exonukleasen sind zwei Arten von Nukleasen, die Nukleinsäuren durch Hydrolyse der Phosphodiesterbindungen zwischen Nukleotiden spalten. Endonukleasen spalten die Polynukleotidkette in der Mitte, während Exonukleasen die Polynukleotidkette an den Enden spalten. Restriktionsendonukleasen sind eine Art von Endonukleasen, die die Polynukleotidkette an einer bestimmten Sequenz spalten. Exonukleasen sind beim Korrekturlesen der replizierten DNA wichtig. Der Hauptunterschied zwischen Endonuklease und Exonuklease ist jedoch der Ort der Spaltung der Polynukleotidkette.

Referenz:

1. McMahon, Mary und O. Wallace. „Was ist eine Endonuklease?“ WiseGEEK. Conjecture Corporation, 4. Juli 2017. Web. Hier verfügbar. 08. August 2017. 2. „Exonuklease“. Wikipedia. Wikimedia Foundation, 01. August 2017. Web. Hier verfügbar. 08.08.2017.3. Lodisch, Harvey. „Die DNA-Replikationsmaschinerie.“ Molekulare Zellbiologie. 4. Auflage.U.S. Nationalbibliothek für Medizin, 01. Januar 1970. Web. Hier verfügbar. 08.08.2017.

Bild mit freundlicher Genehmigung:

1. „HindIII-Restriktionsstelle und Vektor mit klebrigen Enden“ Von Helixitta – Eigene Arbeit (CC BY-SA 4.0) über Commons Wikimedia2. "Poly I-Struktur" Von Christopherrussell - Gunther S, Rother K, Frommel C (CC BY-SA 3.0) über Commons Wikimedia