Moin! Ihr wisst ja sicher, dass aus Genen bestimmte Produkte wie Enzyme gebildet werden. Aber wie stellen Zellen sicher, dass nur die Sachen hergestellt werden, die auch gebraucht werden?
Das passiert über die Genregulation. Warum sie so wichtig ist und wie sie bei Prokaryoten abläuft, erzählen wir euch jetzt. Stellen wir uns mal vor, Bakterien würden immer alle Gene ausprägen, die sie auch besitzen.
Das wäre ein ziemliches Durcheinander und komplette Verschwendung. Sie würden häufig zu viele oder zu wenige Proteine bilden und könnten nicht auf Umwelteinflüsse reagieren. Wie zum Beispiel eine veränderte Nahrungsgrundlage. Außerdem wäre das eine ziemliche Energieverschwendung. Abhilfe schafft hier die Genregulation.
Sie bestimmt die Genaktivität. Das ist die Rate, mit der Gene ausgeprägt werden. Dazu wird die Häufigkeit reguliert, mit der die Gene in der Transkription abgeschrieben werden.
Diese Häufigkeit nennt man auch Transkriptionsrate. Und wie genau läuft das bei Prokaryoten ab? Mit genau dieser Frage beschäftigten sich die Forscher François Jacob und Jacques Monod.
Sie fanden heraus, dass prokaryotische Gene eine bestimmte Funktionseinheit bilden, wodurch die Regulation erst möglich wird. Diese Einheit nennt man Operon-Modell. Das Operon-Modell besteht im Grunde aus drei Teilen. Am Anfang der Einheit sitzt der sogenannte Operator. Das ist einfach nur ein DNA-Abschnitt, der als Bindungsstelle dient.
Der Promotor ist die Ansatzstelle für die Polymerase. Die Polymerase ist das Enzym, das später die Gene abliest. Das kennen wir schon von der Transkription. Die Gene, die abgelesen werden sollen, werden hier Strukturgene genannt.
Operator, Promotor und Strukturgene werden zusammen als Operon bezeichnet. Vor diesem Operon sitzt der sogenannte Regulator. Das ist ein DNA-Abschnitt, der ein bestimmtes Protein bildet. Dieses Protein nennt man auch Repressor. Das ist später für die eigentliche Regulation zuständig, denn der Name sagt schon, dass es etwas unterdrückt.
Und zwar die Transkription. Der Repressor bindet an den Operator und blockiert damit die Polymerase. Dadurch können die Strukturgene dann nicht mehr abgelesen werden.
So viel zum Aufbau und den Funktionen der Abschnitte. Nun gibt es zwei wichtige Regulationsmechanismen. Die Substratinduktion findet man beim Lackoperon der E.
coli Bakterien. Dieser Prozess wird ausgelöst, wenn ein Stoff vorhanden ist, der abgebaut werden soll. Das ist das Substrat.
Dieser Stoff wird auch Induktor genannt. In unserem Beispiel ist das Laktose. Der Prozess läuft so.
Ist keine Laktose vorhanden, sitzt der Repressor am Operator und blockiert die Polymerase. Die Gene können dann nicht abgelesen werden. Nimmt das Bakterium Laktose auf, bindet die Laktose an den aktivierten Repressor. Dadurch löst sich der Repressor und verändert seine Form.
Das nennt man auch Konformationsänderung. Der Repressor kann dadurch nicht aus Versehen wieder an den Operator binden. Die Polymerase wird nicht mehr blockiert und die Strukturgene können abgelesen werden.
Dann werden Enzyme gebildet, die Laktose abbauen können. Die Verdauungsenzyme für Laktose werden also nur gebildet, wenn sie auch gebraucht werden. Praktisch, oder? Kurz gesagt löst in der Substratinduktion ein bestimmtes Substrat wie Laktose die Bildung des Abbauenzyms aus. Das ist in dem Fall die Laktase.
Sie wird nur gebildet, wenn sie auch gebraucht wird. Nun gibt es noch die Endprodukt-Repression. Die schauen wir uns am Beispiel des TRP-Operon an.
Hier passiert das Ganze quasi umgekehrt. Solange noch kein oder erst wenig Tryptophan vorhanden ist, wird die Polymerase nicht blockiert. Die Struktur-Gene für die Tryptophan-Bildung werden durchgängig abgelesen. Irgendwann hat das Bakterium so viel davon gebildet, dass die vielen Proteine gar nicht mehr verarbeitet werden können.
Dann passiert Folgendes. Das Regulator-Gen bildet zuvor schon den Repressor. Der schwirrt dann inaktiv in der Nähe des Geschehens herum. Das überschüssige Tryptophan bindet an den inaktiven Repressor. Der Repressor wird aktiv und verändert seine Form.
Dann kann er nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip an den Operator binden. Der aktive Repressor blockiert die Polymerase und die Strukturgene werden nicht mehr abgelesen. Es wird also kein weiteres Tryptophan mehr gebildet, denn es wird ja auch keins mehr gebraucht. Fassen wir das Ganze nochmal zusammen.
Die Genregulation stellt bei Prokaryoten sicher, dass immer nur so viele Genprodukte wie nötig gebildet werden. Sie ist damit ein wichtiger Mechanismus zur Anpassung an Umwelteinflüsse wie Nahrungsverfügbarkeit. Bei Prokaryoten wird das durch das OPERON-Modell ermöglicht.
Es besteht aus einem Operator, einem Promotor und Strukturgenen. Dazu kommt ein Regulatorgen, das etwas vor dem OPERON sitzt. Beim Ablauf unterscheidet man zwei Mechanismen.
In der Substratinduktion geht es um das Starten der Transkription. Das wird beim Lackoperon durch Laktose ausgelöst. Am Anfang sitzt der Repressor am Operator und die Strukturgene werden nicht abgelesen. Die Laktose inaktiviert den Repressor und ermöglicht das Ablesen der Gene.
In der Endproduktrepression geht es um das Stoppen der Transkription. Beim TRP-Operon wird durchgängig Tryptophan gebildet. Ist die Tryptophan-Konzentration hoch genug, wird der Repressor aktiviert. Die Struktur-Gene werden blockiert und die Transkription verhindert.
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